盧群　何東升　周春欣　薛玉利　刁廣強(qiáng)　洪亭軒

摘 要：針對(duì)一般行李箱依靠人力推動(dòng)，現(xiàn)代智能行李箱又過(guò)于昂貴的問(wèn)題，設(shè)計(jì)一款由單片機(jī)為核心的多功能智能行李箱，實(shí)現(xiàn)了行李箱自動(dòng)跟隨主人行走，遇到障礙物自動(dòng)改變方向，隨時(shí)監(jiān)測(cè)物體重量，指紋解鎖安全可靠等功能。實(shí)驗(yàn)表明，該行李箱成本低、靈活性高，具有廣闊的市場(chǎng)前景和研發(fā)價(jià)值。

關(guān)鍵詞：HX711;自動(dòng)跟隨;指紋解鎖;智能行李箱;紅外跟隨技術(shù);障礙物

中圖分類(lèi)號(hào)：TP242.6文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-1302（2020）03-00-02

0 引 言

2016年，美國(guó)Bluesmart公司首次面向公眾推出了第一代智能行李箱，擁有定位追蹤、手機(jī)操控等功能。隨后，多家科技型創(chuàng)業(yè)公司相繼推出了類(lèi)似的產(chǎn)品，引起了行李箱產(chǎn)品設(shè)計(jì)上的一次革命。在此行業(yè)背景下，本文設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)的自動(dòng)跟隨行李箱，采用紅外跟隨技術(shù)實(shí)現(xiàn)行李箱自動(dòng)跟隨的能力，結(jié)合電容式指紋技術(shù)保障行李箱安全性，超聲波實(shí)現(xiàn)智能避障和HX711芯片實(shí)現(xiàn)稱(chēng)重中A/D轉(zhuǎn)換的功能。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

多功能智能行李箱系統(tǒng)主要由單片機(jī)核心板、紅外線感應(yīng)光電開(kāi)關(guān)、LED顯示屏、全橋式電路和電容式指紋解鎖等組成。該系統(tǒng)利用L289N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊控制左右兩組電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)行李箱的自動(dòng)跟隨（前進(jìn)、停止、左轉(zhuǎn)或右轉(zhuǎn)），HX711芯片實(shí)現(xiàn)對(duì)行李箱物品重量的估算，電容式指紋解鎖提高行李箱的安全性，超聲波避障模塊用來(lái)確保行李箱能夠正常行駛、跟隨主人，電源模塊可用于手機(jī)，電腦等USB接口的緊急充電。系統(tǒng)的功能框圖如圖1所示。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 自動(dòng)跟隨模塊

行李箱安裝紅外探測(cè)器，其用于探測(cè)前方主人位置。CPLD不但可以快速檢測(cè)復(fù)雜可編程邏輯器件， 還可以處理紅外線檢測(cè)裝置以及信號(hào)接收器的輸入結(jié)果。

依據(jù)系統(tǒng)分析，實(shí)現(xiàn)兩組電機(jī)工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，進(jìn)而執(zhí)行相應(yīng)的指令—跟隨主人（前進(jìn)、停止、左轉(zhuǎn)或右轉(zhuǎn)）。行李箱采用前輪驅(qū)動(dòng)，后輪跟隨模式，前輪安置兩個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，分別控制兩個(gè)輪子的轉(zhuǎn)動(dòng)從而達(dá)到自動(dòng)跟隨的目的，后輪是起支撐作用的萬(wàn)向輪。在箱體的左右兩側(cè)安裝兩個(gè)紅外線傳感器，當(dāng)左邊傳感器檢測(cè)到障礙物時(shí)，相應(yīng)的程序驅(qū)動(dòng)左輪轉(zhuǎn)動(dòng)，行李箱向右方轉(zhuǎn)動(dòng);反之亦是如此。自動(dòng)跟隨流程如圖2所示。

2.2 智能避障模塊

超聲波作為探測(cè)裝置，檢測(cè)到障礙物時(shí)能及時(shí)反射。距離測(cè)量原理一般采用回波時(shí)間法，即檢測(cè)超聲波往返所測(cè)距離的時(shí)間。當(dāng)發(fā)射器發(fā)出一個(gè)短脈沖時(shí)，定時(shí)器啟動(dòng);當(dāng)接收器接收到返回脈沖時(shí)，定時(shí)器立即停止。

此時(shí)記錄的時(shí)間值為：

D=CT/2

C= （331.4+273t） m/s

智能避障流程如圖3所示。

2.3 稱(chēng)重模塊

該模塊采用壓力傳感器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，C51實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理，HX711對(duì)模擬量進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)送到單片機(jī)進(jìn)行處理，由LCD1602液晶顯示，如圖4所示。

稱(chēng)重作用的實(shí)現(xiàn)是通過(guò)壓力傳感器采集到被測(cè)物體的重量并將其轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，輸出電壓信號(hào)通常很小，需要通過(guò)前端信號(hào)處理電路進(jìn)行準(zhǔn)確的線性放大。

原理：

V₁=V₂·W

式中：V1表示滿量程輸出電壓;V2表示激勵(lì)電壓;W表示靈敏度。

AVDD=VBG·（R₁+R₂）/R₂

由此計(jì)算得到壓力傳感器的電壓AVDD。

HX711模塊通道A和B的可編程增益分別為128/64和64，相比較而言，A通道更適合用于該系統(tǒng);然后采樣輸出，單片機(jī)通過(guò)指定命令將24 bit數(shù)據(jù)讀出;將A/D值逆轉(zhuǎn)換為重力值，數(shù)據(jù)顯示在LCD1602屏上。HX711管腳定義如

圖5所示，稱(chēng)重模塊流程如圖6所示。

2.4 指紋解鎖模塊

這里通過(guò)已經(jīng)寫(xiě)好的C語(yǔ)言程序來(lái)進(jìn)行錄入指紋和識(shí)別指紋。錄入指紋之后，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電機(jī)來(lái)控制行李箱，使行李箱可以開(kāi)關(guān)。指紋解鎖流程如圖7所示。

指紋解鎖模塊采用的是電容式指紋解鎖：電路按照特定的像素地址對(duì)指紋進(jìn)行掃描，內(nèi)部電路對(duì)得到數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，在誤差允許的范圍內(nèi)，選取相應(yīng)的參數(shù)，經(jīng)過(guò)幾次重復(fù)掃描，得到最合理的參數(shù)后，信號(hào)再經(jīng)過(guò)被濾波、放大、量化等操作，最終得到完整的圖像信號(hào)，由此完成了指紋信息的采集及傳輸?shù)牟僮鳌?/p>

空指紋狀態(tài)長(zhǎng)按設(shè)置鍵3 s，藍(lán)色LED閃爍，進(jìn)入錄入狀態(tài)：可以直接錄入第一枚指紋;其它指紋必須由主人授權(quán)通過(guò)后才能錄入。指紋識(shí)別成功，會(huì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)開(kāi)鎖;識(shí)別失敗，相應(yīng)的紅燈會(huì)亮起，起到警示作用，連續(xù)3次識(shí)別失敗，電機(jī)會(huì)處于強(qiáng)制停止?fàn)顟B(tài)，無(wú)法開(kāi)鎖。

3 軟件設(shè)計(jì)

啟動(dòng)程序之后，單片機(jī)初始化，前進(jìn)過(guò)程中檢測(cè)到障礙物的時(shí)，執(zhí)行避障功能，避障完成之后，判斷是否跟隨主人并繼續(xù)前進(jìn)。系統(tǒng)流程如圖8所示。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的多功能智能行李箱能夠?yàn)楝F(xiàn)代人提供自動(dòng)跟隨、智能避障、指紋解鎖、稱(chēng)重等功能，擴(kuò)展了智能行李箱的應(yīng)用，成本低、控制靈活可靠、傳輸時(shí)延較短;能夠?qū)崟r(shí)跟隨，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)行李重量，做到安全出行。智能行李箱克服了傳統(tǒng)行李箱結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功能單一的缺點(diǎn)，搭載單片機(jī)智能芯片，使行李箱智能化、自動(dòng)化，方便了人們的生活，對(duì)于傳統(tǒng)行李箱行業(yè)的發(fā)展具有重要意義。

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