李 東 霖 ，郭 強 ，高 明 明 ，朱 永 強

（青島理工大學機械與汽車工程學院，青島 266520）

隨著科技的發(fā)展，車聯(lián)網(wǎng)作為交通領(lǐng)域的一項新技術(shù)已成為近年的研究熱點。車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是利用先進的傳感器、網(wǎng)絡(luò)、控制等技術(shù)對小車及周邊進行監(jiān)控，從而達到“零堵塞”“零傷亡”“零超限”的專用控制系統(tǒng)。[1]在交通專業(yè)的教學中，讓學生更好地認識并了解車聯(lián)網(wǎng)很有必要。智能小車是在單片機控制、電機驅(qū)動的基礎(chǔ)上集成了各種傳感器模塊的模型車，具有結(jié)構(gòu)簡單、易攜帶、操作方便等優(yōu)點。[2]由于單片機內(nèi)存較小，將車聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)的控制代碼全部存儲于單片機中會產(chǎn)生代碼復(fù)雜、調(diào)試混亂等缺陷，[3]為了解決相關(guān)問題，本文結(jié)合車聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)設(shè)計了一種基于單片機和LabVIEW 的智能小車實驗平臺。LabVIEW 可實現(xiàn)圖形化編程，內(nèi)嵌豐富的庫函數(shù)和接口，便于實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的處理。[4]將復(fù)雜的控制和信息處理代碼寫入LabVIEW 中，單片機中僅保留傳感器數(shù)據(jù)采集、信息傳輸和電機控制的代碼，實現(xiàn)智能小車的在線調(diào)試和無線聯(lián)網(wǎng)控制。學生在使用過程中，可以在計算機端LabVIEW 軟件中實時修改代碼，不必通過數(shù)據(jù)線將新代碼燒錄到單片機中，從而有效提高了學習效率。

1 實驗平臺整體架構(gòu)設(shè)計

基于車聯(lián)網(wǎng)的智能小車實驗平臺，由模型車代替真實車輛，搭載基于無線通信網(wǎng)絡(luò)的智能控制系統(tǒng)，包括LabVIEW 上位機、單片機下位機、傳感器、驅(qū)動模塊等。

1.1 整體設(shè)計思路

在模型車上安裝單片機和傳感器，單片機控制傳感器對小車周圍和自身的一些數(shù)據(jù)進行采集，包括車速、周圍溫度、電池電壓等，并通過單片機的WiFi 模塊將數(shù)據(jù)傳遞給上位機；上位機LabVIEW 接收到信息后，經(jīng)過后臺程序處理，在前面板上顯示具體數(shù)值。用戶通過LabVIEW 調(diào)整小車的車速和運行方向，根據(jù)實時狀態(tài)數(shù)據(jù)調(diào)整相關(guān)控制器，設(shè)計思路如圖1 所示。用戶可以在相同名稱和密碼的局域網(wǎng)下不同的計算機上使用該實驗平臺。

圖1 智能小車實驗平臺整體設(shè)計思路流程圖

1.2 硬件功能模塊的設(shè)計與選型

本實驗平臺的下位機車載硬件系統(tǒng)以單片機為核心，此外還包括溫度傳感器、車速傳感器、循跡傳感器、電壓調(diào)節(jié)模塊、電機驅(qū)動模塊、電池等。系統(tǒng)硬件在單片機的統(tǒng)一調(diào)度下有序運行，實物如圖2 所示。

圖2 硬件實物圖

1) 主控模塊。智能小車實驗平臺要求控制芯片不僅能調(diào)用各種傳感器和模塊，還要準確地完成與上位機的信息傳遞，因此選用的單片機應(yīng)具有數(shù)據(jù)采集、計算以及強大的通信能力。[5-6]本實驗平臺選用了ESP32 單片機作為控制核心，它采用40 納米工藝，具有2.4GHz 雙模WiFi、藍牙和豐富的擴展接口，能滿足實驗平臺的運行需求。

2) 電源模塊?？紤]到該實驗平臺的特殊性，電源應(yīng)為可移動電源，且輸出穩(wěn)定，故采用容量為2 800 mAh 的鋰電池，電壓最大為7.4 V。但由于ESP32 單片機和傳感器的最大輸入電壓為5 V，因此需要通過DC-DC 降壓模塊（型號為MP1584EN）將鋰電池的輸出電壓降至5 V 后，再為單片機和傳感器供電。

3) 電機驅(qū)動模塊。該實驗平臺的特點之一是小車可根據(jù)接收的上位機信息調(diào)整車速和方向。為簡化控制流程，小車采用差速轉(zhuǎn)向，4 個驅(qū)動電機兩兩并聯(lián)，分為左車輪電機和右車輪電機。電機驅(qū)動模塊采用的是L298N 兩路直流電機驅(qū)動模塊，正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)均可實現(xiàn)PWM（Pulse Width Modulation，脈沖寬度調(diào)制，簡稱PWM）調(diào)速。

4) 溫度傳感器。實驗平臺在運行過程中，要對小車自身和周圍的溫度進行監(jiān)測，以確保實驗平臺的運行穩(wěn)定。溫度傳感器選用的型號為DS18B20，測溫范圍為-5℃～+125℃，誤差不超過2℃。該模塊采用單總線通信模式，無須信號調(diào)理電路，只要在單片機主程序中調(diào)用相應(yīng)的庫函數(shù)即可使用，相比于傳統(tǒng)的測溫模塊，使用更加方便。

5) 車速傳感器。實驗平臺在運行的過程中要實時反饋小車的車速，上位機根據(jù)車速調(diào)整驅(qū)動電機的控制指令，以保證小車的行駛符合預(yù)期。車速傳感器采用的是碼盤脈沖計數(shù)器（一種槽型對射光電傳感器），由1 個紅外發(fā)光二極管和1 個NPN 型發(fā)光三極管組成，碼盤帶有20 個柵格，安裝于電機轉(zhuǎn)軸的另一側(cè)。電機旋轉(zhuǎn)，碼盤轉(zhuǎn)動，將紅外信號通過柵格間斷發(fā)送至對面接收端。遮擋時，信號端輸出低電平；不遮擋時，信號端輸出高電平。信號傳至單片機，通過相關(guān)代碼將電信號轉(zhuǎn)變成車速信息后傳遞給上位機。

6) 電壓監(jiān)測。因為鋰電池不能在低電壓下過度使用，故需要對電池的電壓進行實時監(jiān)測。通過單片機ESP32 中ADC（模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器）引腳來接收電信號，由于ADC 引腳最大輸入電壓在3.3 V，因此需要通過外接分壓電阻將電源電壓按比例分壓降至3.3 V 以內(nèi)。通過對應(yīng)的程序?qū)⑤斎氲碾娦盘栠M行轉(zhuǎn)換，計算出實際電壓值，將電壓值數(shù)據(jù)傳遞給上位機。

7) 循跡模塊。為了增加實驗平臺特點并提高學生操作的興趣，設(shè)計小車自動循跡行駛模式，使小車按照外部設(shè)定的路線進行運動。通過ESP32 單片機控制循跡傳感器，檢測人為鋪設(shè)的軌跡路線，沿著既定路線行駛。具體操作為，循跡模塊檢測并記錄小車行駛軌跡相對于給定軌跡的偏離程度，并通過ESP32將相關(guān)數(shù)據(jù)上傳至上位機LabVIEW，在LabVIEW 內(nèi)部進行車速、轉(zhuǎn)向計算后，迅速向下位機輸出車速控制、轉(zhuǎn)向控制等指令，實現(xiàn)小車的循跡行駛。本實驗平臺采用的是五路循跡模塊，型號為BDF-1000，其原理為五路靈敏的紅外線傳感器，能夠精準識別黑白線，觸發(fā)傳感器高低電平的變化，檢測偏離程度。

2 電路設(shè)計

循跡傳感器需求電壓為3.0 V～5.5 V，這里可以直接用鋰電池通過降壓后的5 V 電壓供電，GND 接地，信號通道S1、S2、S3、S4、S5 分別對應(yīng)連接ESP32 的GPIO12、GPIO14、GPIO27、GPIO26、GPIO25 引腳。電壓、車速、溫度3 個監(jiān)測模塊信號通道均為1 個，分別對應(yīng)連接GPIO34、GPIO13、GPIO4 引腳。L298N 信號通道IN1、IN2、IN3、IN4 分別對應(yīng)GPIO5、GPIO18、GPIO19、GPIO21，值得注意的是，驅(qū)動模塊L298N 不需要降低電壓后供電，可由7.4 V 鋰電池直接供電。具體電路連接示意圖如圖3 所示。

圖3 電路連接示意圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)主程序設(shè)計

智能小車實驗平臺工作流程為：電源開啟后，單片機調(diào)用內(nèi)部WiFi 模塊，同時LabVIEW 也連接同一WiFi，小車進行數(shù)據(jù)初始化。初始化結(jié)束后，各模塊開始獨立工作，監(jiān)測模塊將溫度、車速、電壓等信號通過WiFi上傳至上位機系統(tǒng)。同時，單片機準備接收上位機指令，選擇執(zhí)行手動模式或自動模式。手動模式下，單片機執(zhí)行上位機發(fā)送的電機驅(qū)動指令，包括轉(zhuǎn)向、車速；自動模式下，單片機調(diào)用循跡子程序。流程圖見圖4。

圖4 系統(tǒng)主程序流程圖

3.2 循跡子程序設(shè)計

循跡小車的行動狀態(tài)大致可分為直行、左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)3 種。根據(jù)傳感器返回的不同數(shù)值運行不同的循跡程序。在循跡程序中，采用PWM 調(diào)速控制左右兩側(cè)車輪轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)轉(zhuǎn)向，具體控制策略如表1 所示。在循跡程序中，電平發(fā)生變化時，小車速度會下降并根據(jù)檢測到的情況進行轉(zhuǎn)向，達到直行條件后轉(zhuǎn)向結(jié)束。

表1 循跡程序控制策略

3.3 監(jiān)測子程序設(shè)計

1) 溫度監(jiān)測。在Arduino 的主程序中調(diào)用DS18B20 庫，定義溫度傳感器的引腳為4，初始化溫度傳感器，讀取溫度值，讀取多組數(shù)值，濾波，去掉最大值和最小值后取平均值，保存新的數(shù)值并上傳。溫度監(jiān)測流程圖見圖5。

圖5 溫度監(jiān)測流程圖

2) 電壓監(jiān)測。在Arduino 的主程序中定義ADC 引腳為34，讀取經(jīng)過分壓后的電壓數(shù)字信號，讀取多組數(shù)值，去掉最大值和最小值后取平均值，得到分壓后的電壓數(shù)值，根據(jù)分壓電路的電阻值逆推，求得外部電源的實際電壓。電壓監(jiān)測流程圖見圖6。

圖6 電壓監(jiān)測流程圖

3) 車速監(jiān)測。在Arduino 的主程序中定義車速傳感器的引腳為4，設(shè)定程序每秒計數(shù)一次，讀取柵格轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的脈沖數(shù)，結(jié)合車輪直徑，計算出每秒車速，隨后脈沖數(shù)清零，重新計算下一秒車速。車速監(jiān)測流程圖見圖7。

圖7 車速監(jiān)測流程圖

3.4 LabVIEW 程序設(shè)計

LabVIEW 上位機主要功能為：①實時監(jiān)測小車的車速、電源電壓、溫度。②通過手動模式和自動模式來改變智能小車的運行狀態(tài)，向下位機ESP32 發(fā)送命令，使小車實現(xiàn)一些指定動作，其中手動模式為關(guān)閉自動循跡功能，人工控制小車的轉(zhuǎn)向和車速；自動模式為開啟自動循跡功能，根據(jù)給定線路自行調(diào)整方向和車速。圖8 所示為LabVIEW 控制前面板。打開程序后，即進入智能小車實驗平臺的控制界面。啟動程序，WiFi 自動連接，用戶可以選擇手動和自動控制模式。

圖8 上位機LabVIEW 前面板界面

4 試驗

完成所有模塊的組裝和調(diào)試后，將硬件焊接搭建，完成智能小車組裝，如圖9 所示。上位機與下位機成功聯(lián)網(wǎng)，一個基于車聯(lián)網(wǎng)的智能小車實驗平臺便搭建完成。將下位機和上位機置于同一局域網(wǎng)下，在上位機LabVIEW 的前面板中，輸入單片機ESP32 在該局域網(wǎng)下的IP 地址，打開小車電源，等待5 s，智能小車與上位機完成了WiFi 下的通信連接。如圖10 所示，在LabVIEW 前面板選擇手動模式，改變小車的車速和方向，智能小車可以完成相應(yīng)的動作。如圖11 所示，選擇自動模式，小車進入自動循跡狀態(tài)，小車沿黑線平穩(wěn)運行，長時間運行的情況下未發(fā)生路線偏離，轉(zhuǎn)彎處可自行調(diào)整車速。

圖9 智能小車實物圖

圖10 手動模式工作

圖11 自動模式工作

5 結(jié)語

本文設(shè)計的一種基于車聯(lián)網(wǎng)的智能小車實驗平臺改變了以往將代碼寫入下位機中的方法，而是將復(fù)雜代碼寫入上位機LabVIEW 中，單片機中只保留基礎(chǔ)代碼，由此減少了對單片機性能的要求，這使得實驗平臺的成本大大降低，并且調(diào)試起來更為簡單。該實驗平臺能夠保證長時間運行，滿足了交通專業(yè)學生的學習任務(wù)需求，其中車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用能增加學生的學習興趣，自主調(diào)試的特點有助于鍛煉學生的動手能力，能提高學生在智能控制方面的應(yīng)用水平。