物聯網系統課程設計

1、 物聯網系統課程設計 學系名稱：物聯網工程 班級名稱：物聯網工程 2 班 學生姓名：朱泓錦 20136239 指導教師：肖迎元 助教： 二零一六年十月 24 / 1 摘要 智能車輛是集環(huán)境感知、規(guī)劃決策、多等級輔助駕駛等功能于一體的綜合系統，是智能交通系統的一個重要組成部分。它在軍事、民用、太空開發(fā)等領域有著廣泛的應用前景。隨著電子工業(yè)的發(fā)展，智能技術廣泛運用于各種領域，運用于智能家居中的產品更是越來越受到人們的青睞。 以arduino程序和藍牙模組，app為基礎，是藍牙模組，arduino小車和手機之間信息交互的關鍵。本課題所研究的物聯網應用系統以arduino程序為核心，利用藍牙模組，ar

2、duino小車和app等實現基本功能。 基本功能：利用藍牙模組和app之間的信息交互，控制小車的移動，從而達到無線控制的效果 注：僅能實現小車的基本操作 關鍵詞：arduino程序，arduino小車，app，藍牙模組 24 / 2 1 緒論 隨著科技進步，現代工業(yè)技術發(fā)展越來越體現出機電一體化的特征。無論是在金屬加工、汽車技術、工業(yè)生產等等方面，機器設備表現了所謂智能化、集成化、小型化、高精度化的發(fā)展趨勢。 1.1 選題背景 隨著汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，關于汽車的研究也就越來越受人關注。全國電子大賽和省內電子大賽幾乎每次都有智能小車這方面的題目，全國各高校也都很重視該題目的研究?？梢娖溲芯恳饬x很

3、大。本設計就是在這樣的背景下提出的，指導教師已經有充分的準備。本題目是結合科研項目而確定的設計類課題。設計的智能電動小車應該能夠實現適應能力，能自動避障，可以智能規(guī)劃路徑。 智能化作為現代社會的新產物，是以后的發(fā)展方向，他可以按照預先設定的模式在一個特定的環(huán)境里自動的運作，無需人為管理，便可以完成預期所要達到的或是更高的目標。同遙控小車不同，遙控小車需要人為控制轉向、啟停和進退，比較先進的遙控車還能控制器速度。常見的模型小車，都屬于這類遙控車；智能小車，則可以通過計算機編程來實現其對行駛方向、啟停以及速度的控制，無需人工干預。操作員可以通過修改智能小車的計算機程序來改變它的行駛方向。因此，智能

4、小車具有再編程的特性，是機器人的一種。 中國自1978年把“智能模擬”作為國家科學技術發(fā)展規(guī)劃的主要研究課題，開始著力研究智能化。從概念的引進到實驗室研究的實現，再到現在高端領域（航24 / 3 天航空、軍事、勘探等）的應用，這一過程為智能化的全面發(fā)展奠定基石。智能化全面的發(fā)展是實現其對資源的合理充分利用，以盡可能少的投入得到最大的收益，大大提高工業(yè)生產的效率，實現現有工業(yè)生產水平從自動化向智能化升級，實現當今智能化發(fā)展由高端向大眾普及。從先前的模擬電路設計，到數字電路設計，再到現在的集成芯片的應用，各種能實現同樣功能的元件越來越小為智能化產物的生成奠定了良好的物質基礎。 智能小車，是一個集環(huán)

5、境感知、規(guī)劃決策，自動行駛等功能于一體的綜合系統，它集中地運用了計算機、傳感、信息、通信、導航、人工智能及自動控制等技術，是典型的高新技術綜合體。 1.2 智能小車研究現狀 智能車輛作為智能交通系統的關鍵技術，是許多高新技術綜合集成的載體。智能車輛駕駛是一種通用性術語，指全部或部分完成一項或多項駕駛任務的綜合車輛技術。智能車輛的一個基本特征是在一定道路條件下實現全部或者部分的自動駕駛功能，下面簡單介紹一下國內外智能小車研究的發(fā)展情況。 1.2.1 國外智能車輛研究現狀 國外智能車輛的研究歷史較長，始于上世紀50年代。它的發(fā)展歷程大體可以分成三個階段： 第一階段 20世紀50年代是智能車輛研究的

6、初始階段。1954年美國Barrett Electronics 公司研究開發(fā)了世界上第一臺自主引導車系統AGVS（Automated Guided Vehicle System）。該系統只是一個運行在固定線路上的拖車式運貨平臺，但它卻具有了智能車輛最基本得特征即無人駕駛。早期研制AGVS的目的是為了提高倉庫運輸的自動化水平，應用領域僅局限于倉庫內的物品運輸。隨著計算機的應用和傳感技術的發(fā)展，智能車輛的研究不斷得到新的發(fā)展。 第二階段 從80年代中后期開始，世界主要發(fā)達國家對智能車輛開展了卓有成效的研究。在歐洲，普羅米修斯項目于1986年開始了在這個領域的探索。在美洲，美國于1995年成立了國家

7、自動高速公路系統聯盟（NAHSC），其目標之一就是研究發(fā)展智能車輛的可能性，并促進智能車輛技術進入實用化。在亞洲，日本于1996年成立了高速公路先進巡航/輔助駕駛研究會，主要目的是研究自動車輛導航的方法，促進日本智能車輛技術的整體進步。進入80年代中期，設計24 / 4 和制造智能車輛的浪潮席卷全世界，一大批世界著名的公司開始研制智能車輛平臺。 第三階段 從90年代開始，智能車輛進入了深入、系統、大規(guī)模研究階段。最為突出的是，美國卡內基.梅隆大學（Carnegie Mellon University）機器人研究所一共完成了Navlab系列的10臺自主車（Navlab1Navlab10）的研究，

8、取得了顯著的成就。 目前，智能車輛的發(fā)展正處于第三階段。這一階段的研究成果代表了當前國外智能車輛的主要發(fā)展方向。在世界科學界和工業(yè)設計界中，眾多的研究機構研發(fā)的智能車輛具有代表性的有： 德意志聯邦大學的研究 1985年，第一輛VaMoRs智能原型車輛在戶外高速公路上以100km/h的速度進行了測試，它使用了機器視覺來保證橫向和縱向的車輛控制。1988年，在都靈的PROMRTHEUS項目第一次委員會會議上，智能車輛維塔（VITA,7t）進行了展示，該車可以自動停車、行進，并可以向后車傳送相關駕駛信息。這兩種車輛都配備了UBM視覺系統。這是一個雙目視覺系統，具有極高的穩(wěn)定性。 荷蘭鹿特丹港口的研究

9、 智能車輛的研究主要體現在工廠貨物的運輸。荷蘭的Combi road系統，采用無人駕駛的車輛來往返運輸貨物，它行駛的路面上采用了磁性導航參照物，并利用一個光陣列傳感器去探測障礙。荷蘭南部目前正在討論工業(yè)上利用這種系統的問題，政府正考慮已有的高速公路新建一條專用的車道，采用這種系統將貨物從鹿特丹運往各地。 日本大阪大學的研究 大阪大學的Shirai實驗室所研制的智能小車，采用了航位推測系統（Dead Reckoning System），分別利用旋轉編碼器和電位計來獲取智能小車的轉向角，從而完成了智能小車的定位。 另外，斯特拉斯堡實驗中心、英國國防部門的研究、美國卡內基梅隆大學、奔馳公司、美國麻省

10、理工學院、韓國理工大學對智能車輛也有較多的研究。 1.2.2 國內智能車輛研究現狀 相比于國外，我國開展智能車輛技術方面的研究起步較晚，開始于20世紀80年代。而且大多數研究處在于針對某個單項技術研究的階段。雖然我國在智能車輛技術方面的研究總體上落后于發(fā)達國家，并且存在一定得技術差距，但是24 / 5 我們也取得了一系列的成果，主要有： （1）中國第一汽車集團公司和國防科技大學機電工程與自動化學院與2003年研制成功我國第一輛自主駕駛轎車。該自主駕駛轎車在正常交通情況下的高速公路上，行駛的最高穩(wěn)定速度為13km/h,最高峰值速度達170km/h，并且具有超車功能，其總體技術性能和指標已經達到世

11、界先進水平。 （2）南京理工大學、北京理工大學、浙江大學、國防科技大學、清華大學等多所院校聯合研制了7B.8軍用室外自主車，該車裝有彩色攝像機、激光雷達、陀螺慣導定位等傳感器。計算機系統采用兩臺Sun10完成信息融合、路徑規(guī)劃，兩臺PC486完成路邊抽取識別和激光信息處理，8098單片機完成定位計算和車輛自動駕駛。其體系結構以水平式結構為主，采用傳統的“感知-建模-規(guī)劃-執(zhí)行”算法，其直線跟蹤速度達到20km/h，避障速度達到5-10km/h。 智能車輛研究也是智能交通系統ITS的關鍵技術。目前，國內的許多高校和科研院所都在進行ITS關鍵技術、設備的研究。隨著ITS研究的興起，我國已形成一支I

12、TS技術研究開發(fā)的技術專業(yè)隊伍。并且各交通、汽車企業(yè)越來越加大了對ITS及智能車輛技術研發(fā)的投入，整個社會的關注程度在不斷提高。交通部已將ITS研究列入“十五”科技發(fā)展計劃和2010年長期規(guī)劃。相信經過相關領域的共同努力，我國ITS及智能車輛的技術水平一定會得到很大提高。 可以預計，我國飛速發(fā)展的經濟實力將為智能車輛的研究提供一個更加廣闊的前景。我們要結合我國國情，在某一方面或某些方面，對智能車進行深入細致的研究，為它今后的發(fā)展及實際應用打下堅實的基礎。 1.3 課題主要內容 本課題南京嵌入之夢工作室的fira智能小車平臺，選擇通用、價廉的Arduino單片機為控制平臺，通過細化設計要求，結合

13、傳感器技術和電機控制技術相關知識實現小車的各種功能。實現小車的前進倒退、轉向行駛，達到設計目標。 24 / 6 2 智能小車總體結構 2.1 方案綜述 本設計以兩直流電動機為主驅動，通過各類傳感器件來采集各類信息，送入主控單元Arduino單片機處理數據后完成相應動作，以達到自身控制。電機驅動電路采用H橋驅動模塊，驅動2個直流電機；最后由控制單元處理數據后通過編程有序合理的將各模塊信號整合在一起并完成相應動作，實現了智能控制，相當于簡易機器人。 根據設計的作品要達到的效果，本系統以Arduino單片機為核心控制器，主要由電源模塊、電機驅動模塊、構成。系統的結構框圖如下圖1所示。 電源 直流電動

14、機驅動電路單片機Arduino 輪子 2.1 系統結構框圖圖 主控單元方案比較與選擇2.2 通過相關傳感器對路面的軌跡信控制器主要用于控制電機，按照題目要求，實現小然后控制器做出相應的處理，息進行處理，并將處理信號傳輸給控制器， 車的自動循跡和自動避障。片上外設為系統的控制器，優(yōu)點是該系統功能強大，方案一：可以采用ARM提高了穩(wěn)定性，系統的處理速度也很高，適合作為大規(guī)模實時集成度搞密度高， 系統的控制核心。24 / 7 方案二：采用Arduino單片機作為系統控制的方案。Arduino單片機算術運算功能強，軟件編程靈活、自由度大，功耗低、體積小、技術成熟，成本也比ARM低。 考慮到性價比問題，

15、本設計選擇 用Arduino單片機做控制器。 2.3 “小車”的必要的信息 步進電機參數： 步進電機技術要求： 步進電機示例圖： 24 / 8 智能小車底盤參考電路圖：24 / 9 藍牙模塊： 24 / 10 3智能小車的大腦 這是學習單片機應用的平臺，而單片機的種類眾多，除了流行的 8位機：51、AVR、PIC系列，還有日漸被接受的 16位機 MSP430系列，以及最近升勢很猛的 ARM CortexM系列，這些單片機各有優(yōu)勢，無法說誰好誰壞，完全取決于學習者的需求和喜好，此外還有越來越接近 MCU的DSP，所以我將這個權力交還給用戶。 而且我認為：所謂單片機應用學習，最核心的就是能自己消化

16、一個 MCU，根據控制需求自己分配 MCU 的資源，編寫相應的程序，使之能按自己的想法工作。這才是掌握單片機應用的關鍵！ 5.1 Arduino單片機簡介 Arduino單片機，是一塊基于開放源代碼的USB接口Simple i/o接口板（包括12通道數字GPIO，4通道PWM輸出，6-8通道10bit ADC輸入通道），并且具有使用類似Java,C語言的IDE集成開發(fā)環(huán)境。 讓您可以快速使用Arduino語言與Flash或Processing等軟件，作出互動作品。 Arduino可以使用開發(fā)完成的電子元件例如Switch或sensors或其他控制器、LED、步進馬達或其他輸出裝置。Arduin

17、o也可以獨立運作成為一個可以跟軟件溝通的接口，例如說：flash、processing、Max/MSP、VVVV 或其他互動軟件。Arduino開發(fā)IDE接口基于開放源代碼原，可以讓您免費下載使用開發(fā)出更多令人驚艷的互動作品。 Arduino單片機特色: 1、開放源代碼的電路圖設計，程序開發(fā)接口免費下載，也可依需求自己修改。 2、使用低價格的微處理控制器(ATMEGA8或ATmega128)?？梢圆捎肬SB接口供電，不需外接電源。也可以使用外部9VDC輸入 24 / 11 ATmega8可以將新的“bootloader”固件燒入支持ISP在線燒，3、Arduino線Rs232USB to 或A

18、Tmega128芯片。有了bootloader之后，可以通過串口或者 更新固件。模組，ArduinoSCH電路圖，簡化、可依據官方提供的Eagle格式PCB和4：(EX可簡單地與傳感器，各式各樣的電子元件連接完成獨立運作的微處理控制。) ,伺服馬達,等熱敏電阻超音波,光敏電阻紅外線,ProcessingC、VVVV、PD、5、支持多種互動程序，如：Flash、Max/Msp、 等等輸入的，突破以往只能使用鼠標，鍵盤，CCD6、應用方面，利用Arduino 裝置的互動內容，可以更簡單地達成單人或多人游戲互動。 5.2 Arduino單片機引腳簡介Arduino的數字I/O被分成兩個部分，其中每個

19、部分都包含有6個可用的I/O管腳，即管腳2到管腳7和管腳8到管腳13。在數字電路中開關（switch）是一種基本的輸入形式，它的作用是保持電路的連接或者斷開。Arduino從數字I/O管腳上只能讀出高電平（5V）或者低電平（0V），因此我們首先面臨到的一個問題就是如何將開關的開/斷狀態(tài)轉變成Arduino能夠讀取的高/低電平。解決的辦法是通過上/下拉電阻，按照電路的不同通常又可以分為正邏輯（Positive Logic）和負邏輯（Inverted Logic）兩種。 rduino的優(yōu)勢在于對數字信號的識別和處理，但我們所生活的真實世界并A不是數字（digital）化的，簡單到只要用0和1就能夠

20、表示所有的現象。例如溫度這一我們已經司空見慣的概念，它只能在一個范圍之內連續(xù)變化，而不可能發(fā)生像從0到1這樣的瞬時跳變，類似這樣的物理量被人們稱為是模擬（analog）的。Arduino是無法理解這些模擬量的，它們必須在經過模數轉換后變成數字量后，才能被Arduino進一步處理。 像溫度這樣的數據必須先被轉換成微處理器能夠處理的形式（比如電壓），才能被Arduino處理，這一任務通常由各類傳感器（sensor）來完成的。例如，電路中的溫度傳感器能夠將溫度值轉換成0V到5V間的某個電壓，比如0.3V、3.27V、4.99V等。由于傳感器表達的是模擬信號，它不會像數字信號那樣只有24 / 12 至

21、于到底有簡單的高電平和低電平，而有可能是在這兩者之間的任何一個數值。 多少可能的值則取決于模數轉換的精度，精度越高能夠得到的值就會越多。to ADC，Analog 所采用的ATmega8微處理器一其有6個模數轉換器（Arduino，也就是說能夠讀），每一個模數轉換器的精度都是10bitDigital Converter的每一個模擬輸入管腳上，電壓的）個狀態(tài)。在Arduino取1024（210 = 1024毫伏4.8到0V5V，因此Arduino能夠感知到的最小電壓變化是變化范疇是從 5/1024 （）。= 4.8mV 單片機引腳定義圖5.2 Arduino 之外1就像模擬輸入一樣，在現實的物理

22、世界中我們經常需要輸出除了0和我們還會想控制除了想用微控制器找開或者關閉電燈之外，的其他數值。例如，的微控制器只能產生高電Arduino燈光的亮度，這時就需要用到模擬輸出。由于），而不能產生變化的電壓，因此必須采用脈寬度調制5V）或者低電壓（0V壓（ Pulse Width Modulation）來模仿模擬電壓。，技術（PWM它是借助微處理器的數字輸出來對模擬電PWM是一種開關式穩(wěn)壓電源應用，通信到功率控制與變換路進行控制的一種非常用效的技術，廣泛應用在從測量、是一種對模擬信號電平進行數字編碼的方法，它PWM的許多領域中。簡而言之，使輸出端得到一系列幅值相等但通過對半導體開關器件的導通和關斷進

23、行控制， 寬度不相等的脈沖，而這些脈沖能夠被用來代替正弦波或其它所需要的波形。函數來analogWrite()10、和11上，我們可以通過9I/OArduino在數字管腳、9其中第一個參數是要產生模擬信號的引腳產生模擬輸出。該函數有兩個參數，（24 / 13 。取值范圍是0到25510或者11）；第二個參數是用于產生模擬信號的脈沖寬度，的模擬電壓。255則可以產生5V脈沖寬度的值取0可以產生0V的模擬電壓，取5/255 = ，產生的模擬電壓將變化0.0196V（不難看出，脈沖寬度的取值變化1 0.0196）。 5.3 Arduino單片機引腳功能表圖和其它設備之間實現相互通在許多實際應用場合中

24、我們會要求在Arduino兩個設信，而最常見通常也是最簡單的辦法就是使用串行通信。在串行通信中，它們之間必須嚴格遵循相應的協議以保備之間一個接一個地來回發(fā)送數字脈沖， 證通信的正確性。而在各種微控制器RS-232串行協議，在PC機上上最常見的串行通信協議是因此TTL串行協議。由于這兩者的電平有很大的不同，（單片機）上采用的則是電平和RS-232PC在實現機和微控制器的通信時，必須進行相應的轉換。完成上是用相ArduinoTTL電平之間的轉換一般采用專用芯片，如MAX232等，但在 應的電平轉換電路來完成的。引腳一方面直接RX和TX的根據Arduino的原理圖我們不難看出，ATmega另一方面又

25、通過電平轉換電路接到了號管腳， 0接到了數字I/O端口的號和1機通信時，可以用串口線將PC與串口的母頭上。因此，當我們需要用Arduino通信時，Arduino與微控制器（如另一塊）當我們需要用兩者連接起來；Arduino 號管腳。1I/O則可以用數字端口的0號和Arduino數據位、停止位等，在如波特率、串行通信的難點在于參數的設置，函數來簡化這一任務。為了實現數據的發(fā)送，Serial.begin()語言可以使用24 / 14 兩個函數，它們的區(qū)別Serial.println()Arduino則提供了Serial.print()和 在于后者會在請求發(fā)送的數據后面加上換行符，以提高輸出結果的可

26、讀性。 編程軟件5.3 Arduino語言， C/C+基礎上的，其實也就是基礎的 C 語言是建立在Arduino 單片機（微控制器）相關的一些寄存器參數設置等Arduino 語言只不過把 AVR 單片機（微控制器）都函數化了，不用我們去了解他的底層，讓不太了解 AVR 的朋友也能輕松上手。 編程界面5.4 圖官方網作為主體的一個程序構架。 setup()開頭，loop()語言是以Arduino 的：用來初始化變量，管腳模式，調用庫函數等等，此函站是這樣描述 setup()函數內的語句周而復始的循環(huán)執(zhí)行，loop()函數是一個循環(huán)函數，數只運行一次。 main();功能類似 c 語言中的“”。

27、24 / 15 4智能小車控制流程及程序 開始 藍牙模組待機app 啟與藍牙模組對ap利車進行操作 24 / 16 4.2arduino燒錄程序： *前進 按下發(fā)出 ONA 松開ONF 后退：按下發(fā)出 ONB 松開ONF 左轉：按下發(fā)出 ONC 松開ONF 右轉：按下發(fā)出 OND 松開ONF 停止：按下發(fā)出 ONE 松開ONF 藍牙程序功能是按下對應的按鍵執(zhí)行操，松開按鍵就停止 */ char getstr; /定義字符變量 int Left_motor_go=8; /左電機前進(IN1) int Left_motor_back=9; /左電機后退(IN2) int Right_motor_g

28、o=10; / 右電機前進(IN3) int Right_motor_back=11; / 右電機后退(IN4) /定義電機的接口 void setup() /初始化電機驅動IO為輸出方式 Serial.begin(9600); pinMode(Left_motor_go,OUTPUT); / PIN 8 (無PWM) pinMode(Left_motor_back,OUTPUT); / PIN 9 (PWM) pinMode(Right_motor_go,OUTPUT);/ PIN 10 (PWM) pinMode(Right_motor_back,OUTPUT);/ PIN 11 (PWM

29、) void run() digitalWrite(Right_motor_go,HIGH); / 右電機前進 digitalWrite(Right_motor_back,LOW); /analogWrite(Right_motor_go,150);/PWM比例0255調速，左右輪差異略24 / 17 增減 /analogWrite(Right_motor_back,0); digitalWrite(Left_motor_go,LOW); / 左電機前進 digitalWrite(Left_motor_back,HIGH); /analogWrite(Left_motor_go,0);/PWM

30、比例0255調速，左右輪差異略增減 /analogWrite(Left_motor_back,150); /delay(time * 100); /執(zhí)行時間，可以調整 void brake() /剎車，停車 digitalWrite(Right_motor_go,LOW); digitalWrite(Right_motor_back,LOW); digitalWrite(Left_motor_go,LOW); digitalWrite(Left_motor_back,LOW); void left() digitalWrite(Right_motor_go,HIGH); / 右電機前進 dig

31、italWrite(Right_motor_back,LOW); /analogWrite(Right_motor_go,150); /analogWrite(Right_motor_back,0);/PWM比例0255調速 digitalWrite(Left_motor_go,LOW); /左輪后退 digitalWrite(Left_motor_back,LOW); /analogWrite(Left_motor_go,0); /analogWrite(Left_motor_back,0);/PWM比例0255調速 24 / 18 /delay(time * 100); /執(zhí)行時間，可以調

32、整 void spin_left(int time) /左轉(左輪后退，右輪前進) digitalWrite(Right_motor_go,HIGH); / 右電機前進 digitalWrite(Right_motor_back,LOW); /analogWrite(Right_motor_go,200); /analogWrite(Right_motor_back,0);/PWM比例0255調速 digitalWrite(Left_motor_go,HIGH); /左輪后退 digitalWrite(Left_motor_back,LOW); /analogWrite(Left_motor_

33、go,200); /analogWrite(Left_motor_back,0);/PWM比例0255調速 /delay(time * 100); /執(zhí)行時間，可以調整 void right() digitalWrite(Right_motor_go,LOW); /右電機后退 digitalWrite(Right_motor_back,LOW); /analogWrite(Right_motor_go,0); / analogWrite(Right_motor_back,0);/PWM比例0255調速 digitalWrite(Left_motor_go,LOW);/左電機前進 digital

34、Write(Left_motor_back,HIGH); /analogWrite(Left_motor_go,0); /analogWrite(Left_motor_back,150);/PWM比例0255調速 /delay(time * 100); /執(zhí)行時間，可以調整 void spin_right(int time) /右轉(右輪后退，左輪前進) 24 / 19 digitalWrite(Right_motor_go,LOW); /右電機后退 digitalWrite(Right_motor_back,HIGH); /analogWrite(Right_motor_go,0); / analogWrite(Right_motor_back,200);/PWM比例0255調速 digitalWrite(Left_motor_go,LOW);/左電機前進 digitalWrite(Left_motor_back,HIGH); / analogWrite(Left_motor_go,0); / analogWrite(Left_motor_back,200);/PWM比例0255調速 /delay(time * 100); /執(zhí)行時間，可以調整 void back() d