基于云端控制的智能現(xiàn)場無人運貨車設計

張粹玲 羅卓童 馬永華 林實宇 夏林路

（華北電力大學，北京102206）

0 引言

隨著大數(shù)據(jù)與智能時代的到來，越來越多的科技致力于解放勞動力，而在一些生產(chǎn)現(xiàn)場又或者是生活區(qū)域，人為作業(yè)仍然是運送貨物的主力軍。這種傳統(tǒng)的運送模式勞動強度大，消耗大量的人力、物力，甚至存在一定的危險性。

本款小車應用領域主要面向露天的現(xiàn)場，可用于電廠大型工業(yè)區(qū)、建筑施工區(qū)、集裝箱倉庫等。它可以通過實時反饋環(huán)境質量和現(xiàn)場情況以及判斷現(xiàn)場是否遇到事故情況，在選擇巡檢模式后，多臺設備配合作業(yè)，組成智能運輸網(wǎng)絡，完成現(xiàn)場的巡邏工作，效率高且不容易出現(xiàn)人為因素導致的失誤。

1 總體設計

小車實現(xiàn)原理是通過攝像頭和傳感設備進行多數(shù)據(jù)采集，再由GPRS模塊和工廠的控制中心互聯(lián)，遠程傳輸數(shù)據(jù)，最后云端完成對數(shù)據(jù)的控制與管理?？傮w設計由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳送、云端控制和貨物抬升四部分組成，功能規(guī)劃有數(shù)據(jù)采集和處理、電磁循跡導航、速度反饋控制、運輸模式智能化、智能識別障礙物并自動處理、云端控制。小車的設計框圖如圖1所示。

圖1 設計電路

2 硬件電路

2.1 主控單元——單片機STM32F407

主控模塊采用STM32F407，STM32系列是為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應用專門設計的，而STM32F407是STM32系列性能最優(yōu)越的一款，供電電壓范圍為3.3～4.4 V。其作用是控制傳感器采集數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到處理器上。

2.2 數(shù)據(jù)采集單元

在智能運貨車開始作業(yè)后，無論是運輸模式還是巡檢模式，一方面對車子的速度、所承重量等數(shù)據(jù)進行定時檢測和采集；另一方面，通過對環(huán)境數(shù)據(jù)的采集，以10 s為計時單位，反饋到后臺數(shù)據(jù)庫繪制成表或者曲線圖，再通過Web端反饋給作業(yè)人員，以便其直觀有效地判斷車子附近的環(huán)境或者現(xiàn)場情況，從而及時加以處理。

采集的數(shù)據(jù)有小車的速度、六合一傳感器的數(shù)據(jù)（其中包括溫度、濕度、CO2濃度、TVOC、甲醛濃度、PM2.5細顆粒物）以及道路前方是否有障礙物等。其中，小車速度通過編碼進行反饋并用FTM通道采集，編碼器讀取實際車輪轉速，與設定速度進行比較，然后用PID算法進行調(diào)整，以使速度達到設定值。

小車所使用的六合一傳感器工作電壓為DC（5±0.2）V。由于諸多生產(chǎn)現(xiàn)場對環(huán)境有著嚴格的要求，因此多種參數(shù)的檢測便于管理人員全方面地監(jiān)控，檢測參數(shù)的分辨率和測量范圍都有詳細的規(guī)定，通過RS485串口端接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。

超聲波模塊和紅外傳感器用于對行駛路面信息進行檢測，當在相鄰時間點兩次辨別前方有障礙物時，能夠做到及時減速到停止。之后通過啟動攝像頭設備或通知附近現(xiàn)場人員進而辨別情況，能夠在突發(fā)狀況發(fā)生之后做到及時最優(yōu)應對。

2.3 數(shù)據(jù)傳送單元——GPRS模塊

小車在現(xiàn)場工作，通過GPRS模塊和控制中心互聯(lián)，遠程傳輸數(shù)據(jù)，實現(xiàn)現(xiàn)場與控制中心的通信。選用的GPRS是SIMCon提供的SIM800C系列模塊，通過串口發(fā)送AT命令和數(shù)據(jù)實現(xiàn)通信功能，USB接口也可調(diào)試與軟件升級。

2.4 貨物運輸單元——升降臺

小車的貨物運輸部分安裝有一個可自由抬升且擋板可拆卸的升降臺，可實現(xiàn)多種模式的貨物傳送運輸。由于使用場合的改變，小車增添升降臺能夠移動集裝箱、中小汽車等，通過模式切換，做到運貨方式多樣化，即一車多用。

2.5 循跡單元——電磁軌道

由于眾多生產(chǎn)現(xiàn)場的路徑都有規(guī)劃規(guī)定，故本運輸小車采用電磁軌道循跡，檢測磁場信號轉換成電信號，并將其放大作為小車循跡的導航信號。小車可往返運行，不需要錄入復雜交通規(guī)則，利用露天施工現(xiàn)場運行交通線路閉合的特點，通過電磁循跡，使小車按指定線路運行，不會給其他施工人員造成困擾。

3 軟件設計

軟件設計是為了實現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳云端以達到遠程對現(xiàn)場情況實時監(jiān)測的目的，其中單片機控速以及小車運行狀態(tài)控制、數(shù)據(jù)傳送和處理、Web云端監(jiān)測部分都是通過軟件實現(xiàn)的。

3.1 小車控速以及運行狀態(tài)控制

通過單片機編程實現(xiàn)傳感器和其他設備的動作，由編碼器讀取速度然后與設定速度進行比較，做到對所遇狀況的感知、辨別、應對，包括速度讀取、差速調(diào)整、PID參數(shù)設置。由于小車在轉彎時左右輪速度不同，故需分別進行參數(shù)調(diào)整。

3.2 數(shù)據(jù)傳送和處理

將硬件傳感器的數(shù)據(jù)以10 s一次的頻率通過串口發(fā)送到服務器端，導入數(shù)據(jù)庫，后臺從服務器提出數(shù)據(jù)庫，將數(shù)據(jù)庫里的數(shù)據(jù)自動生成表，且將表鏈接到前端做到實時呈現(xiàn)。

如圖2所示，以CO2的檢測為例，由生成表可以得到濃度實時值以及做出趨勢預測，以供管理人員查看。

圖2 CO2指數(shù)繪表分析

3.3 Web前端開發(fā)

結合HTML和CSS，完成Web云端界面的設計，分為七個版塊——首頁、監(jiān)測預警、日常監(jiān)管、應急救援、安全知識庫、實景檢測、辦公輔助。在前端開發(fā)中，完成資料的整理，且增添鏈接和數(shù)據(jù)導入等串口，方便處理完的數(shù)據(jù)進行傳送呈現(xiàn)。

4 結語

本文介紹的小車由單片機、傳感模塊、GPRS模塊進行數(shù)據(jù)采集處理傳送，云端進行數(shù)據(jù)實時監(jiān)控和管理，可實現(xiàn)環(huán)境識別分析從而進行巡檢以及智能控速、電磁循跡、智能避障，擺脫了現(xiàn)場的限制。

經(jīng)過系統(tǒng)運行測試，在對運行參數(shù)進行設定后，小車可自主地啟動運行，并完成一系列數(shù)據(jù)上傳、路徑識別、貨物運輸功能。后臺人員也可通過簡潔的界面監(jiān)控小車行駛現(xiàn)場的狀態(tài)，并在小車遇到障礙物反饋時及時作出反應，操作簡便，節(jié)省了大量的人力、物力。

因為在當前的無人駕駛作業(yè)中，針對現(xiàn)場作業(yè)的研究成果很少，但無人駕駛是一個潮流趨勢，且使現(xiàn)場作業(yè)高效化也是當下的改進點，所以，智能現(xiàn)場無人運貨車具有廣闊的發(fā)展空間。