物联网系统课程设计

第1页物联网系统课程设计学系名称：物联网工程班级名称：物联网工程2班学生姓名：朱泓锦20136239指导教师：肖迎元助教：二零一六年十月第2页摘要智能车辆是集环境感知、规划决策、多等级辅助驾驶等功能于一体的综合系统，是智能交通系统的一个重要组成部分。它在军事、民用、太空开发等领域有着广泛的应用前景。随着电子工业的发展，智能技术广泛运用于各种领域，运用于智能家居中的产品更是越来越受到人们的青睐。以arduino程序和蓝牙模组，app为基础，是蓝牙模组，arduino小车和手机之间信息交互的关键。本课题所研究的物联网应用系统以arduino程序为核心，利用蓝牙模组，arduino小车和app等实现基本功能。基本功能：利用蓝牙模组和app之间的信息交互，控制小车的移动，从而达到无线控制的效果注：仅能实现小车的基本操作关键词：arduino程序，arduino小车，app，蓝牙模组第3页1绪论随着科技进步，现代工业技术发展越来越体现出机电一体化的特征。无论是在金属加工、汽车技术、工业生产等等方面，机器设备表现了所谓智能化、集成化、小型化、高精度化的发展趋势。1.1选题背景随着汽车工业的迅速发展，关于汽车的研究也就越来越受人关注。全国电子大赛和省内电子大赛几乎每次都有智能小车这方面的题目，全国各高校也都很重视该题目的研究。可见其研究意义很大。本设计就是在这样的背景下提出的，指导教师已经有充分的准备。本题目是结合科研项目而确定的设计类课题。设计的智能电动小车应该能够实现适应能力，能自动避障，可以智能规划路径。智能化作为现代社会的新产物，是以后的发展方向，他可以按照预先设定的模式在一个特定的环境里自动的运作，无需人为管理，便可以完成预期所要达到的或是更高的目标。同遥控小车不同，遥控小车需要人为控制转向、启停和进退，比较先进的遥控车还能控制器速度。常见的模型小车，都属于这类遥控车；智能小车，则可以通过计算机编程来实现其对行驶方向、启停以及速度的控制，无需人工干预。操作员可以通过修改智能小车的计算机程序来改变它的行驶方向。因此，智能小车具有再编程的特性，是机器人的一种。中国自1978年把“智能模拟”作为国家科学技术发展规划的主要研究课题，开始着力研究智能化。从概念的引进到实验室研究的实现，再到现在高端领域（航第4页天航空、军事、勘探等）的应用，这一过程为智能化的全面发展奠定基石。智能化全面的发展是实现其对资源的合理充分利用，以尽可能少的投入得到最大的收益，大大提高工业生产的效率，实现现有工业生产水平从自动化向智能化升级，实现当今智能化发展由高端向大众普及。从先前的模拟电路设计，到数字电路设计，再到现在的集成芯片的应用，各种能实现同样功能的元件越来越小为智能化产物的生成奠定了良好的物质基础。智能小车，是一个集环境感知、规划决策，自动行驶等功能于一体的综合系统，它集中地运用了计算机、传感、信息、通信、导航、人工智能及自动控制等技术，是典型的高新技术综合体。1.2智能小车研究现状智能车辆作为智能交通系统的关键技术，是许多高新技术综合集成的载体。智能车辆驾驶是一种通用性术语，指全部或部分完成一项或多项驾驶任务的综合车辆技术。智能车辆的一个基本特征是在一定道路条件下实现全部或者部分的自动驾驶功能，下面简单介绍一下国内外智能小车研究的发展情况。1.2.1国外智能车辆研究现状国外智能车辆的研究历史较长，始于上世纪50年代。它的发展历程大体可以分成三个阶段：第一阶段20世纪50年代是智能车辆研究的初始阶段。1954年美国BarrettElectronics公司研究开发了世界上第一台自主引导车系统AGVS（AutomatedGuidedVehicleSystem）。该系统只是一个运行在固定线路上的拖车式运货平台，但它却具有了智能车辆最基本得特征即无人驾驶。早期研制AGVS的目的是为了提高仓库运输的自动化水平，应用领域仅局限于仓库内的物品运输。随着计算机的应用和传感技术的发展，智能车辆的研究不断得到新的发展。第二阶段从80年代中后期开始，世界主要发达国家对智能车辆开展了卓有成效的研究。在欧洲，普罗米修斯项目于1986年开始了在这个领域的探索。在美洲，美国于1995年成立了国家自动高速公路系统联盟（NAHSC），其目标之一就是研究发展智能车辆的可能性，并促进智能车辆技术进入实用化。在亚洲，日本于1996年成立了高速公路先进巡航/辅助驾驶研究会，主要目的是研究自动车辆导航的方法，促进日本智能车辆技术的整体进步。进入80年代中期，设计第5页和制造智能车辆的浪潮席卷全世界，一大批世界著名的公司开始研制智能车辆平台。第三阶段从90年代开始，智能车辆进入了深入、系统、大规模研究阶段。最为突出的是，美国卡内基.梅隆大学（CarnegieMellonUniversity）机器人研究所一共完成了Navlab系列的10台自主车（Navlab1—Navlab10）的研究，取得了显著的成就。目前，智能车辆的发展正处于第三阶段。这一阶段的研究成果代表了当前国外智能车辆的主要发展方向。在世界科学界和工业设计界中，众多的研究机构研发的智能车辆具有代表性的有：德意志联邦大学的研究1985年，第一辆VaMoRs智能原型车辆在户外高速公路上以100km/h的速度进行了测试，它使用了机器视觉来保证横向和纵向的车辆控制。1988年，在都灵的PROMRTHEUS项目第一次委员会会议上，智能车辆维塔（VITA,7t）进行了展示，该车可以自动停车、行进，并可以向后车传送相关驾驶信息。这两种车辆都配备了UBM视觉系统。这是一个双目视觉系统，具有极高的稳定性。荷兰鹿特丹港口的研究智能车辆的研究主要体现在工厂货物的运输。荷兰的Combiroad系统，采用无人驾驶的车辆来往返运输货物，它行驶的路面上采用了磁性导航参照物，并利用一个光阵列传感器去探测障碍。荷兰南部目前正在讨论工业上利用这种系统的问题，政府正考虑已有的高速公路新建一条专用的车道，采用这种系统将货物从鹿特丹运往各地。日本大阪大学的研究大阪大学的Shirai实验室所研制的智能小车，采用了航位推测系统（DeadReckoningSystem），分别利用旋转编码器和电位计来获取智能小车的转向角，从而完成了智能小车的定位。另外，斯特拉斯堡实验中心、英国国防部门的研究、美国卡内基梅隆大学、奔驰公司、美国麻省理工学院、韩国理工大学对智能车辆也有较多的研究。1.2.2国内智能车辆研究现状相比于国外，我国开展智能车辆技术方面的研究起步较晚，开始于20世纪80年代。而且大多数研究处在于针对某个单项技术研究的阶段。虽然我国在智能车辆技术方面的研究总体上落后于发达国家，并且存在一定得技术差距，但是第6页我们也取得了一系列的成果，主要有：（1）中国第一汽车集团公司和国防科技大学机电工程与自动化学院与2003年研制成功我国第一辆自主驾驶轿车。该自主驾驶轿车在正常交通情况下的高速公路上，行驶的最高稳定速度为13km/h,最高峰值速度达170km/h，并且具有超车功能，其总体技术性能和指标已经达到世界先进水平。（2）南京理工大学、北京理工大学、浙江大学、国防科技大学、清华大学等多所院校联合研制了7B.8军用室外自主车，该车装有彩色摄像机、激光雷达、陀螺惯导定位等传感器。计算机系统采用两台Sun10完成信息融合、路径规划，两台PC486完成路边抽取识别和激光信息处理，8098单片机完成定位计算和车辆自动驾驶。其体系结构以水平式结构为主，采用传统的“感知-建模-规划-执行”算法，其直线跟踪速度达到20km/h，避障速度达到5-10km/h。智能车辆研究也是智能交通系统ITS的关键技术。目前，国内的许多高校和科研院所都在进行ITS关键技术、设备的研究。随着ITS研究的兴起，我国已形成一支ITS技术研究开发的技术专业队伍。并且各交通、汽车企业越来越加大了对ITS及智能车辆技术研发的投入，整个社会的关注程度在不断提高。交通部已将ITS研究列入“十五”科技发展计划和2010年长期规划。相信经过相关领域的共同努力，我国ITS及智能车辆的技术水平一定会得到很大提高。可以预计，我国飞速发展的经济实力将为智能车辆的研究提供一个更加广阔的前景。我们要结合我国国情，在某一方面或某些方面，对智能车进行深入细致的研究，为它今后的发展及实际应用打下坚实的基础。1.3课题主要内容本课题南京嵌入之梦工作室的fira智能小车平台，选择通用、价廉的Arduino单片机为控制平台，通过细化设计要求，结合传感器技术和电机控制技术相关知识实现小车的各种功能。实现小车的前进倒退、转向行驶，达到设计目标。第7页2智能小车总体结构2.1方案综述本设计以两直流电动机为主驱动，通过各类传感器件来采集各类信息，送入主控单元Arduino单片机处理数据后完成相应动作，以达到自身控制。电机驱动电路采用H桥驱动模块，驱动2个直流电机；最后由控制单元处理数据后通过编程有序合理的将各模块信号整合在一起并完成相应动作，实现了智能控制，相当于简易机器人。根据设计的作品要达到的效果，本系统以Arduino单片机为核心控制器，主要由电源模块、电机驱动模块、构成。系统的结构框图如下图1所示。图2.1系统结构框图2.2主控单元方案比较与选择按照题目要求，控制器主要用于控制电机，通过相关传感器对路面的轨迹信息进行处理，并将处理信号传输给控制器，然后控制器做出相应的处理，实现小车的自动循迹和自动避障。方案一：可以采用ARM为系统的控制器，优点是该系统功能强大，片上外设集成度搞密度高，提高了稳定性，系统的处理速度也很高，适合作为大规模实时系统的控制核心。Arduino单片机驱动电路直流电动机轮子电源第8页方案二：采用Arduino单片机作为系统控制的方案。Arduino单片机算术运算功能强，软件编程灵活、自由度大，功耗低、体积小、技术成熟，成本也比ARM低。考虑到性价比问题，本设计选择用Arduino单片机做控制器。2.3“小车”的必要的信息步进电机参数：步进电机技术要求：步进电机示例图：第9页智能小车底盘参考电路图：第10页蓝牙模块：第11页3智能小车的大脑这是学习单片机应用的平台，而单片机的种类众多，除了流行的8位机：51、AVR、PIC系列，还有日渐被接受的16位机MSP430系列，以及最近升势很猛的ARMCortex‐M系列，这些单片机各有优势，无法说谁好谁坏，完全取决于学习者的需求和喜好，此外还有越来越接近MCU的DSP，所以我将这个权力交还给用户。而且我认为：所谓单片机应用学习，最核心的就是能自己消化一个MCU，根据控制需求自己分配MCU的资源，编写相应的程序，使之能按自己的想法工作。这才是掌握单片机应用的关键！5.1Arduino单片机简介Arduino单片机，是一块基于开放源代码的USB接口Simplei/o接口板（包括12通道数字GPIO，4通道PWM输出，6-8通道10bitADC输入通道），并且具有使用类似Java,C语言的IDE集成开发环境。让您可以快速使用Arduino语言与Flash或Processing…等软件，作出互动作品。Arduino可以使用开发完成的电子元件例如Switch或sensors或其他控制器、LED、步进马达或其他输出装置。Arduino也可以独立运作成为一个可以跟软件沟通的接口，例如说：flash、processing、Max/MSP、VVVV或其他互动软件…。Arduino开发IDE接口基于开放源代码原，可以让您免费下载使用开发出更多令人惊艳的互动作品。Arduino单片机特色:1、开放源代码的电路图设计，程序开发接口免费下载，也可依需求自己修改。2、使用低价格的微处理控制器(ATMEGA8或ATmega128)。可以采用USB接口供电，不需外接电源。也可以使用外部9VDC输入第12页3、Arduino支持ISP在线烧，可以将新的“bootloader”固件烧入ATmega8或ATmega128芯片。有了bootloader之后，可以通过串口或者USBtoRs232线更新固件。4、可依据官方提供的E