基于GSM/GPS的遥控小车平台设计与实现

景 蕾

(咸阳职业技术学院，陕西 咸阳 712000)

0 引言

随着微机电系统、新传感器技术、物联网技术的快速发展，智能小车的应用面逐渐拓宽。智能排爆、物流分拣、电力巡线等行业出现了可替代人工作业的智能小车[1]。原始的一对一人车系统逐渐不能满足系统级的工作需求，不利于系统级管控。本文从这一点出发，完成了一款基于GSM/GPS的遥控小车[2-3]，在小车平台上，增加了通信定位模块，通过控制遥控器的拨码开关，实现定位信息的发送，具有良好的应用前景。此外，小车平台还可进行功能扩展，根据具体技术要求，搭载其他测试设备，如火焰传感器、小型机械臂、图像识别系统等，实现相关设计需要。本设计具备较好的参考价值。

1 ARDUINO平台

Arduino是一款硬件资源丰富的开源硬件平台。一般分为硬件(各种型号的Arduino板)和软件(Arduino IDE)两部分。Arduino硬件家族包括Arduino UNO，Arduino Leonardo，Arduino101(Curie)，Arduino NANO，Arduino MEGA等，每一款硬件平台在板上资源、性能、可扩展性上存在不同。本文选用Arduino MEGA作为主控开发板。该开发板有54路数字输入/输出引脚(其中15路可以用作PWM输出)、16路模拟输入、4个UART(硬件串口)、1个16 MHz的晶振、1个USB接口、1个电源接头、ICSP接口以及复位按钮。具有存储空间较大(8 KB SRAM， 4KB EEPROM，256 KB FLASH)，硬件串口多、IO端口多等特点。综上所述，MEGA板可以满足小车系统设计需求。

Arduino IDE软件基于processing IDE开发。操作界面简单，灵活性强。Arduino语言基于wiring语言开发，是对 avr-gcc库的二次封装，不需要过多研究底层函数实现方法，在掌握各类标准库和顶层函数的使用方法后，即可上手使用。

2 系统框架

该智能小车基于Arduino软硬件平台，但是和普通Arduino小车只是让小车动起来不同，在主控芯片中植入了通信和定位程序，在小车遥控运行的同时，可以通过操作者的控制，实现定位信息的发送[4]。小车的整体系统框架划分为：主控部分、小车车体部分、小车动力部分(电池、电机及其控制电路)、通信/定位部分、遥控部分。

2.1 车体部分

小车部分包括车体和动力两部分。小车车体主要材料为塑料，具有一定的使用强度。搭载4只直流减速电机，该电机方向性好，四轮驱动，动力充沛。每只电机工作电流100 mA左右，工作电压3～6 V，最快速度为48 m/min。

2.2 主控部分

智能车配备了ATmega2560 单片机 的 Arduino MEGA开发板作为主控板。主控部分的功能包括：采用2.4 GHz通信方式处理遥控信号，实现智能车的远程控制。自动避障模块使用超声波距离传感器，当智能车前方出现无法跨越的障碍时，自动避障模块会触发主控板的自动避障功能。在基本遥控基础上，加入GSM通信模块，在获取定位信息后，通过遥控器开关的控制，实现经纬度信息的发送。

2.3 动力部分

动力部分包括航模用3S电池，满电压12.5 V左右，使用L298N电机驱动板驱动小车运动。L298N作为主控芯片，有驱动能力强、发热量低、抗干扰能力强等特点，工作电压最高可达48 V，可便于采用各类型号锂电池供电；输出电流瞬间峰值达到3 A，持续工作电流为2 A，额定功率25 W，功耗在允许范围内，足以满足驱动小车电机。内部采用标准的逻辑电平控制信号，具有两个使能端，两个端口独立工作，互不干扰，使得小车控制抗干扰性增强。

L298N电机驱动板模块共包含6个引脚：IN1，IN2，IN3，IN4，ENA，ENB。其中IN1，IN2为一组，IN3，IN4为一组，共两组。小车的4路电机，同一侧的两路电机并联，共两组，分别对应IN1～IN4进行控制。IN1，IN2，IN3，IN4既可以控制电机的转速，也可以控制电机的方向，通过软件的输出实现实际控制。ENA与IN1，IN2一组，实现这一路电机的开关，同理ENB与IN3，IN4一组。本文用MEGA的数字引脚4，5，6，7接L298N模块的IN1，IN3，IN4，IN2。用数字引脚9，10接ENA和ENB。

图1 L298N电机驱动板模块

2.4 遥控部分

遥控器采用9通道AT09S，其通信系统采用抗干扰最强的DSSS(直接序列扩频系统)，在复杂环境下性能优异。人机交互界面简洁，油门通道可编程，可设置符合操作习惯的使用方式。具有低电压报警、空旷场地遥控距离500米以上等优势。

2.5 通信/定位部分

定位采用AI-Thinker的A7模块，支持GSM通信、GPRS数据业务、语音通话和GPS位置信息。定位信息使用国际标准NMEA-0183协议。

NMEA协议[6]是为了在不同的GPS导航设备中建立统一的RTCM(海事无线电技术委员会)标准，它最初是由美国国家海洋电子协会(NMEA—The NationalMarine Electronics Association)制定的。符合NMEAO183标准的GPS接收机的硬件接口能够兼容计算机的RS-232C协议串口，在实际使用中，如果只是接收GPS的输出，则只需两根信号线 GPS数据输出线和信号地线，可以直接将EIA-422输出通道两条信号线的中一条同计算机的Rs232C输入线相连。NMEA通信协议所规定的通信语句都是以ASCII码为基础的，NMEA-0183协议语句的数据格式如下：“$”为语句起始标志；“，”为域分隔符；“ *”为校验和识别符，其后面的两位数为校验和，代表了“$”和“*”之间所有字符的按位异或值(不包括这两个字符)；“/”为终止符，所有的语句必须以来结束，也就是ASCII 字符的“回车”(十六进制的0D)和“换行”(十六进制的0A)。输出何种语句，可以对定位模块进行相应的配置。

3 软件设计

系统上电后主要完成GPS，GPRS模块的初始化设置，包括波特率设置、工作状态检测两项任务。本文设计的波特率为9 600 bps。系统初始化成功后，进入小车控制程序，通过遥控器开关状态的改变来实现数据的传输。

3.1 初始化程序

void setup() {

DebugSerial.begin(9600);

GprsSerail.begin(9600);

GpsSerial.begin(9600);

Timer1.initialize(1000);

Timer1.attachInterrupt(Timer1_handler);

initGprs(); //初始化模块

clrGprsRxBuffer();

}

3.2 GPS位置信息解析程序

switch (i)

{

case 1: memcpy(Save_Data.UTCTime, subString, subStringNext - subString); break; //获取UTC时间

case 2: memcpy(usefullBuffer, subString, subStringNext - subString); break; //获取UTC时间

case 3: memcpy(Save_Data.latitude, subString, subStringNext - subString); break; //获取纬度信息

case 4: memcpy(Save_Data.N_S, subString, subStringNext - subString); break; //获取N/S

case 5: memcpy(Save_Data.longitude, subString, subStringNext - subString); break; //获取纬度信息

case 6: memcpy(Save_Data.E_W, subString, subStringNext - subString); break; //获取E/W

default: break;

}

3.3 小车控制程序(部分代码示例)

控制信号的获取使用MEGA的A0，A1，A2端口，通过使用PulseIn()函数[5]获取高电平时间，可准确地得到遥控器的控制信号大小，实现精确控制。

CH1 = pulseIn(A0, HIGH);

CH2 = pulseIn(A1, HIGH);

3.4 GSM程序

GSM程序主要包括模块的初始化、各部分状态检测，如果通信条件检测准备好，可以进行通信。

void initGprs()

{

if (sendCommand("AT+RST ", "OK ", 3000, 10) == Success);

else errorLog(1);

if (sendCommand("AT ", "OK ", 3000, 10) == Success);

else errorLog(2);

delay(10);

if (sendCommand("AT+GPS=1 ","OK ", 1000, 10) == Success);

else errorLog(3);

delay(10);

…

}

4 实际测试

在进行了软、硬件设计、模拟运行后，对小车进行了实际测试。首先对小车上电预热，各种指示灯正常。预热成功后，手机端收到了小车发来的开始信号，表明可以对小车进行操控。开始信号接收之前小车不允许操控。随后拨动预设好的位置信息发送开关，手机成功收到了该信息。测试结果满足设计要求。

5 结语

本文设计的视频监控智能车经软硬件调试后，能够实现自动避障、无线遥控操作、定位信息获取等实用功能。由于GSM在移动网络覆盖面下，均可实现通信。目前该智能车有待进一步探讨的问题有：(1)目前使用的遥控器遥控距离还可以加大，配置性能更加优异的遥控器可实现更远的作业距离；(2)智能车的车体本身越障能力有限，缺乏复杂地形的实际应用，系统稳定性和实用性有待进一步提高。在现有的基础上，智能车有望在进一步强化结构、提高稳定性以及移植到飞行器、水面移动作业平台等，实现更加广泛的应用。