基于GSM/GPS的遙控小車平臺設計與實現

景 蕾

(咸陽職業(yè)技術學院，陜西 咸陽 712000)

0 引言

隨著微機電系統(tǒng)、新傳感器技術、物聯網技術的快速發(fā)展，智能小車的應用面逐漸拓寬。智能排爆、物流分揀、電力巡線等行業(yè)出現了可替代人工作業(yè)的智能小車[1]。原始的一對一人車系統(tǒng)逐漸不能滿足系統(tǒng)級的工作需求，不利于系統(tǒng)級管控。本文從這一點出發(fā)，完成了一款基于GSM/GPS的遙控小車[2-3]，在小車平臺上，增加了通信定位模塊，通過控制遙控器的撥碼開關，實現定位信息的發(fā)送，具有良好的應用前景。此外，小車平臺還可進行功能擴展，根據具體技術要求，搭載其他測試設備，如火焰?zhèn)鞲衅鳌⑿⌒蜋C械臂、圖像識別系統(tǒng)等，實現相關設計需要。本設計具備較好的參考價值。

1 ARDUINO平臺

Arduino是一款硬件資源豐富的開源硬件平臺。一般分為硬件(各種型號的Arduino板)和軟件(Arduino IDE)兩部分。Arduino硬件家族包括Arduino UNO，Arduino Leonardo，Arduino101(Curie)，Arduino NANO，Arduino MEGA等，每一款硬件平臺在板上資源、性能、可擴展性上存在不同。本文選用Arduino MEGA作為主控開發(fā)板。該開發(fā)板有54路數字輸入/輸出引腳(其中15路可以用作PWM輸出)、16路模擬輸入、4個UART(硬件串口)、1個16 MHz的晶振、1個USB接口、1個電源接頭、ICSP接口以及復位按鈕。具有存儲空間較大(8 KB SRAM， 4KB EEPROM，256 KB FLASH)，硬件串口多、IO端口多等特點。綜上所述，MEGA板可以滿足小車系統(tǒng)設計需求。

Arduino IDE軟件基于processing IDE開發(fā)。操作界面簡單，靈活性強。Arduino語言基于wiring語言開發(fā)，是對 avr-gcc庫的二次封裝，不需要過多研究底層函數實現方法，在掌握各類標準庫和頂層函數的使用方法后，即可上手使用。

2 系統(tǒng)框架

該智能小車基于Arduino軟硬件平臺，但是和普通Arduino小車只是讓小車動起來不同，在主控芯片中植入了通信和定位程序，在小車遙控運行的同時，可以通過操作者的控制，實現定位信息的發(fā)送[4]。小車的整體系統(tǒng)框架劃分為：主控部分、小車車體部分、小車動力部分(電池、電機及其控制電路)、通信/定位部分、遙控部分。

2.1 車體部分

小車部分包括車體和動力兩部分。小車車體主要材料為塑料，具有一定的使用強度。搭載4只直流減速電機，該電機方向性好，四輪驅動，動力充沛。每只電機工作電流100 mA左右，工作電壓3～6 V，最快速度為48 m/min。

2.2 主控部分

智能車配備了ATmega2560 單片機 的 Arduino MEGA開發(fā)板作為主控板。主控部分的功能包括：采用2.4 GHz通信方式處理遙控信號，實現智能車的遠程控制。自動避障模塊使用超聲波距離傳感器，當智能車前方出現無法跨越的障礙時，自動避障模塊會觸發(fā)主控板的自動避障功能。在基本遙控基礎上，加入GSM通信模塊，在獲取定位信息后，通過遙控器開關的控制，實現經緯度信息的發(fā)送。

2.3 動力部分

動力部分包括航模用3S電池，滿電壓12.5 V左右，使用L298N電機驅動板驅動小車運動。L298N作為主控芯片，有驅動能力強、發(fā)熱量低、抗干擾能力強等特點，工作電壓最高可達48 V，可便于采用各類型號鋰電池供電；輸出電流瞬間峰值達到3 A，持續(xù)工作電流為2 A，額定功率25 W，功耗在允許范圍內，足以滿足驅動小車電機。內部采用標準的邏輯電平控制信號，具有兩個使能端，兩個端口獨立工作，互不干擾，使得小車控制抗干擾性增強。

L298N電機驅動板模塊共包含6個引腳：IN1，IN2，IN3，IN4，ENA，ENB。其中IN1，IN2為一組，IN3，IN4為一組，共兩組。小車的4路電機，同一側的兩路電機并聯，共兩組，分別對應IN1～IN4進行控制。IN1，IN2，IN3，IN4既可以控制電機的轉速，也可以控制電機的方向，通過軟件的輸出實現實際控制。ENA與IN1，IN2一組，實現這一路電機的開關，同理ENB與IN3，IN4一組。本文用MEGA的數字引腳4，5，6，7接L298N模塊的IN1，IN3，IN4，IN2。用數字引腳9，10接ENA和ENB。

圖1 L298N電機驅動板模塊

2.4 遙控部分

遙控器采用9通道AT09S，其通信系統(tǒng)采用抗干擾最強的DSSS(直接序列擴頻系統(tǒng))，在復雜環(huán)境下性能優(yōu)異。人機交互界面簡潔，油門通道可編程，可設置符合操作習慣的使用方式。具有低電壓報警、空曠場地遙控距離500米以上等優(yōu)勢。

2.5 通信/定位部分

定位采用AI-Thinker的A7模塊，支持GSM通信、GPRS數據業(yè)務、語音通話和GPS位置信息。定位信息使用國際標準NMEA-0183協(xié)議。

NMEA協(xié)議[6]是為了在不同的GPS導航設備中建立統(tǒng)一的RTCM(海事無線電技術委員會)標準，它最初是由美國國家海洋電子協(xié)會(NMEA—The NationalMarine Electronics Association)制定的。符合NMEAO183標準的GPS接收機的硬件接口能夠兼容計算機的RS-232C協(xié)議串口，在實際使用中，如果只是接收GPS的輸出，則只需兩根信號線 GPS數據輸出線和信號地線，可以直接將EIA-422輸出通道兩條信號線的中一條同計算機的Rs232C輸入線相連。NMEA通信協(xié)議所規(guī)定的通信語句都是以ASCII碼為基礎的，NMEA-0183協(xié)議語句的數據格式如下：“$”為語句起始標志；“，”為域分隔符；“ *”為校驗和識別符，其后面的兩位數為校驗和，代表了“$”和“*”之間所有字符的按位異或值(不包括這兩個字符)；“/”為終止符，所有的語句必須以來結束，也就是ASCII 字符的“回車”(十六進制的0D)和“換行”(十六進制的0A)。輸出何種語句，可以對定位模塊進行相應的配置。

3 軟件設計

系統(tǒng)上電后主要完成GPS，GPRS模塊的初始化設置，包括波特率設置、工作狀態(tài)檢測兩項任務。本文設計的波特率為9 600 bps。系統(tǒng)初始化成功后，進入小車控制程序，通過遙控器開關狀態(tài)的改變來實現數據的傳輸。

3.1 初始化程序

void setup() {

DebugSerial.begin(9600);

GprsSerail.begin(9600);

GpsSerial.begin(9600);

Timer1.initialize(1000);

Timer1.attachInterrupt(Timer1_handler);

initGprs(); //初始化模塊

clrGprsRxBuffer();

}

3.2 GPS位置信息解析程序

switch (i)

{

case 1: memcpy(Save_Data.UTCTime, subString, subStringNext - subString); break; //獲取UTC時間

case 2: memcpy(usefullBuffer, subString, subStringNext - subString); break; //獲取UTC時間

case 3: memcpy(Save_Data.latitude, subString, subStringNext - subString); break; //獲取緯度信息

case 4: memcpy(Save_Data.N_S, subString, subStringNext - subString); break; //獲取N/S

case 5: memcpy(Save_Data.longitude, subString, subStringNext - subString); break; //獲取緯度信息

case 6: memcpy(Save_Data.E_W, subString, subStringNext - subString); break; //獲取E/W

default: break;

}

3.3 小車控制程序(部分代碼示例)

控制信號的獲取使用MEGA的A0，A1，A2端口，通過使用PulseIn()函數[5]獲取高電平時間，可準確地得到遙控器的控制信號大小，實現精確控制。

CH1 = pulseIn(A0, HIGH);

CH2 = pulseIn(A1, HIGH);

3.4 GSM程序

GSM程序主要包括模塊的初始化、各部分狀態(tài)檢測，如果通信條件檢測準備好，可以進行通信。

void initGprs()

{

if (sendCommand("AT+RST ", "OK ", 3000, 10) == Success);

else errorLog(1);

if (sendCommand("AT ", "OK ", 3000, 10) == Success);

else errorLog(2);

delay(10);

if (sendCommand("AT+GPS=1 ","OK ", 1000, 10) == Success);

else errorLog(3);

delay(10);

…

}

4 實際測試

在進行了軟、硬件設計、模擬運行后，對小車進行了實際測試。首先對小車上電預熱，各種指示燈正常。預熱成功后，手機端收到了小車發(fā)來的開始信號，表明可以對小車進行操控。開始信號接收之前小車不允許操控。隨后撥動預設好的位置信息發(fā)送開關，手機成功收到了該信息。測試結果滿足設計要求。

5 結語

本文設計的視頻監(jiān)控智能車經軟硬件調試后，能夠實現自動避障、無線遙控操作、定位信息獲取等實用功能。由于GSM在移動網絡覆蓋面下，均可實現通信。目前該智能車有待進一步探討的問題有：(1)目前使用的遙控器遙控距離還可以加大，配置性能更加優(yōu)異的遙控器可實現更遠的作業(yè)距離；(2)智能車的車體本身越障能力有限，缺乏復雜地形的實際應用，系統(tǒng)穩(wěn)定性和實用性有待進一步提高。在現有的基礎上，智能車有望在進一步強化結構、提高穩(wěn)定性以及移植到飛行器、水面移動作業(yè)平臺等，實現更加廣泛的應用。