基于STM32 單片機的自助旅游車控制系統設計

李海軍，王軍敏，王艷輝

（平頂山學院 信息工程學院，河南平頂山，467000）

0 引言

提高旅游車的智能化水平對提升游客的安全性和自主性，并緩解景區的游客接待壓力具有重要的意義。目前，景區內使用的觀光車通常需要專業司機駕駛，按照規定時間發車，到站下車，游客自主性較差，等車時間不固定，游玩體驗不夠好，而且觀光車行駛過程中的安全性受駕駛員技術水平影響較大，安全保障一般[1]。隨著傳感器技術與物聯網技術的快速發展，智能化的觀光車有著極大的市場需求。因此，本文設計一種能夠自動駕駛、檢測精度高、傳輸穩定的自助旅游車控制系統。

1 系統總體設計

基于STM32 單片機的自助旅游車控制系統主要包含硬件電路模塊和軟件控制系統，并采用WiFi 通信完成遠程傳輸。該系統由采集與控制端，數據傳輸端以及遠程監控信息端三部分組成，分別對應于物聯網三層體系架構的感知層、網絡傳輸層以及應用管理層[2]。傳感器將采集到的信息顯示在OLED 屏幕上并且將信息實時推送到ONENET 云服務器，當檢測到障礙物距離低于閾值則緊急制動，接收到站臺信息后，自動更新OLED 顯示屏以及客戶端的顯示信息；另一方面用戶需要先注冊賬號，再登錄系統掃描設備二維碼，手機端便會將設備添加到自己的管理設備中，從而實時更新頁面上顯示的信息，達到遠程實時獲取小車位置以及預約小車的功能。

本文設計的自助旅游車控制系統主要實現循跡避障、站臺檢測和到站播報的功能。該系統將各傳感器采集到的數據上傳到STM32 主控單元，當讀取到障礙物距離低于閾值時，小車會自動停車，當讀取到站臺信息時，自動更新OLED屏以及云平臺的當前所在站的信息。此外，主控模塊將數據讀取后，可以通過ESP-8266 WiFi 模塊利用EDP 協議上傳到ONENET 云服務器，在此過程中ESP-8266 WiFi 模塊聯網，本設計中采用EDP 協議接入，是OneNET 平臺特有的傳輸協議。該協議基于TCP 進行傳輸，可以實現數據的上傳、下發及轉發功能，接收數據時支持7 種格式，具有功能強大和實現簡單的特點。

圖1 展示了該自助旅游車控制系統的原理圖，可以完成各項參數的采集，實現自動化控制、數據的遠距離無線傳輸以及用戶實時的控制操作。

圖1 基于STM32 單片機的自助旅游車控制系統原理圖

2 硬件系統設計

■2.1 循跡避障電路設計

本系統采用HC-SR04 超聲波傳感器實現在小車行駛過程中對障礙物距離的檢測和避障，該傳感器具有頻率高、波長短、繞射現象小、方向性好以及性能穩定等優點，測距精度也可以滿足本系統的設計需求。HC-SR04 超聲波模塊具有兩個壓電陶瓷超聲傳感器，其中一個用于發射超聲波脈沖信號，另一個用于接收信號，由于發射和接收的信號都比較微弱，外圍信號放大電路可以放大該模塊發射和接收的信號，從而能將信號更穩定地傳給單片機。該模塊的子程序設計首先進行HC-SR04 的初始化，然后在觸發信號輸入管腳Trig 中，輸入長為20μs 的高電平正方形波，在該正方形波被輸入后，該模塊將自動發出8 個40 kHz 的聲波，其中，該回聲信號輸出管腳echo 的電平會由低電平變為高電平，該回聲引腳末端的電平會由高電平變為低電平。計時器上記錄著從發出超聲波到返回的全過程。根據每秒344 m 的音速值，就能計算出這輛車和障礙物的距離。本系統設置超聲波測距范圍0～15cm 為危險距離，在這個范圍內，小車自動剎車。圖2 為HC-SR04 超聲波測距模塊電路。

圖2 HC-SR04 超聲波避障模塊電路

本系統采用TCRT5000 紅外循跡傳感器實現小車的循跡功能，該模塊具有實現簡單，響應速度快，便于對近程道路狀況進行檢測，并具有較強的抗干擾能力。該模塊的工作原理為在組件工作時，它的紅外發光二極管持續地發出紅外線，如果發出的紅外線未被反射，或是反射的訊號不足夠強烈，則紅外線接收器將永遠關閉，以至于模組的輸出端為高電平，表示二極管是關著的，而這時汽車是正常運行的。在汽車脫離軌道的時候，紅外線會被反射回去，然后紅外線接收管就會達到飽和，這個模塊的輸出端電平就會變得很低，這就表示二極管是工作在常亮的情況下，此時小車進行自動循跡。本設計將兩個紅外循跡模塊分別放置在小車前方底盤兩側，當小車左前方紅外循跡模塊檢測到黑色軌跡時，將檢測到的信息上傳到控制單元，單片機控制小車左邊的馬達反向轉動，右邊的馬達正向轉動，從而使小車向左邊跟蹤；當小車右前方紅外循跡模塊檢測到黑色軌跡時，小車控制單元接收到信息后同樣控制小車左側電機正轉，右側電機反轉，實現小車向右循跡。圖3為TCRT5000 紅外循跡模塊電路。

圖3 TCRT5000 紅外循跡模塊電路

■2.2 站點信息采集電路設計

采用紅外對管傳感器采集站臺信息，該模塊具備反應速度快、高精度以及平穩運行的優點。紅外對管的工作原理是基于熱效應，它使用熱效應將熱轉換為電信號。紅外接收模塊包括LM358、LM567 和紅外線接收管，該運放裝置對接收到的信號進行放大，向LM567 供給該放大信號。LM567 是一種單片音頻解碼器集成電路，其中包括了一個穩定的鎖相環路和一個晶體管開關，通過外部元件的組合，它自身可產生非常穩定的音頻振蕩信號，并且其頻率可由外接元件來控制，LM567的5、6 腳分別為外接定時電阻和定時電容端，構成 RC 定時電路。對此模塊進行電信號的采集，并將 OUT 的輸出管腳連接到單片機的PB13 管腳上。在旅游車經過或者到達站點時，旅游車攜帶的紅外接收單元檢測到站臺的發射單元發出的光線，將其轉化為電信號并傳遞給主控模塊更新OLED顯示屏以及手機端上的站點信息。圖4 為站點信息采集模塊電路。

圖4 站臺信息采集模塊電路

■2.3 ESP-8266 WiFi 電路設計

無線通信模塊在遠程數據監控終端與數據傳輸端進行交互時有著極其重要的作用。本系統用ESP-8266WiFi 模塊與OneNET 平臺進行通信。且該模塊價格低、穩定性高、串口速率可達4Mbps，可支持STA、AP 以及AP 和STA 共存的三種工作模式[3]。本次設計中，從以上的工作模式中選擇STA 模式作為WiFi 模塊的工作模式，完成客戶端與設備之間的數據通信。WiFi 通訊模塊和單片機之間是用串口進行通訊的，單片機可以把采集到的各種環境信息打包后，再用串口傳輸的方法上傳到ESP-8266 WiFi 模塊上。通過WiFi 模塊，按照EDP 協議，將環境數據轉換成合適的格式，并將其發送給云平臺，消息類型選擇Save Data 類型，消息子類型采用JSON 格式串，只需將該模塊的RXD、TXD口分別接單片機的PA2（TXD)口和PA3（RXD)口。

3 軟件系統設計

■3.1 采集端軟件系統設計

首先進行程序端的初始化，然后各硬件電路根據程序預設的狀態進行硬件初始化[4]。在OLED 屏幕上顯示部分不需要改變的文字，如“目的站”“當前站”“距離”等文字。硬件初始化結束后進行系統狀態的獲取，獲取設置的閾值以及獲取AD 轉換后的參數。判斷雙路電機驅動、紅外對射模塊等標志位，執行獲取到的狀態設置，并將部分參數及狀態顯示于屏幕的相應位置。完成以上操作后將對WiFi 模塊IO進行初始化和復位，將ESP8266 模塊的指令發送和接收方式設定為STA，通過STM32 進行相應的AT 指令的發送和接收，控制WiFi 通訊模塊與路由器的連接，配置完成后連接到ONENET 云服務器，實現單片機主控模塊與云平臺進行數據交互，并在OLED 屏幕上更新獲取到的信息。采集端將發布消息到服務器，微信小程序通過訂閱此主題便可接收到消息，最后通過小程序的API 渲染到頁面上，用戶也可以通過小程序實現對小車的遠程控制。圖5 為采集端主程序的工作流程圖。

圖5 采集端主程序的工作流程圖

■3.2 客戶端軟件系統設計

自助旅游車控制系統的移動終端可以利用阿里云開發的一款微信小程序，首先需要在阿里云平臺上創建產品，通過平臺中提供的模板對移動終端的功能與界面進行設計，然后為產品增加新功能，最后配置終端界面的頁面，布局方案選擇標準面板。終端頁面內容主要展示實時檢測到的小車所在站臺信息，另外包含四個站臺按鈕，可以控制小車到達指定位置。所設計的客戶端界面如圖6 所示。

圖6 移動終端主界面

本系統的移動終端也可以基于App Inventor2 Wx Bit漢化版進行APP 開發，這是一款開發簡便、可以通過視覺進行傳達APP 制作平臺。只需要拖動一個部件和一個邏輯模塊，就可以完成一個安卓系統的應用，拋棄了那些復雜的代碼，采用了樂高積木的方式，就可以完成這個系統的設計和制造，這樣就可以大大地減少系統的開發難度，提升系統的開發效率。

在主界面上，添加按鈕、文本標簽以及Web客戶端控件。在選中控件之后，可以在右側工作區的屬性欄中對屬性進行修改，比如文字、顏色、字體大小等，進而設計出應用界面。

對于程序邏輯的編寫，重要的是為組件設計對應的事件邏輯。本設計需要設計按鈕，用來遠程控制小車。在模塊中選擇按鈕控件，在該部分進行全局變量的定義。選中Web客戶端，用來讀取HTTP 的響應，有了響應之后，要把響應內容放到文本標簽上顯示出來，與上面的控制模塊結合起來，然后將定義的全局變量對應到相應數據流在全部變量A2 列表的位置，隨后將獲取到的環境數據，以及設置的閾值放在APP 響應的文本標簽顯示出來。

開發過程中首先針對OneNET API 進行GET 的請求，然后定義一個全局變量URL，變量的值為“http://api.heclouds.com/devices”。在模塊欄選擇Web 客戶端，選擇組件，并與計時器控制組件結合到一起，再增加一個變量，取URL 的值。接著創建包含兩個元素的列表（數組)，放入api-key 以及它的值，如["api-key","xxxxxxxxxxxxxxxxxxxx xxxx"]。進而執行GET 請求，獲取數據。通過類似操作與按鈕的控制組件結合進行POST 文本請求。進行命令的下發，通過云平臺轉發，單片機接收后執行相應的切換操作。

4 結論

本文以STM32 單片機為控制核心，采用TCRT5000紅外循跡傳感器、HC-SR04 超聲波傳感器、紅外對管傳感器等實現小車的循跡避障以及站臺信息采集，并利用無線WiFi 模塊通過EDP 通信協議將數據傳送至用戶手機端，用戶可通過微信小程序遠程控制小車到達指定站臺，具有重要的應用價值。