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1、智能处理与应用Intelligent Processing and ApplicationDOI：10.16667/j.issn.2095-1302.2020.08.028基于 STM32STM32 的智能轮椅控制系统设计彭天然，张梅（安徽理工大学 电气与信息工程学院，安徽 淮南 232001 ）为了更好地服务老年人和残障人士，文中设计一种基于 STM32 的智能轮椅控制系。该系统主要由主摘要 ：控芯片、传感器模块、人机交互模块、电机驱动模块、GPS 模块、无线通信模块和报警模块等部分组成 ，实现轮椅的自动感知、可靠控制、无线通信、GPS 定位等多种功能。实验结果表明，该系统具有功耗低、可靠性
2、强、功能多等优点。智能轮椅 ； STM32 ； 控制系统 ； 人机交互 ； 无线通信 ； GPS关键词 ：TP391A2095-1302（2020）08-0098-02中图分类号 ：文献标识码 ：文章编号 ：0 0引言为了更好地服务老年人和残障人士，使其获得更好的帮助，尽可能地融入社会，最大程度地节约人工陪护成本，各国都致力于功能丰富的轮椅的研究。 随着物联网技术的发展，轮椅越来越智能化、人性化。目前存在的智能轮椅是在电动轮椅的基础上，集合一些人工智能技术，使轮椅具备较好的自主性、适应性与交互性。本文设计了一种基于 STM32 的智能轮椅控制系统 。该系统以 STM32 为控制核心，其利用低功
3、耗控制芯片 、高精度传感器、GPS 模块、超声波模块、无线通信模块，实现轮椅的自动感知、可靠控制、无线通信、GPS 定位等多种功能。块使电机运行 ； 系统内部设置自动避障算法，可进行自动避障 ； 其 GPS 模块可以定位轮椅，通过无线通信模块将位置信息、轮椅信息发送给监护者，在轮椅发生跌倒时本地报警的同时还发送报警信号到监护者手机端。2 2硬件电路设计系统的主控芯片选用意法半导体公司（ST 公司 ）的STM32F103C8T6。该芯片具有较高的实时性 、较低的功耗、丰富的片外扩展能力、强大的数据处理能力等。所有外围电路均与主控芯片相连，由主控芯片进行数据处理和控制。下面对部分硬件电路做介绍。2
4、.1传感器模块电路系统传感器模块主要有角度传感器、超声波传感器，用来感知智能轮椅的自身状态和外部的环境信息 ，来确定轮椅自身的位姿信息、周围环境和障碍物的距离信息等。角度传感器选用 MPU-6050 角度传感器，其与主控芯片的连接电路如图 2 所示。1 1系统结构基于 STM32的智能轮椅控制系统的结构如图1 所示。图 1 1基于 STM32STM32 的智能轮椅控制系统整体结构该系统主要由主控芯片 、传感器模块、电机驱动模块、人机交互模块、GPS 模块、无线通信模块、报警电路、电源电路、时钟电路、复位电路等部分组成。使用者通过按键可选择不同的人机交互模式，如操纵杆、按键或手机等 ； 通过传感
5、器模块中的角度传感器和次声波传感器采集轮椅自身和外部环境的信息，经主控芯片分析处理后，控制电机驱动模收稿日期：修回日期 ：2020-02-032020-03-05基金项目 ： 安徽省教育厅重点项 目 （KJ2019A0106 ）98物联网技术 2020年 / 第8期图 2 2角度传感器与主控芯片的连接电路MPU-6050 角度传感器通过 I2C 接口与 STM32F103C8T6相连接，通过 I2C 串口通信实现角度信息的传送。超声波传感器采用 HC-SR04 超声波传感器 ，来获得轮椅与物体的距离信息。这里设计了 3 路超声波传感器，分别安装在轮椅的前方、左侧和右侧，同时采集这 3 个方向的
6、距离信息，通过避障算法控制后达到较好的避障效果 ，超声波传感器与主控芯片的连接电路如图 3 所示。Copyright博看网 . All Rights Reserved.智能处理与应用Intelligent Processing and Application数显示等功能。2.4无线通信模块与报警电路本系统的无线通信模块利用 GPRS 芯片 SIM300 通过手机短信的形式把轮椅位置、报警信息发送给指定人员，发生倾倒时本地报警，达到远程监护的目的，其电路如图 6 所示。图 3 3超声波传感器与主控芯片的连接电路图 3 中的 3 个 HC-SR04 超声波传感器分别与 STM32F103C8T6
7、的 PC0 PC5 等 6 个 GPIO 口 相 连，STM32F103C8T6 通过控制这些通信接口进行信息的交互。2.2电机驱动电路智能轮椅采用后轮驱动的方式，每一个后轮配置一个电动机，这里采用双 H 桥直流电机口驱动器 L298N 来驱动轮椅的左、右轮电机，实现电动轮椅的前进、后退和转向，其驱动电路如图 4 所示。图 6 6无线通信模块与报警电路STM32F103C8T6 的 PB110 和 PB11 引 脚 与 SIM300 的RXD 和 TXD 相连，通过串口通信发送 AT指令即可实现对SIM300 模块控制。同时在 SIM300 模块的外围扩展模块上设计蜂鸣器电路，当轮椅发生倾倒可
8、以实现本地声音报警。3 3软件设计根据智能轮椅设计的运行情况， 系统的主程序流程如图 7所示。系统的主程序是整个智能轮椅软件编写的整体框架 ，也是系统整个运行程序依据。系统主要完成硬件初始化、循环接收轮椅控制命令、控制电机运行等功能。图 4 4电机驱动芯片与主控芯片的连接电路STM32F103C8T6 通过光电隔离电路 TLP521-4 与电机驱动芯片 L298N 芯片相连。TLP521-4 内部包含了 4 组光电耦合管，可以将负载电路与控制信号完全隔离，可以增强抗干扰能力提高电机驱动的可靠性 。STM32F103C8T6 通过控制ENA 和 ENB 使 L298N 使能，通过控制 IN1 I
9、N4 引脚的电平高低即可控制电机的正转和反转 ，OUT1 OUT4 为控制信号输出引脚，该引脚通过整流电路直接与电机相连进而控制电机的旋转状态。2.3人机交互模块人机交互接口要求操作简单、便捷、合理，本系统的人机交互模块组成如图 5 所示。图 7 7系统主程序流程图 5 5人机交互模块组成4 4结语本文设计了一种基于 STM32 的智能轮椅控制系统 ，并给出了系统的总体结构、部分硬件电路和软件流程。该系统选择 STM32F103C8T6 作为主控芯片，采用模块化、系统化的设计思想进行设计，传感器模块、人机交互模块、电机驱动模块、GPS 模块、无线通信模块、报警模块共同作用，相互协调，构成了一个
10、安全可靠的智能轮椅控制系统。（下转第102页）2020年 / 第8期 物联网技术本系统的人机交互模块由手机端、操控杆和触摸屏 3 个部分组成。手机端通过 WiFi 信号与轮椅相连 ，来设置相关参数、查看轮椅相关信息，同时也可操控轮椅。操控杆的控制方式为电磁感应式，控制轮椅的运动方向，同时在操控杆的手柄上增加一些独立的功能按键，这里设置 5 个按键，分别是紧急停止、加速、减速、鸣笛、控制模式选择按键。触摸屏采用电容屏，可以实现轮椅的运动控制、参数设置、参99Copyright博看网 . All Rights Reserved.智能处理与应用Intelligent Processing and A
11、pplication3.3监控终端工作原理各路口监控终端上电后获取信道编码、 方向编码数据 （拨码开关设置） ，射频模块进入监听状态 。无线射频模块接收到广播信息进行解码，获取本路口相关信息。根据接收到的方向信号（直行、左转、右转、人行） ，将该方向的霍尔电流检测信号引入主控芯片比较器，打开定时器，在一定时间内进行连续电压比较，记录比较结果。当比较结果大于设定阈值，即判断该路交流信号正常 ； 反之异常，同时将结果编码后按方向编码数据做对应的延时后发送回检测终端 ，即完成一个信号检测流程。运行逻辑 ： 开机读取信道编码、方向编码设置好无线模块进入待机状态 ； 读取分析接收的无线通信数据 ； 判断
12、当前信道及方向信息是否一致 ； 一致，则处于监测状态 ； 不一致，则判断故障位置，控制继电器将主火线切换到备用电源上。监控，并可以将线路故障信息实时上传监控云平台 ，实现远程监控。同时可以引入 GPS/BDS 定位技术13，更进一步地确定信号灯故障地理位置，实现城市智慧交通管理。参考文献1 刘志娟 . 基于无线传感网的城市交通灯模糊控制系统设计 D. 淮南：安徽理工大学，2014.2 王园园 . 基于无线传感器的交通灯的远程控制J. 物联网技术 ，2018，8（1） ：89.3 焦海华 . 无线传感器网络在交通灯故障监测中的研究D. 昆明：昆明理工大学，2013.4 蒋清健 . 智能交通信号灯
13、控制系统的分析与实现J. 福建电脑，2010，26（3） ：142.5 赵文 . 基于霍尔传感器的电流监测及过流保护设计 J. 仪表技术，2019（2） ：10-12.6 梁峰，赵金才，都晓鹏，等 . 基于 ZigBee2007/PRO 的智能家居无线组网设计 J. 天津农学院学报，2016，23（3） ：47-50.7 罗洋坤 . 动力电池均衡充电控制方案分析与设计J. 蓄电池，2017，54（3） ：147-150.8 薛斌 . 主动磁力轴承的嵌入式控制系统设计与研究 D. 武汉：武汉理工大学，2007.9 顾建凯，华彤天 . 一种基于无线射频通信的温度检测系统设计 J.电子技术与软件工程
14、，2016（20） ：50.10 田博，陈分雄，郭星锋 . 基于 FPGA 的多路无线信道监听系统设计 J. 电子技术应用，2014，40（5） ：87-89.11 李庆民，李华，徐立，等 . 系统可靠性结构识别方法 J. 计算机应用，2014，34（11） ：3340-3343.12 邹细勇，鲍军民，胡琪，等 . 交通信号灯系统中的一种故障监控设计 J. 计算机测量与控制，2012，20（8） ：2024-2027.13 罗洋坤 . 基于 GPS 和 BP 神经网络的车辆定位预测研究 J. 自动化应用，2018（3） ：88-90.4 4结语本文通过对交通信号灯火线回路中电流的检测 ，利用电
15、流传输速度快和电气原理的特性，提出了基于无线通信的交通信号灯线路检测及控制的研究12。在交通信号灯正常工作情况下，系统处于低功耗的实时监测状态，不会干扰交通信号灯的正常工作 ； 如发生线路断开故障，可通过无线通信实时定位到故障线路，并控制切换至备用电源为发生线路开路故障的交通信号灯供电，避免由此所带来的交通拥堵、混乱，以及引发的交通事故。在无线通信的交通信号灯线路检测及控制系统中可以引入 4G/5G 通信技术，将各路口信号灯的状态做到实时检测和作者简介：罗洋坤（1979），男，湖南株洲人，硕士，主要研究方向为嵌入式技术研究与应用、智能控制。（上接第99页）参考文献6 石学文，杜勇，秦川，等 .
16、 基于无线通信的电动轮椅控制系统的研究与设计 J. 电子技术，2018，47（8） ：90-92.7 李瑛达，周海波，杨易青 . 脑波控制的智能医疗轮椅系统 J. 物联网技术，2019，9（5） ：63-66.8ZHAO Cong ，WANG Zhengxing ，JIANG Shihong ，et al. Thedesign of wheelchair lifting mechanism and control system J.Computer aided drafting，design and manufacturing，2014，24（2） ：43-47.9 陈真诚，庞雪燕，孙统雷，等
17、 . 脑控智能轮椅控制系统 J. 电子技术应用，2014，40（9） ：126-129.10 罗元，杨杨，张毅，等 . 智能轮椅嵌入式手势控制系统设计与实现 J. 中南大学学报（自然科学版） ，2013，44（z2） ：68-72.1 高强 . 面向老人的智能轮椅研究 D. 苏州：苏州大学，2015.2 郝付英 . 智能轮椅控制系统研究与设计D. 济南：山东大学 ，2012.3 朱亚坤，姚立纲，徐业良，等 . 基于物联网的电动轮椅控制系统研究 J. 机械制造与自动化，2019，48（2） ：164-168.4 滕兴旺，从兰美，邱建龙，等 . 基于单片机的智能轮椅控制系统设计 J. 南京信息工程大学学报 （自然科学版） ，2019，11（4） ：495-498.5 麻文刚，王小鹏，马鹏 . 基于 GMR 传感器校正的智能轮椅控制系统设计 J. 传感器与微系统，2018，37（1） ：117-119.作者简介：彭天然（1999），女，安徽宿州人，主要研究方向为物联网技术 。张梅（1979），女，安徽宿州人，安徽理工大学电气与信息工程学院副教授，主要研究方向为物联网技术、智能控制。102物联网技术 2020年 / 第8期Copyright博看网 . All Rights Reserved.