基于雾霾溯源的自循迹智能车的路径控制系统设计

□孙佰全 钱学明

一、引言

近年来，随着社会经济的快速发展，深度工业化带来的是空气质量不断恶化。我国中东部地区相继出现大范围雾霾天气，对城市的安全运营和百姓的日常生活造成了严重影响。

目前，雾霾监测的主要方法有β射线法、光散射法以及微量振荡天平法等。兰冰芯等[1]采用MSP430F149单片机，借助GP2Y1010AU0F光学空气质量传感器设计了PM2.5测试仪。沈行良等[2]采用STM32系统板和PMS5003雾霾传感器设计了大气动态雾霾检测系统，同时利用GPRS将雾霾测量数据传送到云端服务器。任鑫等[3]基于S1216F8-BD的GPS定位模块，采用STM32和PM2.5传感器YW_51GJ，设计了具有定位功能的PM2.5检测系统。

随着嵌入式技术的突飞猛进，具有传感器-执行器的智能车逐渐成为雾霾监测的主要工具[4～5]。其导航方式主要有光电反射、机器视觉以及GPS等。本文拟设计通过感知雾霾浓度自循迹的智能车控制系统，其方向朝雾霾浓度升高处运动。到达雾霾源后，智能车启动执行器驱散雾霾。

二、系统总体设计

基于雾霾溯源的智能车系统，主要包括雾霾数据采集模块、MCU模块、防碰撞模块、执行器模块四个部分。如图1所示。

三、系统硬件设计

(一)雾霾数据采集模块。雾霾数据采集模块，采用灰尘传感器GP2Y1010AU0F，是整个系统的循迹部分。该设备能够有效地检测到像香烟烟雾等非常细的粒子。另外，它可以通过脉冲模拟输出区分房子内的烟雾和灰尘。系统接通电源后，灰尘传感器在1秒内即能稳定、正常的工作，采集雾霾数据，并反馈给MCU进行处理。

图1 系统原理框图

图2 雾霾数据采集模块电路

此外，在该模块中还加入了LCD1602液晶显示屏和提示音模块。LCD1602是一种工业字符型液晶，工作电压只需3.3V，微功耗、体积小且能够同时显示32个字符，用以实时显示雾霾浓度。提示音模块采用蜂鸣器实现警示提醒。当雾霾浓度超过一定阈值时，蜂鸣器发出声光报警。

(二)MCU模块。智能车的核心板采用STM32F103RCT6。它是一种32位带FLASH的嵌入式-微控制器集成电路。工作电压2V～3.6V，LQFP小型封装使得电路设计更小、功耗更低。晶振电路由一个8MHz的晶振、两个30pF电容以及一个1M电阻组成。复位电路采用按键复位。两个稳压芯片AMS1117-3.3，一个用于DC插座供电，另一个用于USB供电。

(三)防碰撞模块。由于红外线穿透云雾能力较强，因而采用红外避障。防碰撞模块具有一对红外发射和接收管。发射管发出一定频率的红外线，遇到障碍物后，反射回来被接收管接收，经过LM393处理后，可以探测距离，且干扰较小。如图3所示。

图3 红外避障电路

(四)执行机构模块。当智能车循迹雾霾浓度来到源点后，随即打开执行器，例如喷洒化学制剂消解雾霾，或是打开风扇吹散雾霾等。

四、系统软件设计

本系统在软件环境Keil 5中采用C语言编写。程序首先系统初始化，主要包括STM32F103RCT6初始化，串口初始化、I/O初始化等。

(一)雾霾采集模块的程序设计。雾霾采集程序中通过灰尘传感器获取雾霾数据，经过AD模数转换，计算智能车所在位置的雾霾浓度，在LCD液晶显示屏上实时显示。同时，程序将根据预先设定的雾霾浓度危害上限阈值对该位置雾霾浓度是否超标进行判断。若该位置雾霾浓度超过阈值，则蜂鸣报警。反之，则继续循环。如图4所示。

图4 雾霾采集程序流程图图5 智能车路径控制程序流程图

五、结语

本文基于雾霾溯源设计了自循迹智能车路径控制系统。通过选用灰尘传感器获取雾霾数据，其浓度实时显示在LCD液晶显示屏，同时智能车循迹雾霾扩散环境，考虑雾霾扩散源定位算法，在基于观测状态的反馈控制策略下，实现了智能车自主循迹前往雾霾浓度最高处的路径控制，进而在雾霾扩散源启动执行器驱散雾霾。