基于STM32的監測預警車設計

隋盛譽，邢曉鵬，劉春池，劉搏飛，孫嘉成，謝印慶

（大連理工大學城市學院電子與自動化學院，遼寧 大連 116102）

0 引言

隨著城市的快速發展，人們對地球資源的利用也在加速，由于對其處理不當，隨之而來的是周圍的危險越來越多，造成了許多不可避免的災難和難以挽回的損失。因此，人工智能化是未來發展的必然趨勢，通過智能設備提前檢測與預警，可以降低和減少災難的發生。

與目前市面上的預警檢測車相對比，市面上目前大部分的檢測車只有固定檢測和平地移動式檢測兩大類；而本車的優勢則在于可在住宅區和商業區以及工廠等復雜環境中使用，能夠翻山越嶺，適應各種地貌環境，其還可以在許多人們無法到達的地方進行探測和預警，從而幫助人們提前預測危險，避免更大的損失。此外，檢測更加準確，防止有類似對象觸發誤報警。同樣，在發生災難時，本車也可以在危險環境中工作，用來尋找傷者和物資，避免傷亡。其工作效率與克服艱苦環境程度遠遠高于目前的探測車。

根據對國內外災難發生原因收集得知，火災和爆炸都可以對人類造成巨大的傷害。因此，預防此類災害已成為了國際的重要主題。我國一年消防就接報火災約25萬起，造成損失約40 億元，火災和爆炸災害是我們需要面臨的長期嚴峻挑戰。由此本文提出監測預警車的設計可以使這種災害降低到最小，提前規避風險，減少損失和人員傷亡。在各種環境下，都能使火災、爆炸等災害遠離人群，實現安全的生活環境。

1 系統組成及結構

1.1 系統硬件

本車系統結構由STM32 主控模塊、超聲波測距模塊、氣體檢測模塊、無線射頻微處理器模塊、紅外反射傳感器模塊和其他模塊構成。其中STM32 單片機作為主控模塊，圖1所示為系統框圖。

圖1 系統框圖

1.2 各模塊組成

1.2.1 主控制模塊

主控模塊采用STM32 作為主控制器，主要用于采集信息、處理數據、協調系統中各個模塊實現的功能。51單片機能夠滿足大多數的日常使用，成本低廉，體積大，不需要轉接板和適配板就可以直接插入萬用板中使用。而STM32 是32 位控制器，51 是8 位的，處理速度快得多；STM32 內部時鐘比51 大很多；類似地，定時器STM32 有8 個，而51 只有兩個；STM32 有豐富的外設接口，可以執行多任務和高實時的控制任務。對于51 來說，只能用CPU 指令控制IO 高低電平來模擬，占用CPU資源多，執行任務慢且錯誤率較高。所以STM32與51單片機相比，STM32 具有更高的性能，更快的響應速度和更強的信息處理能力[1]。外圍設備豐富合理、軟件支持強、芯片型號多、功耗更低、覆蓋范圍廣等優點[2]。STM32處理器原理如圖2所示。

圖2 STM32處理器原理

1.2.2 無線射頻微處理器模塊

無線射頻微處理器模塊采用新型單片射頻收發器，nRF24L01射頻模塊具有功耗低，傳輸數據距離長，更加節能，可自動應答和發送等優點。采用射頻處理器模塊，通過組網來提高傳輸信息的距離，并且可以增加信息傳輸的可靠性；也可以通過適當通過增加發射功率，來提高通信的可靠性；在接收端前端引入良好的濾波和可控制的低噪聲放大器，就可以自動校正電平；為了提高通信質量，還可以提高天線的增益，選擇小電抗的饋電系統，并增加必要的屏蔽。內置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調制器等功能模塊，并且集成了增強型沖擊波技術，可在多種低功耗模式下工作[3]。收發信息之間互不干擾，而且在工業和醫療等領域有廣泛應用。nRF24L01原理如圖3所示。

圖3 nRF24L01原理

1.2.3 紅外反射式傳感器模塊

紅外避障模塊選用TCRT5000 傳感器。紅外反射式傳感器的工作原理是：由發射器、接收器和檢測電路這3 部分組成了此模塊主要部分。發光二極管和紅外發射二極管等發射光束，光束連續發射或改變脈沖的寬度，然后由配備透鏡和光圈的光電二極管、三極管和其他接收器接收，以此來濾出有效信號和應用信號。紅外光電利用物體對紅外光束的反射原理，通過對反射回來的光束強弱的測量，以此來判斷物體的存在位置和大小等。

特點：電路布局簡單，操作簡單；靈敏度精確，性能優異；紅外反射傳感器模塊采用單片機作為主控制器，可以對紅外傳感器發出的信號進行單片機控制。發送和接收信號可由單片機對其進行自定義，使傳感器能夠自我反饋和接收信號。該傳感器廣泛應用于避障循跡方面[4]。

1.2.4 超聲波模塊

超聲波模塊選用市場上常用的超聲波傳感器和超聲波測距模塊HC-SR04，配置簡單，當與被測物體的距離突然改變時，被測值不會跳變[5]。因此，在測距時，選擇均值或者中值濾波可以使距離的測量值更接近真實值，精確度更高。

超聲波的工作原理：由超聲波模塊控制部分、總線部分、超聲波發射與接收部分。其主控制端通過發射信號，將信號發送進入到發送電路中，發射出去后由接收端對接收信號進行放大處理，回到該主控端口，計算得出障礙物距離；因此，超聲波測距模塊經由超聲波發射和接收的時間差獲得與障礙物的距離，作為車身判斷路況的主要測距模塊，然后由STM32 控制做出相應動作。并且通過探頭多角度旋轉，使測量無死角，信息更精準。同時，為了便于超聲波模塊可以準確無誤地工作，在超聲波模塊的接收部分加入放大電路和比較器。可以更好地接收到大范圍的回聲，以此避免丟失遠處或細小物體而對運行與指令的執行產生影響。

1.2.5 氣體檢測模塊

氣體檢模塊采用MQ 氣體檢測模塊。該模塊可以在多種環境下對氣體進行檢測。它具有高靈敏度和快速的響應時間[6]。其可以能夠每時每刻對氣體進行檢測。并且其監測范圍較其他更廣，可以長期穩定使用。能夠對相應氣體進行準確識別，不會產生誤報情況。在使用MQ 系列氣體檢測模塊中，可以使用多種型號搭配使用，能夠準確無誤檢測出空氣中存在的可燃氣體，且成本低，使用方便。

在主要部分采用了MQ-9 氣體檢測模塊，是因為MQ-9 模塊采用導電率非常低的氣敏材料，通過高低溫加熱等方式，來連續不間斷的對CO 氣體、CH4氣體和常見的可燃性氣體進行檢測，并根據其檢測報告從而轉換成相應的信號輸出和傳輸，使工作人員能夠及時發現問題，及時解決，避免造成災害損失。

對于MQ 系列氣體檢測模塊，還可以采用它的MQ-135 氣體檢測模塊對該車工作環境空氣質量進行檢測。可作為大氣監測傳感器來進行使用，從而單獨發送對應的輸出信號給相關人員，對其工作的居民區和企業等場所的氣體監測排放可以得到較好的管控。

1.2.6 車載模塊

（1）電源模塊。小車的不同部分需要不同的電壓電源，所以需要對每一部分做單獨的穩壓處理調節。并且電源模塊可以實現對寬帶的調制、對其進行保護和隔離等優點。在對電源模塊的選擇上，要追求占用空間更小，使用可靠性更高，工作功率更高，效率也要更高。為了滿足更多的設計和要求，所以在電源模塊的選擇上要更加細致與完善。確保電源模塊的供電系統能夠穩定支撐其他各個模塊的正常使用。從而保證每一輛智能車的工作和使用過程中不會出現問題。

（2）電機驅動模塊。電機驅動模塊使用L298N 為驅動芯片。其通過邏輯電平輸出PWM 控制開關頻率，以調節電機轉速。L298N 是具有高電壓大電流的全橋式驅動模塊，對應的頻率更高，帶有控制的使能端。電機怠速控制是通過控制電機的旋轉角度和速度來實現的。具有操作簡單、穩定性好、調速平穩、可調范圍廣、能承受超負荷、能實現頻繁無級快速啟動和制動等優點[7]，它在現實生活中有著廣泛的應用。對于L298N 電機驅動模塊使用的好處在于，使用直流電機和步進電機都可以對其進行驅動。并且其可以控制不同電機同時做不同的動作處理。電機驅動模塊通過超聲波檢測模塊和紅外反射式傳感器模塊傳達到主控模塊的信息來進行處理，并做出相應的動作處理和中斷等待狀態。此時，可調PWM 電平的優勢就得以體現。因此，其在對智能車的避障和對地形的適應上都占據了極大的優勢。

（3）智能車材料。對于智能車整體材料搭建的選擇上，采用了新型的ABS 增韌塑料，其在于擁有塑性好、耐高溫、耐磨損、不能變形等優點。底盤材料則采用造價較高的鋁合金材料，以方便支撐整車的搭建基礎，同時其耐用程度也遠遠高于其他材料。因此在遵循使用時間更長，性能更穩定的基礎上，選用更好的搭建材料更能突出智能車的優勢。

2 軟件程序設計

軟件部分包含主控制程序的計劃、電機驅使部分的程序設計、紅外循跡避障模塊設計、射頻無線傳輸設計和氣體監測程序設計。

2.1 主控制程序

主控制程序需要分配和調試所有模塊，以便所有程序不會相互沖突，并相互幫助以實現所需的功能。在主控模塊STM32 中不斷修改主控程序，確保信息及時準確。主控程序作為所有軟件設計模塊中最重要的程序模塊，應保證設計的程序準確無誤。

2.2 電機驅動程序

電機驅動程序是對L298N 芯片的程序設計，通過PWM 調速控制電機。處理器輸出的數字信號模仿電路控制技術。PWM 波可通過時鐘頻率和自動設定值設定，以設定PWM 波的比例輸出頻率[8]。改變一個循環的高電平占空比以改變速度。通過設置PWM 波來調節電機轉速，使轉速更加穩定、平穩、無倒退。從而實現智能車輛在復雜環境中的穩定通行。

本車在實現預警和報警基礎上，最大限度的利用避障循跡等功能，從而實現本車在復雜的日常生活環境下能夠正常進行巡邏使用，規避障礙物，防止引發誤報等錯誤功能。其工作流程如圖4所示。

圖4 循跡避障流程

3 結束語

通過這種智能車輛的設計，未來世界將有更多的智能機器來幫助生活。人類生活需要智能設備來幫助實現更好的社會生活。其可以提前預測危險，從而大大減少造成的損害和傷害；在危險情況和災難中，智能機器將幫助人們拯救更多的生命，從而減少傷亡，避免二次傷害。與市場上大多數智能車相比，這款智能車監控更加準確，信息收發準確快速，能夠及時規避風險，能夠克服復雜的環境和地形。通過這款智能車的設計，也了解到周圍環境存在的危險，時刻保持警惕。