基于STM32单片机的智能行李箱设计和实现

姚佳逸，朱海霞，傅忠云，郭鑫宸

（南京航空航天大学 金城学院，江苏 南京 211156）

0 引言

随着时代发展，交通手段日渐发达，人们日常出行的距离和次数增多起来，在生活 中，沉重的行李箱在上楼梯是也是一大阻碍，针对各种物体的上楼梯的设计也是层出不穷，王涛等［1］研究分析了星轮在轮椅上梯方面的可行性，设计的星轮结构能够在爬楼时不发生倾翻，具有乘坐安全和爬楼稳定的优点。同时，对于智能行李箱所必需的定位和判断技术也日渐发达。田宇沃等［2］基于OpenCV的智能行李箱设计以传统的行李箱为模型进行了优化，通过摄像头从外界获取图像，通过设计与控制使行李箱更加的稳定安全，并且更具有市场应用价值。本文基于用户对于身边物品智能化、联网化的需求，设计了基于STM32的智能行李箱，其集成了UWB模块、电机驱动模块等，能够有效减轻用户的负担。行李箱包括了电机驱动电路、STM32控制电路、UWB模块电路等。为STM32单片机和UWB技术在实际生活的应用提供了参考。

1 系统总体设计

智能行李箱的系统如图1所示，主要是由行李箱上的控制系统和用户携带的UWB发射模块构成。行李箱以STM32单片机为主控，包括了电机驱动电路、STM32控制电路、UWB模块电路等。在软件上，可以分区块、模块化的编写程序，其中包括电机控制程序、初始化子程序、SPI通讯程序。UWB模块是基于DWM1000模块自主设计的拓展板，控制系统选用STM32F103。智能行李箱的控制流程如下，由用户UWB发射模块发射信号，基站0和基站1接收到信号后，将时延数据传输给STM32的控制板，控制板将时延数据转换成距离信息，滤波后计算得出位置信息和角度信息。之后STM32控制板通过PID控制，调整行李箱的朝向和速度，使其自动跟随使用者。

图1 智能行李箱系统

2 行李箱控制系统硬件电路设计

系统硬件主要包括MCU主控单元、电源管理单元、电机驱动单元和基站通讯模块等。

MCU主控单元为系统硬件电路的核心，由基于Cortex-M3开发的STM32F103及其最小系统构成，具有控制UWB基站、电机驱动单元、陀螺仪单元等外围设备的功能，从而实现智能人性化的功能。电源管理模块主要由LM2596降压稳压芯片设计而成的开关电源和AMS11717组成的线性稳压电源组成，电路原理如图2所示。电源输入由行李箱的12 V电池提供，经DCDC开关电源转换后输出5 V供电，经AMS1117芯片线性稳压后输出3 V供电，为MCU、UWB基站和陀螺仪等供电。

图2 电源管理模块原理

电机驱动模块采用低电阻大电流大功率的TPH1R403NL MOS管组成双H桥驱动电机，原理如图3所示。H桥驱动电机的方式是通过控制H桥的上下MOS管的导通实现的。首先，左半H桥上管的栅极被驱动芯片拉高至导通电压，随后左半桥上管导通，与此同时，右半H桥下管的被电机驱动芯片拉高至导通，此时，VM和GND之间经由电机(可被视作电感）导通，形成极大的导通电流，驱动电机正向运行，随后电机驱动芯片将左上管的栅极拉低，避免左半桥的上下半桥导通形成巨大的短路电流烧毁MOS管。最后，拉低右半桥的下管，结束一个周期的工作。

图3 电机驱动电路

陀螺仪模块由MPU6050芯片及其外围电路组成，STM32单片机通过IIC总线读取MPU6050获取的数据，滤波后通过PID算法控制智能行李箱的姿态［4］。

3 UWB定位测距功能设计

基于UWB定位测距模块的性能需求，行李箱采用了STM32F103作为核心控制芯片和处理芯片，并且根据智能行李箱的功能需求，将UWB模块的所获取的时延信息转换成距离数据，通过SPI总线与单片机通信，由STM32进行数据处理和分析。

本设计利用UWB定位主要使用的是TOA(Time of Arrival）定位方法［3］，TOA是一种双向测距，主流TOA测距中有两种不同的方法，分别是SS-TWR(Sing Side-Two Way Ranging）和DS-TWR(Double Side-Two Way Ranging），飞行时间乘以光速即为两个设备间的距离。由于设备之间使用的是独立的时钟源，具有一定的误差，而SS-TWR无法避免这种误差，所以本文采用改进的DS-TWR测距方式。DS-TWR是基于SS-TWR之上增加了一次通信，最大的测距误差仅在毫米级别，测距流程如图4所示。

图4 DS-TWR测距流程

根据这个流程，DS-TWR的距离公式为：

rud1＝rpy1＋2prp；

rud2＝rpy2＋2prp；

rud1＝4－1

rud2＝6－3

最终得出：

prp＝(4－1－3＋2）／2

prp＝(6－3－5＋4）／2

4 测距数据的处理，以及角度信息的计算

在定位系统获取完距离数据之后，就可以获得基站0和基站1分别与标签之间的距离，本文采用了中值滤波的方式，多次采样距离数据，得出滤波后的距离数据，减少了误差和干扰但滤波的数据量不宜太多，否则会造成行李箱的反应迟缓。

如图5所示，测距完成之后可以获知，基站0、基站1与标签之间的距离，由于基站0和基站1之间的距离是固定的，通过余弦定理和反三角函数就可以求出以基站为顶点，ac为边的角度，求补角既可以获取行李箱和用户的角度信息。

图5 通过距离数据获得方位示意

5 行李箱结构设计

本设计考虑到用户的需求，采用了履带结构，增强了行李箱的爬梯能力，同时，针对一些坡度过大的楼梯，或者楼梯过于陡峭，可以采用了三星轮的结构，能够在行李箱无法自动爬梯的情况下让用户自己拉拽行李箱，同时，履带结构也可以帮助用户拖拽(见图6）。

图6 行李箱实际结构

6 结语

本设计以STM32F103微控制器为核心，结合UWB测距技术，设计了一种智能跟踪的行李箱。行李箱能够自动跟随用户，减少了用户拖拽的压力，同时，辅助上楼梯的装置也减少了用户爬梯的困难。该行李箱具有良好的便携性和智能性，大大减少了外出所带来的行李麻烦。