基于单片机的智能跟随箱包设计

夏梦琴 陈煜 周毛毛 张纪 赵玉荣

摘  要：行李箱是生活中被广泛使用的日用品，文章针对普通行李箱耗费体力的问题，对可跟随智能箱包进行研究，智能化普通的箱包，并对单片机在箱包中的应用加以分析。可自动跟随智能箱包以单片机为控制中心，运用GPS、蓝牙、PID控制等技术，能够实时检测和追踪运动中的目标，具有自动跟随、助力行走等功能，是一种新型智能箱包。其具有稳定性高、成本低、方便省力、实时性好等特点，具有一定的应用价值和市场前景。

关键词：自动跟随;GPS定位;蓝牙;PID控制

Abstract：Luggage is widely used in daily life as daily necessities. Aiming at the problem of ordinary luggage consuming physical strength，the following smart luggage is researched to make ordinary luggage intelligent，and the application of single-chip microcomputer in luggage is analyzed. The smart luggage can automatically follow the single-chip microcomputer as the control center，using the GPS，Bluetooth，PID control technology，can detect and track the target in motion in real time，have the functions of automatic follow，assist walking，etc.，is a new type of smart luggage. The luggage has the characteristics of high stability，low cost，convenience and labor saving，and good real-time performance. It has certain application value and market prospects.

Keywords：automatic following;GPS positioning;Bluetooth;PID control

0  引  言

隨着通信技术的发展，自动化、智能化已经成为研究热点。在日常生活中，长途旅行的人们通常需要携带大量行李，出行十分不便。传统行李箱的前进仅靠人为的推拉拖拽，易磨损，且容易丢失，通常会使人们感到十分疲劳。为了解决这个问题，本设计将单片机控制系统和GPS等技术相结合，能够实时检测并追踪移动目标，实现自动跟随，此外该箱包可自动提供动力，使用者仅需通过拉杆控制箱包运动，为使用者减轻大部分负担、节省体力，在生产生活中具有一定的使用价值。

1  智能行李箱的工作原理

智能箱包与普通箱包不同，研究难点在于如何准确地定位目标位置，在箱包与目标之间建立实时稳定的通信。关键问题在于箱包接收到目标的位置坐标后，如何根据自身的位置坐标信息和目标位置信息，设计出合理的最优路径，完成有效准确的自动跟随。

本项目采用定位模块、无线通信模块实时接收和发送目标位置，箱包可以得到目标的实时位置，根据目标坐标位置与自身坐标位置信息进行科学的计算，判断目标的方向及目标与箱包之间的距离，实现智能箱包对目标的实时跟随。同时在拉杆上设置速度档位，实现对使用者的助力;此外还有避障模块，箱包在自主跟随过程中如若遇到障碍物，可自动避开障碍物，避免智能箱包与障碍物之间发生碰撞，造成磨损，或发生一些不安全的事件。

2  智能跟随箱包的主要技术

智能跟随箱包的研究主要包括四大技术：GPS（Global Positioning System）定位技术、蓝牙无线通信技术、PID控制技术和红外避障技术。

2.1  GPS定位技术

定位的方式多种多样，如采用SLAM与多传感器相结合的方式精度较高，缺点是成本高、效率较低;或者采用图像定位和需在地面贴上磁条的磁导航定位，但这两种定位方式的精度不高。随着GPS技术在各个领域的广泛应用，GPS系统起到了至关紧要的作用，为提高人类的生活质量做出了重要的贡献。GPS模块的工作原理：首先由天线获取卫星信号，之后对获取的卫星信号进行各种变化和处理，从而实现对卫星的跟踪;再根据传播的速度与时间，较为准确地定位天线的位置。用户可以通过输入和输出的接口，采取异步串行的通信方式与GPS接收模块交换信息，获得最优的定位结果。GPS主要由卫星模块、监控模块、接收模块三部分组成。卫星模块主要作用是定位信号，监控模块主要用于检测卫星的运行状态，接收模块用来收集GPS的信号。GPS接收模块结构图如图1所示。

2.2  蓝牙无线通信技术

采用蓝牙技术可以使箱包与手机通过蓝牙进行配对，为每个箱包识别特定的1个主人或多个主人;其通过接收到的信号判断箱包与主人之间的距离。蓝牙连接的范围在8米内较为稳定，蓝牙技术是无线通信技术发展的重点，本设计选用的蓝牙模块支持UART、USB、SPI等接口，此模块具有成本低、体积小、功耗低、收发灵敏度高等优点，适合移动设备和便携设备，可以快速地完成短距离间数据+的无线传输。蓝牙模块电路图如图2所示。

2.3  PID控制技术

PID（Proportion Integral Differential）是工业中常用的控制器，PID调节中P表示比例、I表示积分、D表示微分，根据输入的偏差值，计算比例、微积分一系列的数学函数变化，得到最终的输出结果。通过PID调节电机转速，可以控制箱包移动的速度、转向等。经典的PID控制技术稳定性较高，应用广泛。PID控制模块电路图如图3所示。

2.4  红外避障技术

应用红外避障技术的行李箱自带红外探测器，可检测前方障碍物，并快速处理红外检测装置以及信号接收器的输入结果，通过系统分析后，可实现对两部电机的实时控制，如前进、后退、停止等。

3  系统硬件设计

单片机最小系统是控制整个电路的核心，是能使单片机工作的最小硬件单元。本设计的最小系统电路包含必备的内部时钟方式的时钟电路、按键复位电路，另外还增加了液晶显示接口等电路，支持功耗较低时的两种节电工作模式，即空闲模式和掉电保持模式，同时还可实现掉电模式下的中断恢复功能。

根据总体的设计方案，基于单片机的智能跟随箱包，其硬件电路设计主要包括GPS模块、蓝牙模块、PID控制模块、红外避障模块、控制芯片STC89C52单片机、报警模块和液晶显示模块、电源模块、复位模块组成。其硬件总体结构框图如图4所示。

报警器模块设计包括二氧化锡蜂鸣器、电阻、传感器和PNP驱动程序构成，该电路蜂鸣器对低电平有效，通过电阻和PNP型三极管进行驱动。当P1.0引脚为低电平时，蜂鸣器就会报警。当主人与智能箱包的距离超过设定的阈值时，会收到一个低电平信号，此时蜂鸣器发出报警声，表示此时箱包与主人距离较远，超出之前设定的安全距离。障碍物通常分为两大類，一种是固定障碍物，如机场、汽车站、火车站内的咨询台、椅子、柱子、商铺等，其位置是不发生变化的，智能跟随箱包能有效避开;另一种是移动障碍物具有突发性和随机性，例如突然闯入的行人，智能箱包对其无法做到100%避开。如果智能跟随箱包与障碍物发生碰撞，此时蜂鸣器也会发出警报，提醒主人注意安全。

液晶显示模块采用LCD1602，显示屏内部的字符发生存储器（CGROM）集成了一百多个常见的字符，可根据的其位置进行访问调用，控制简单。该智能箱包可选用2.8寸的TFT液晶屏，其带有触摸功能，分辨率320*240、16位色显示支持，比较美观、清晰度高，其工作电压是3.3 V或者5 V。根据用户的需求，液晶屏会显示一些用户所需的信息，如当前的电量、智能跟随箱包与目标之间的实时距离，智能箱包当前的运动速度等。此外LCD1602的功能齐全，可以提供各种控制命令。

复位模块的基本作用是使智能箱包恢复到默认的初始状态。复位控制的方法多种多样，如电容是一种记忆性的元件，采用换路定律，即利用电容上的电压不能突变这一特性，可将电容与电阻串联。在刚刚开始上电的时刻，假设上电前0-时刻电容上的电压为0;在上电的一瞬间，即上电后0+时刻电容上的电压仍为0，此时所有上电的电压全部施加到电阻上，产生一个高电平复位信号，使其恢复到初始状态。

根据实际中所需的模块考虑，本设计适宜采用直流电压源直接供电，采用低压供电的主要原因是能使智能箱包在整个使用过程中更加安全、可靠。

主程序的作用就是实现系统的基本功能，包括系统的复位模块、定位模块、蓝牙模块、电源模块、液晶显示模块及报警模块等。单片机的复位电路设计的科学性、合理性直接影响着整个箱包系统的有效性和可靠性。本设计的主程序流程图如图5所示。

4  设计效果

笔者设计完成的智能跟随箱包以单片机STC89C52为控制核心，具有蓝牙模块、GPS模块、液晶显示模块等，智能跟随箱包框架模型图如图6所示。

5  结  论

本设计是以智能跟随为核心，通过GPS定位技术、PID控制等技术实现自动跟随、助力行走功能，通过过蓝牙技术实现人与箱包之间短距离的通信，同时配有报警防丢失的功能，为人们的安全、轻便出行提供保障。该智能跟随箱包的智能化及人性化设计，具有非常广阔的市场前景。

智能箱包为人们的出行提供了方便，但仍存在较大的改进空间。

（1）智能箱包与目标之间的通信，除了使用蓝牙模块，可考虑采用其他无线通信方式，如Wi-Fi模块，增加传输的有效距离，实现箱包与目标之间较长距离的可靠通信。

（2）要使箱包更加准确地跟随目标，需优化跟随的算法，这将是智能跟随箱包进一步设计和研究的重点和难点。

参考文献：

[1] 焦蔚然.可自动跟随的智能箱包的概念与设计 [J].电子技术与软件工程，2018（4）：248.

[2] 景建斌，张云龙.基于DW1000的自动跟随购物车系统 [J].中国科技信息，2019（7）：90-91+93.

[3] 王馨婧，高阳洋，焦悦.智能行李箱的研究 [J].科技风，2019（8）：7.

作者简介：夏梦琴（1990.11—），女，汉族，安徽六安人，教师，助教，硕士研究生，研究方向：信号与信息处理。