張春海，王佩，王橋，田江濤，俞潼，余飛

（貴州師范學(xué)院數(shù)學(xué)與大數(shù)據(jù)學(xué)院，貴州貴陽，550000）

0 引言

近些年來，社會(huì)迅猛發(fā)展，很多日常生活用品都朝著智能化的方向發(fā)展，傳統(tǒng)的行李箱已經(jīng)不能滿足用戶日常生活的需求，樓梯和易丟失是用戶提著行李箱外出途中常見的一類障礙，能夠攀爬樓梯和防止丟失就成為了用戶對(duì)于新型行李箱的一大需求，對(duì)于與用戶拉著行李箱出行而言，多功能行李箱在減少用戶精力耗費(fèi)方面起了很大作用。

本文主要介紹一種多功能的行李箱，此產(chǎn)品以STM32F1 03系列單片機(jī)為核心控制器，利用模擬電子技術(shù)、嵌入式軟硬件開發(fā)技術(shù)等，結(jié)合了多種傳感器及模塊（如WTGPS+BD定位模塊、紅外傳感器等電子元件），將傳統(tǒng)的行李箱進(jìn)行了升級(jí)，實(shí)現(xiàn)了可攀爬、可向用戶發(fā)送丟失警報(bào)的多功能行李箱，用戶可以通過手機(jī)實(shí)時(shí)查看行李箱的狀態(tài)（箱內(nèi)重量、箱體位置等）。

1 總體設(shè)計(jì)

該多功能行李箱以STM32單片機(jī)為核心控制器，采用F103C8T6為主控芯片，它的串口實(shí)時(shí)與WTGPS+BD定位模塊交互，實(shí)時(shí)定位行李箱當(dāng)前位置，且用戶的手機(jī)上的定位通過第三方客戶端向主控芯片實(shí)時(shí)報(bào)送用戶當(dāng)前位置，當(dāng)行李箱當(dāng)前位置與用戶的當(dāng)前位置之間超過一定距離時(shí)，核心控制器自動(dòng)向用戶發(fā)送警報(bào)；紅外傳感器實(shí)時(shí)探測行李箱面前的地形，并將數(shù)據(jù)反饋至主控芯片，主控芯片根據(jù)反饋回來的數(shù)據(jù)控制行李箱的攀爬行進(jìn)；當(dāng)用戶通過LCD顯示屏開啟稱重時(shí)，行李箱箱體內(nèi)部的重量會(huì)通過核心控制器發(fā)送數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示在顯示屏上和發(fā)送至用戶手機(jī)，并顯示出是否超載。多功能行李箱的總體框圖如圖1所示。

圖1 多功能行李箱總體框圖

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)分為核心控制器、WTGPS+BD單雙模定位模塊、紅外傳感器+電機(jī)組件、稱重模塊、電池等幾個(gè)部分。

2.1 核心控制器

在我們的日常生活中，集成電路芯片的應(yīng)用非常廣泛，單片機(jī)本質(zhì)就是一種集成電路芯片，而單片機(jī)在我們的生活中的應(yīng)用也是非常廣泛的，它的型號(hào)非常多，在大學(xué)的項(xiàng)目實(shí)踐中比較常見的是STM32單片機(jī)和51單片機(jī)，這兩者非常適合初學(xué)者入門和項(xiàng)目實(shí)踐。單片機(jī)把定時(shí)器和計(jì)數(shù)器等一些功能以及中央處理器CPU和儲(chǔ)存器、I/O口等集成在一起。本文多功能行李箱所用到的STM32F103C8T6芯片，它是英國Acorn公司設(shè)計(jì)的基于ARM處理器并以Cortex-M為內(nèi)核的STM32系列的32位微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

本文多功能行李箱以STM32F103C8T6芯片為核心控制器，能使多功能行李箱的成本降到最低，且實(shí)現(xiàn)的功能非常多，還有一個(gè)好處就是，它可以直接調(diào)用STM32系列的單片機(jī)的官方提供的庫文件，對(duì)于本文多功能行李箱的軟件編程非常方便。此外，單片機(jī)的工作電壓為2V至3.6V，其工作溫度為零下四十?dāng)z氏度至八十五攝氏度，對(duì)于極寒天氣和高溫天氣而言，單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的功能不會(huì)極端受天氣影響，多功能行李箱可以正常使用。在本文的行李箱中，STM32單片機(jī)控制著整個(gè)箱體所有的功能模塊，實(shí)現(xiàn)本文多功能行李箱的自動(dòng)化。

2.2 WTGPS+BD單雙模定位模塊

在我們的生活中無論是社交軟件查找附近的人，還是使用某外賣APP查找美食和景點(diǎn)，或者是某打車軟件查找附近的司機(jī)，我們的生活中每天都在使用定位技術(shù)，定位技術(shù)可以說是現(xiàn)代化生活不可或缺的一部分，我們的嵌入式設(shè)備中，自然也離不開定位技術(shù)。

本文多功能行李箱的防丟失功能采用的是WTGPS+BD單雙模定位模塊，WTGPS+BD單雙模定位模塊的處理器采用的是杭州中科微電子有限公司旗下的第四代低功耗AT6558芯片，其本質(zhì)雖然只是一款芯片，但是它具有六合一多模衛(wèi)星導(dǎo)航定位功能，因此，它可以同時(shí)接收來自六個(gè)衛(wèi)星系統(tǒng)的GNSS信號(hào)。中科微旗下的AT6558芯片最大的優(yōu)點(diǎn)就是：高靈敏度、低成本低功耗，并且可以實(shí)現(xiàn)聯(lián)合定位（聯(lián)合定位的意思就是同時(shí)利用多星定位，提高了定位的精確度），在導(dǎo)航和定位方面起到很大的作用。WTGPS+BD定位模塊通過與STM32單片機(jī)的通信串口交互，實(shí)現(xiàn)了本文多功能行李箱的防丟失功能。

定位模塊一直處于工作狀態(tài)，將本文的多功能行李箱的定位實(shí)時(shí)上傳給核心控制器，而用戶的定位通過第三方手機(jī)軟件實(shí)時(shí)上傳至多功能行李箱的核心控制器，當(dāng)用戶的定位和行李箱的定位出現(xiàn)一定的距離偏差時(shí)，核心控制器將通過串口通信向用戶的手機(jī)發(fā)送警報(bào)。

2.3 紅外傳感器+電機(jī)組件

紅外傳感器在我們的日常生活中非常常見，在客運(yùn)站和商場等場所，它可以用來檢測人體體溫，以及檢測乘客或顧客是否攜帶違禁物品，給我們的的生活帶來了很大的便利，當(dāng)然它的用途遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止這些。于本文的多功能行李箱而言，紅外傳感器的作用是檢測行李箱前是否有障礙物或者樓梯，多功能行李箱的行進(jìn)和攀爬。

本文的電機(jī)包含步進(jìn)電機(jī)和減速電機(jī)，其中步進(jìn)電機(jī)用于行李箱的行進(jìn)狀態(tài)，與行李箱輪子連接在一起；減速電機(jī)用于行李箱的攀爬，與直線導(dǎo)軌等連接在一起。

步進(jìn)電機(jī)是現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)中常用的元件，它是和驅(qū)動(dòng)器一起搭配使用的，它的工作原理簡單來說是當(dāng)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器收到一個(gè)脈沖信號(hào)時(shí)，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器會(huì)驅(qū)使電機(jī)內(nèi)部的轉(zhuǎn)子和軸承轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)相應(yīng)的角度。

減速電機(jī)在本文中實(shí)現(xiàn)的是多功能行李箱的攀爬樓梯，減速電機(jī)的效率很高，可靠性也是非常高；因?yàn)樗木S護(hù)較為簡便，所以當(dāng)我們對(duì)減速電機(jī)進(jìn)行維護(hù)時(shí)，是非常方便的；此外，減速電機(jī)的工作壽命非常長，所以本文多功能行李箱不會(huì)頻繁出現(xiàn)功能紊亂和不能實(shí)現(xiàn)的情況。

本文該紅外傳感器+電機(jī)組件主要作用是實(shí)現(xiàn)本文多功能行李箱的攀爬行進(jìn)，該組件結(jié)構(gòu)總共用到兩根絲桿，本文中利用3D打印，為電機(jī)打印了一些3D軸承，用于電機(jī)的固定，減速電機(jī)下部連接著軸承，減速電機(jī)上部連接著絲桿，絲桿另一端連接著直線滑軌，當(dāng)紅外傳感器檢測到箱體正面有階梯時(shí)，多功能行李箱的正面被絲桿等結(jié)構(gòu)抬起，當(dāng)正面抬起后，行李箱的背面被另一根絲桿抬起，就實(shí)現(xiàn)了本文多功能行李箱的攀爬。

當(dāng)本文多功能行李箱在平地上行走時(shí)，步進(jìn)電機(jī)處于工作狀態(tài)，行李箱因步進(jìn)電機(jī)工作處于自動(dòng)行進(jìn)狀態(tài)，這樣用戶就只需要控制多功能行李箱的方向，而不需要耗費(fèi)太多的精力于拖動(dòng)行李上面。

行李箱的正面如圖2所示，軸承的立面圖如圖3與圖4所示。

圖2 多功能行李箱正面圖

圖3 軸承立面圖

圖4 軸承立面圖

2.4 稱重模塊與減震模塊

我們生活中?？匆姷碾娮芋w重秤和菜市場等場所的電子秤的內(nèi)部就是稱重傳感器和其它一些零件組裝的，有稱重傳感器是它們的核心。稱重傳感器的種類非常多，有懸臂型的、S型的以及柱筒式等等，本文的多功能行李箱在稱重模塊方面采用的是懸臂型的稱重傳感器HX711。

本文采用的HX711稱重傳感器芯片與其它芯片相比，HX711芯片的優(yōu)點(diǎn)非常明顯：響應(yīng)速度快、集成度高體積小、抗干擾能力強(qiáng)，此外，HX711芯片的編程非常簡單方便，對(duì)于剛剛接觸這類稱重傳感器的人來說比較容易上手?？偟膩碚f，HX711芯片的優(yōu)點(diǎn)非常多，適合本文多功能行李箱在稱重模塊方面的采用。

HX711稱重傳感器的安裝方法是稱重模塊內(nèi)部的壓力傳感器一端通過螺絲固定另一端并保持懸空狀態(tài)，按標(biāo)簽指示方向施加重力。其使用注意：其壓力傳感器的變形量非常微小，如果外力撤除后稱重傳感器并沒有恢復(fù)到之前的樣子，發(fā)生了塑性變形的話就代表著稱重傳感器壞了。稱重模塊如下圖5所示，該傳感器一共有四根線連接到外電路（本文的四根線連接到STM32單片機(jī)），紅色線接單片機(jī)供電處的正極，黑色線接單片機(jī)供電處的負(fù)極，白色線接單片機(jī)I/O口代表輸出信號(hào)1，藍(lán)線或綠線接單片機(jī)I/O口代表輸出信號(hào)2。

圖5 稱重模塊

在本文中，當(dāng)多功能行李箱的系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，稱重模塊會(huì)反饋當(dāng)前箱體內(nèi)部的重量至核心控制器，若當(dāng)前行李箱已超載，則行李箱會(huì)在向用戶發(fā)送行李箱重量的同時(shí)，向用戶發(fā)送警告，否則只向用戶發(fā)送行李箱當(dāng)前重量。

本文的減震模塊是由彈簧和一些物理結(jié)構(gòu)組成，它起到為本文多功能行李箱減震的功能，在平時(shí)的使用中降低磨損，為多功能行李箱延長壽命。

2.5 電池

本文多功能行李箱在給STM32及其他一些外部電路和電子元件供電采用的是航模電池，航模電池的本質(zhì)是鋰離子聚合物電池，而鋰離子聚合物電池是今后二次電池的發(fā)展的方向，航模電池的相對(duì)優(yōu)勢是內(nèi)含能量高、重量輕、型號(hào)較多。于形狀方面而言，航模電池輕薄化的一大特征可以迎合用戶的諸多需求，可以制成一些市面上難以見到的電池。在實(shí)際應(yīng)用中，航模電池常用于航模飛機(jī)等玩具模型的供電，由此可見它的效率和安全性都高。

3 結(jié)語

本文的多功能行李箱解決了目前市面上傳統(tǒng)的行李箱普遍存在的一些問題，用戶在上下樓梯的時(shí)候更加輕便快捷，同時(shí)本文的行李箱具有稱重和減震以及防丟失功能，當(dāng)前本文多功能行李箱經(jīng)過多次改進(jìn)與測試，多功能行李箱的工作性能非常穩(wěn)定，而且功能實(shí)現(xiàn)的效果良好。在這個(gè)生活節(jié)奏較快的時(shí)代，多功能行李箱一定是用戶出行的一大幫手。如果用戶出行使用本文的多功能行李箱，用戶的出行會(huì)非常輕松。此外，本文的行李箱具有很廣闊的市場前景，在未來一定能夠占據(jù)市場的一大份。本文的多功能行李箱能給人們工作和生活中提供便利，減少了用戶因?yàn)樾欣钕涠a(chǎn)生的的焦慮，給用戶帶來舒心的每一天。