朱克武，林金妹，袁小放

（廣東食品藥品職業(yè)學(xué)院，廣州510520）

0 引言

隨著醫(yī)療技術(shù)的發(fā)展、生活水平的提高，人們的壽命不斷提高，人口老齡化不可避免，人老了，身體的各方面機(jī)能都會下降，老年人護(hù)理是一個新興產(chǎn)業(yè)。社會上需要一大批有豐富經(jīng)驗的護(hù)理人員。護(hù)理工作比較累臟，很多年輕人不愿從事這份職業(yè)。開發(fā)一些護(hù)理設(shè)備，能夠減輕護(hù)理人員的勞動強(qiáng)度，這樣會吸引不少年輕人從事這份有愛心的職業(yè)。開發(fā)一個能夠運(yùn)送垃圾或者貨物的小車顯得非常有必要，該產(chǎn)品有實(shí)際的市場需求。

1 硬件系統(tǒng)組成

智能小車采用輪式行走機(jī)構(gòu)，主要硬件有車輪、電池、機(jī)架、串口-Wi-Fi模塊、攝像頭等部件，組裝成一輛能夠行走的小車。使用手機(jī)控制小車的運(yùn)動，需要在手機(jī)上實(shí)時顯示小車當(dāng)前的狀態(tài)，通過手機(jī)界面上的控制鍵（前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)），向小車發(fā)送指令，控制小車的行走，達(dá)到對小車遠(yuǎn)程控制的目的。

1.1 電源選型

目前，全社會都注重節(jié)能環(huán)保，人們的日常出行，都經(jīng)常使用電動車、節(jié)能車代步，鋰電池具有高存儲能量密度；使用壽命長，可以使用6年以上；額定電壓高，單體工作電壓為3.2V；具備高功率承受力；自放電率低；重量輕等優(yōu)點(diǎn)，它的這些優(yōu)點(diǎn)，使得鋰電池被廣泛應(yīng)用。本系統(tǒng)的電源，使用5V電壓供電，如果使用普通的電池，電池的電量不足以長時間給小車供電。隨著鋰電池技術(shù)的發(fā)展，鋰電池的體積做的很小，容量大，因此，選用5V的鋰電池給小車的供電。

1.2 行走系統(tǒng)

采用四輪驅(qū)動的方式，四個電機(jī)分別驅(qū)動四個車輪。小車的行走的原理是電機(jī)驅(qū)動小車行走，電機(jī)由STM32的GPIO管腳控制的，通過PWM的導(dǎo)通時間來控制GPIO口，這樣，就實(shí)現(xiàn)了小車的行走控制。例如：左右兩個電機(jī)的PWM導(dǎo)通時間相同，則直線行走；導(dǎo)通的時間長，則速度快；導(dǎo)通的時間短，則速度慢；設(shè)置電機(jī)正轉(zhuǎn)，則前進(jìn)；設(shè)置電機(jī)反轉(zhuǎn)，則后退；左邊電機(jī)導(dǎo)通時間長，右邊電機(jī)導(dǎo)通時間短，則右轉(zhuǎn)；左邊電機(jī)導(dǎo)通時間短，右邊導(dǎo)通時間長，則左轉(zhuǎn)。

1.3 控制系統(tǒng)

本系統(tǒng)采用ST M32F103芯片，該芯片有串口模塊、GPIO管腳、定時器模塊、DMA控制器等，芯片的功能非常強(qiáng)大，可以實(shí)現(xiàn)很多功能，滿足本系統(tǒng)控制的要求。電機(jī)的控制采用PWM技術(shù)。PWM是脈沖寬度調(diào)制，對脈沖的寬度進(jìn)行控制。PWM的工作原理如圖1所示，CNT是定時器的計數(shù)值，ARR是自動重裝載寄存器，CCR是捕獲比較寄存器。設(shè)定定時器工作在向上計數(shù)PWM模式，當(dāng)定時器的計數(shù)值小于CRR（捕獲比較寄存器）的數(shù)值，輸出0，低電平；當(dāng)計數(shù)值大于CRR的時候，輸出1；當(dāng)計數(shù)值等于ARR的數(shù)值的時候，重新歸零，一個計數(shù)周期結(jié)束。然后，定時器重新向上計數(shù)，依次循環(huán)。PWM就輸出一個矩形波。使用PWM波形控制GPIO口，就控制了電機(jī)的轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)行走的控制。

改變CRR的數(shù)值，就可以改變PWM輸出的占空比，改變ARR的值，可以改變PWM的輸出頻率。

圖1 PWM原理示意圖

1.4 WWii--FFii模塊

串口-以太網(wǎng)-無線網(wǎng)模塊有多種產(chǎn)品，價格多在400元以內(nèi)，串口-Wi-Fi設(shè)備硬件組成主要有RS-232串口模塊、Wi-Fi模塊。設(shè)備內(nèi)部內(nèi)置TCP/IP協(xié)議，能夠?qū)崿F(xiàn)用戶串口、以太網(wǎng)、無線網(wǎng)（Wi-Fi）3個接口之間的通訊。

串口-無線網(wǎng)模塊工作在AP模式下，Wi-Fi功能使能，通過Wi-Fi無線網(wǎng)絡(luò)，將串口數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送出去。AP模式下，模塊就是一個標(biāo)準(zhǔn)的無線路由器，手機(jī)等設(shè)備通過Wi-Fi連接到該設(shè)備上，成為Wi-Fi局域網(wǎng)下的設(shè)備。單片機(jī)的串口和手機(jī)外部設(shè)備，通過串口-Wi-Fi設(shè)備（相當(dāng)于一個橋梁），進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)串口和手機(jī)的通訊。

2 軟件系統(tǒng)設(shè)計

本系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)分為單片機(jī)下位機(jī)系統(tǒng)和手機(jī)App上位機(jī)系統(tǒng)。采用模塊化設(shè)計，以小車行走為設(shè)計核心，各模塊分工明確，便于程序的調(diào)試和運(yùn)行，以及后期系統(tǒng)的維護(hù)升級。串口-Wi-Fi模塊不需要編程，只需要設(shè)置串口的波特率等參數(shù)、TCP服務(wù)器的地址、端口號等參數(shù)，相關(guān)的參數(shù)設(shè)置完成后，就自動在單片機(jī)串口、手機(jī)App之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，不需要用戶干預(yù)。單片機(jī)下位機(jī)系統(tǒng)的模塊主要是GPIO模塊、PWM模塊、串口模塊。手機(jī)App上位機(jī)系統(tǒng)的模塊主要是按鈕事件、Socket網(wǎng)絡(luò)通訊。

2.1 單片機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計

STM32單片機(jī)程序的主程序是main函數(shù)，首先，初始化工作，包括初始化時鐘、GPIO管腳、定時器、串口。其次，while循環(huán)，讀取中斷的數(shù)據(jù)，判斷是否有串口數(shù)據(jù)，如果沒有，則執(zhí)行行走函數(shù)。如果有，則判斷是前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)，執(zhí)行行走函數(shù)。

2.2 PPWWMM模塊設(shè)計

在定時器初始化中，使用定時器5的通道1來PWM方波。設(shè)置定時器的預(yù)分頻、定時器向上計數(shù)模式、ARR自動重裝載數(shù)值，通過使用TIM_OC1Init函數(shù)，設(shè)置PWM的輸出方式，設(shè)置完成后，使能定時器5，定時器開始工作。通過修改定時器的CCR1來控制通道1的輸出占空比。

2.3 串口模塊設(shè)計

初始化串口后，開啟串口中斷。只要串口-Wi-Fi設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)到串口，串口中斷就會響應(yīng)，設(shè)置串口中斷標(biāo)志，接收數(shù)據(jù)，串口中斷是一次接收一個字節(jié)，因此，應(yīng)當(dāng)給串口的接收設(shè)置一個聯(lián)絡(luò)信號，如“ ”，使用回車換行作為數(shù)據(jù)接收結(jié)束的標(biāo)記。

串口的發(fā)送直接使用串口的發(fā)送指令即可，不需要使用中斷發(fā)送數(shù)據(jù)。串口的接收是無法預(yù)測的，不知道在哪個時間段，有數(shù)據(jù)到來，因此，必須使用中斷的方式，來接收數(shù)據(jù)。串口數(shù)據(jù)的發(fā)送，是可以控制的，可以直接調(diào)用串口發(fā)送指令，靈活方便。

2.4 手機(jī)端的按鈕事件模塊設(shè)計

手機(jī)端App設(shè)計，首先是界面設(shè)計，在界面上，放置6個按鈕，1個編輯控件，分別對應(yīng)小車的“前進(jìn)”、“后退”、“左轉(zhuǎn)”、“右轉(zhuǎn)”、“加速”、“減速”。給 6 個按鈕添加單擊事件，onClick事件。因為，要將控制信號發(fā)送給單片機(jī)的串口，涉及網(wǎng)絡(luò)通訊，因此，在按鈕的單擊事件中，添加線程，在線程中，調(diào)用Socket對象，收發(fā)數(shù)據(jù)。將接收的數(shù)據(jù)，顯示在界面上。

2.5 手機(jī)端的Socket網(wǎng)絡(luò)通訊模塊設(shè)計

Socket網(wǎng)絡(luò)通訊，首先，創(chuàng)建Socket對象，指定服務(wù)器的IP地址、端口號，連接到服務(wù)器。設(shè)置要發(fā)送的數(shù)據(jù)到發(fā)送區(qū)，Socket通訊一般是byte字節(jié)數(shù)組的形式，發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)都在byte字節(jié)數(shù)組里面。創(chuàng)建OutputStream輸出流，使用write函數(shù)、flush函數(shù)，將字節(jié)數(shù)組中的數(shù)據(jù)發(fā)送給串口-Wi-Fi設(shè)備，通過透傳的方式，將字節(jié)數(shù)據(jù)，發(fā)給串口。Socket發(fā)送結(jié)束，關(guān)閉Socket連接。

App網(wǎng)絡(luò)通訊的流程是，在按鈕事件中，創(chuàng)建一個線程，在線程中，將控制信息添加到發(fā)送區(qū)數(shù)組中，創(chuàng)建Socket對象，連接服務(wù)器，創(chuàng)建OutputStream輸出流對象，將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。關(guān)閉Socket，如果不關(guān)閉，客戶端一直連接服務(wù)器，導(dǎo)致后面的套接字可能連不上服務(wù)器，套接字不釋放，會一直占用資源，因此，套接字使用完成后，要及時關(guān)閉，釋放它占用的資源。

Android的網(wǎng)絡(luò)編程，需要配置網(wǎng)絡(luò)的權(quán)限，能夠使用Internet權(quán)限。

3 結(jié)語

通過小車控制系統(tǒng)的研究，掌握小車的硬件組成，包括電機(jī)的選型、電源的選型、STM32芯片的選型等，為后續(xù)添加新的硬件設(shè)備提供經(jīng)驗積累。小車軟件系統(tǒng)圍繞小車的行走控制開展，App上位機(jī)發(fā)送指令，提供串口-Wi-Fi設(shè)備，將指令發(fā)送給STM32單片機(jī)，串口接到數(shù)據(jù)后，根據(jù)指令的類型，進(jìn)行處理。通過本項目的研究，實(shí)現(xiàn)了對小車的控制，為后續(xù)開發(fā)小車的智能行走，提供了一些理論積累。