基于車聯網的智能小車實驗平臺設計

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）

隨著科技的發展，車聯網作為交通領域的一項新技術已成為近年的研究熱點。車聯網技術是利用先進的傳感器、網絡、控制等技術對小車及周邊進行監控，從而達到“零堵塞”“零傷亡”“零超限”的專用控制系統。[1]在交通專業的教學中，讓學生更好地認識并了解車聯網很有必要。智能小車是在單片機控制、電機驅動的基礎上集成了各種傳感器模塊的模型車，具有結構簡單、易攜帶、操作方便等優點。[2]由于單片機內存較小，將車聯網相關技術的控制代碼全部存儲于單片機中會產生代碼復雜、調試混亂等缺陷，[3]為了解決相關問題，本文結合車聯網相關技術設計了一種基于單片機和LabVIEW 的智能小車實驗平臺。LabVIEW 可實現圖形化編程，內嵌豐富的庫函數和接口，便于實現現場數據的處理。[4]將復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據采集、信息傳輸和電機控制的代碼，實現智能小車的在線調試和無線聯網控制。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，不必通過數據線將新代碼燒錄到單片機中，從而有效提高了學習效率。

1 實驗平臺整體架構設計

基于車聯網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絡的智能控制系統，包括LabVIEW 上位機、單片機下位機、傳感器、驅動模塊等。

1.1 整體設計思路

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據進行采集，包括車速、周圍溫度、電池電壓等，并通過單片機的WiFi 模塊將數據傳遞給上位機；上位機LabVIEW 接收到信息后，經過后臺程序處理，在前面板上顯示具體數值。用戶通過LabVIEW 調整小車的車速和運行方向，根據實時狀態數據調整相關控制器，設計思路如圖1 所示。用戶可以在相同名稱和密碼的局域網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計思路流程圖

1.2 硬件功能模塊的設計與選型

本實驗平臺的下位機車載硬件系統以單片機為核心，此外還包括溫度傳感器、車速傳感器、循跡傳感器、電壓調節模塊、電機驅動模塊、電池等。系統硬件在單片機的統一調度下有序運行，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具有數據采集、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，電源應為可移動電源，且輸出穩定，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) 電機驅動模塊。該實驗平臺的特點之一是小車可根據接收的上位機信息調整車速和方向。為簡化控制流程，小車采用差速轉向，4 個驅動電機兩兩并聯，分為左車輪電機和右車輪電機。電機驅動模塊采用的是L298N 兩路直流電機驅動模塊，正轉和反轉均可實現PWM（Pulse Width Modulation，脈沖寬度調制，簡稱PWM）調速。

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測，以確保實驗平臺的運行穩定。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，無須信號調理電路，只要在單片機主程序中調用相應的庫函數即可使用，相比于傳統的測溫模塊，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，上位機根據車速調整驅動電機的控制指令，以保證小車的行駛符合預期。車速傳感器采用的是碼盤脈沖計數器（一種槽型對射光電傳感器），由1 個紅外發光二極管和1 個NPN 型發光三極管組成，碼盤帶有20 個柵格，安裝于電機轉軸的另一側。電機旋轉，碼盤轉動，將紅外信號通過柵格間斷發送至對面接收端。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，通過相關代碼將電信號轉變成車速信息后傳遞給上位機。

6) 電壓監測。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測。通過單片機ESP32 中ADC（模擬數字轉換器）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。通過對應的程序將輸入的電信號進行轉換，計算出實際電壓值，將電壓值數據傳遞給上位機。

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，設計小車自動循跡行駛模式，使小車按照外部設定的路線進行運動。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將相關數據上傳至上位機LabVIEW，在LabVIEW 內部進行車速、轉向計算后，迅速向下位機輸出車速控制、轉向控制等指令，實現小車的循跡行駛。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，觸發傳感器高低電平的變化，檢測偏離程度。

2 電路設計

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 分別對應連接ESP32 的GPIO12、GPIO14、GPIO27、GPIO26、GPIO25 引腳。電壓、車速、溫度3 個監測模塊信號通道均為1 個，分別對應連接GPIO34、GPIO13、GPIO4 引腳。L298N 信號通道IN1、IN2、IN3、IN4 分別對應GPIO5、GPIO18、GPIO19、GPIO21，值得注意的是，驅動模塊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 系統軟件設計

3.1 系統主程序設計

智能小車實驗平臺工作流程為：電源開啟后，單片機調用內部WiFi 模塊，同時LabVIEW 也連接同一WiFi，小車進行數據初始化。初始化結束后，各模塊開始獨立工作，監測模塊將溫度、車速、電壓等信號通過WiFi上傳至上位機系統。同時，單片機準備接收上位機指令，選擇執行手動模式或自動模式。手動模式下，單片機執行上位機發送的電機驅動指令，包括轉向、車速；自動模式下，單片機調用循跡子程序。流程圖見圖4。

圖4 系統主程序流程圖

3.2 循跡子程序設計

循跡小車的行動狀態大致可分為直行、左轉和右轉3 種。根據傳感器返回的不同數值運行不同的循跡程序。在循跡程序中，采用PWM 調速控制左右兩側車輪轉速來實現轉向，具體控制策略如表1 所示。在循跡程序中，電平發生變化時，小車速度會下降并根據檢測到的情況進行轉向，達到直行條件后轉向結束。

表1 循跡程序控制策略

3.3 監測子程序設計

1) 溫度監測。在Arduino 的主程序中調用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，讀取多組數值，濾波，去掉最大值和最小值后取平均值，保存新的數值并上傳。溫度監測流程圖見圖5。

圖5 溫度監測流程圖

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

圖6 電壓監測流程圖

3) 車速監測。在Arduino 的主程序中定義車速傳感器的引腳為4，設定程序每秒計數一次，讀取柵格轉動產生的脈沖數，結合車輪直徑，計算出每秒車速，隨后脈沖數清零，重新計算下一秒車速。車速監測流程圖見圖7。

圖7 車速監測流程圖

3.4 LabVIEW 程序設計

LabVIEW 上位機主要功能為：①實時監測小車的車速、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，向下位機ESP32 發送命令，使小車實現一些指定動作，其中手動模式為關閉自動循跡功能，人工控制小車的轉向和車速；自動模式為開啟自動循跡功能，根據給定線路自行調整方向和車速。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網，一個基于車聯網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下，在上位機LabVIEW 的前面板中，輸入單片機ESP32 在該局域網下的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的動作。如圖11 所示，選擇自動模式，小車進入自動循跡狀態，小車沿黑線平穩運行，長時間運行的情況下未發生路線偏離，轉彎處可自行調整車速。

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 結語

本文設計的一種基于車聯網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，而是將復雜代碼寫入上位機LabVIEW 中，單片機中只保留基礎代碼，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，滿足了交通專業學生的學習任務需求，其中車聯網技術的應用能增加學生的學習興趣，自主調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用水平。