基于STM32 的多功能智能感知魔方系统设计

焦 鹏,邓正万,姚 瑶

(江苏商贸职业学院,江苏 南通 226000)

0 引言

智能感知是通过各类传感器对认知环境和对象属性进行有效的信息获取、处理和理解,是智能机器人、无人机、无人平台、智能驾驶、智能环境监测、公共安防、生化监测等应用系统的基础[1]。 本课题研究旨在应对面向复杂、海量、贫弱信息的感知,推动智能感知技术的创新发展,催生众多自动化、多功能、自供能、可重构、自适应以及存算一体、感知一体、知行一体的新概念“魔方”技术方案,促进实现智能社会的万物感知、万物互联、万物智能。

1 系统总体设计方案

魔方本体采用层叠设计,包括魔方支架以及安装在魔方支架上的STM32 的总控单元、各传感器模块和太阳能供电单元[2],多功能智能感知魔方系统如图1所示。

图1 多功能智能感知魔方系统控制

其中,STM32 的总控单元位于魔方支架上,包括主控模块、通信模块、信号处理模块。 主控模块对信号进行存储记录,将信息通过通信模块发送给用户终端;信号处理模块在各种传感器获取相应信息后,进行数据处理,并将信号传输给主控模块。

传感器模块包括OV5640 图像采集模块、陀螺仪模块、北斗模块、红外测温传感器、热成像传感器、压力传感器、温度传感器、湿度传感器、震动传感器、声响传感器和磁性传感器,各传感器以标准模块的形式安装在魔方支架上,魔方支架有内嵌接口与主控单元连接,模块上有USB 接口直接插接[3]。

太阳能供电单元用于给整个多功能智能感知魔方系统提供电源,太阳能电池板在魔方的6 个面中心都有一块,确保魔方在外部环境中,在有日照的情况下,处于任何位置放置,都能够接收到光照。

2 系统硬件设计

2.1 STM32F103VCT6 的最小系统

STM32F103VCT6 单片机作为系统的控制核心,外围有复位电路、晶振电路、电源电路、仿真接口、程序烧录接口等,如图2 所示为STM32F103VCT6 的最小系统。

图2 STM32F103VCT6 的最小系统

2.2 太阳能电池板

本系统的智能魔方的供电,采用高效率太阳能发电装置及内部配置锂电池系统,太阳能电池板采用钢化玻璃封装,优点是结实、防冰雹冲击、防水、防震和使用寿命长。

2.3 北斗模块的设计

本系统采用的北斗芯片是和芯星通的 UC6228CI,具备导航定位和通信数传两大功能,28 nm 工艺,采用PMU 设计,兼具超低功耗和极致小型化的特点,支持BDS,GPS,GLONASS,Galileo,可多系统联合定位,高集成度的设计节省了外围器件及板上面积。 如图3 所示,UC6228CI 外部采用独立LDO 给TCXO 供电,外接LNA 和SAW 滤波器,RTC 晶振,UART 用于加载FW 及通信接口,在设计中,为防止串电导致芯片工作异常,串接了防串电电阻。

图3 北斗模块

2.4 其他传感器模块的设计

本系统通信模块采用的是LoRa 通信模块。 LoRa是一种基于扩频技术的远距离无线传输技术,因其低功耗、深度覆盖、容易部署等优势,适用于要求功耗低、距离远、大量连接以及定位跟踪等物联网应用,如智能抄表、智慧停车、车辆追踪、宠物跟踪、智慧农业、智慧工业、智慧城市、智慧社区等应用和领域。

图像传感器是摄像头的核心部件,本系统采用了双摄像头,摄像头的图像传感器是型号为OV5640 的CMOS 类型数字图像传感器。 OV5640 模块采用的是OmniVIsion 公司生产的一款高清摄像头模组,采用1.4 um OmniBSI 背光照明技术,720 P/60 HD 视频可捕捉2 x 2 图像读出模式的全视场。

本系统的陀螺仪模块采用的是MPU6050 陀螺仪芯片。 MPU6050 俗称六轴陀螺仪,XYZ 三轴的倾斜角度和三轴方向的加速度。 模块内部自带稳压电路,可兼容3.3 V/5 V 的供电电压,采用先进的数字滤波技术,提高精度的同时抑制了测量噪声。

红外测温传感器模块为MLX90640,是工业标准并经过完全校准的32×24 像素热红外阵列传感器,包含768 个热红外像素点,共有4 个引脚,两个3.3 V 电源供电,两个I2C 通信接口,I2C 支持最高1.2 MHz 的通信速率。

热成像传感器可以探测物体辐射的红外线,在夜间环境下,普通摄像头难以发挥监测探测作用,此时利用红外热成像系统可以提高夜间探测能力,弥补普通摄像头的缺陷。 采用高精度MEMS 压力传感器将外界压力信号转换为电信号,结合算法实现外部压力勘测,协助北斗导航模块实现海拔位置估计,传感器经过温度补偿后精度高、响应速度快、不受温度影响,具有较广的应用范围。 本系统采用非接触式温度传感器,可探测部署区域温度,结合魔方处理单元实现温度场的全时域温度分布记录与绘制,测温上限高,分辨率高,适用于多种复杂环境。 湿度传感器可有效探测环境湿度,在野外丛林、极端环境下可发挥极大辅助作用,可以利用算法对传感器进行温度补偿,提高结果的精确度。 震动传感器主要探测各类武装车辆、人员在运动中产生的地震信号,探测距离较远,灵敏度高,功耗低。声响传感器以电子模拟信号为输出信号,一般与振动传感器配套使用,由震动传感器探测到目标后再触发声响传感器进行复核探测,提高检测效率,可以判定车辆种类,探测直升机及低空飞行物情况。 磁性传感器为一个磁性探头,工作时周围会建立一个静磁场,当铁磁金属进入静磁场时,就会扰动原来磁场,由磁场的变化产生电信号输出,从而实现对目标的探测,主要用于判断监测目标的运动方向和运动轨迹。

3 系统软件设计

系统运行时,先要建立上位机交互界面与目标智能魔方的LoRa 连接,然后进行系统各部分的初始化。检测锂电池电量是否正常,如果不正常,检测太阳能发电装置是否正常,不正常上报上位机;正常,则启动北斗模块,进行目标智能魔方的定位,启动摄像头,拍摄周围环境并上传图像。 之后,启动各传感器,进行数据的采集,系统将采集到的数据上传,上位机对接收到的数据进行存储和分析[4]。系统软件流程如图4所示。

图4 系统软件流程

4 实时监测平台的设计

实时监测平台界面如图5 所示,界面运用Visual Studio 2019 开发平台,基于C#语言开发[5],可以实时根据智能感知魔方的IP 地址与其连接。 成功连接后,运用LoRa 的智能组网,通过北斗模块可以获取目标魔方的位置信息,开始摄像头可以获取周围环境的图像信息,读取魔方锂电池的电量,实时监测电量,并通过其他传感器获取各种信息。

图5 实时监测平台界面

5 结语

实验验证,本课题设计的多功能智能感知魔方可由人员携带或者无人机将其投放到预定地点,相比其它传统侦察系统和装备,主要有以下优点[6]:(1)全域信息获取和融合处理。 运用各类传感器对任务区域内所有目标进行感知,对采集到的图片进行优化处理,输出标准图像或视频信号,实现昼夜全时域、全方位获取信息。 (2)实时传输与分发。 利用无线宽带数据传输模块,实现魔方之间点对点、点对多点传输数据,实现2～20 km 远距离、2 Mbps～20 Mbps 高带宽信号的传输。 (3)自适应能力。 魔方具有极强的抗过载和抗干扰能力,体积小,构件强度高。 (4)自供电功能。 配置高效率太阳能发电装置,利用光角独立性以及高转换效率,实现较高的功率重量比。