基于AndroidArduino平台的智能引路系统的设计和实现毕业设计论文Word格式文档下载.docx
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Throughtheanalysisofpeopleaftertheactualdemandoftheintelligentguidesystem,thedesigntechniqueofthepaperhasfinallyselectedArduinoandAndroidplatformtechnologyforthedesignofthesupport,onthisbasisviaBluetoothimplementationofboththeinformationtransferandinterconnection,designasetofintelligentguidesystem.Thesystemdesignmainlyincludestheoveralldesign,theArduinodesignandtheAndroidplatformsoftwaredesign,thesoftwareisbasedontheJavaprogramminglanguagetocarryonthecompilation,finallythroughthetestverifiedthesystemdesignthelimitationandthepracticality.Thesysteminasetofhardwareandsoftwaredesignofsynergisticeffectcanbeachievedunderthedrivingofintelligentguide,includingsteering,ranginganddetectingandintelligentfunctions,greatlyfacilitatethepeople'
sdailytrafficactivity.
Keywords:
Android/Arduino;
intelligentguidesystem;
designandImplementation
目录
摘要PAGEREF_Toc273651
Abstract2
目录3
1.绪论5
1.1本设计的研究背景及意义5
1.1.1无线通信技术发展5
1.1.2硬件平台简介6
1.1.3手机操作系统介绍7
1.1.4研究意义9
1.2研究内容与安排10
2.总体设计与相关技术11
2.1总体设计方案11
2.2.1总体设计框架11
2.1.2系统的功能及管理12
2.2相关技术13
2.2.1Arduino平台13
2.2.2Android平台概述16
2.2.3蓝牙技术19
3.硬件系统选型与设计19
3.1蓝牙串口模块20
3.2指南针I2C总线连接21
3.2.1指南针芯片21
3.2.2指南针与Arduino的I2C通信23
3.3H桥控制马达24
3.4超声波测距模块26
3.5电源模块27
4.Arduino与Android平台控制应用软件实现27
4.1Arduino控制程序设计28
4.1.1小车超声测距和避障的程序28
4.1.2小车和手机通讯协议29
4.2Android平台控制应用软件设计31
4.2.1界面设计31
4.2.2蓝牙控制32
4.2.3地图控制系统实现34
5.智能引路系统测试38
5.1小车调试的结果和结论38
5.2应用处理软件实现结果40
6.小结44
参考文献45
1.绪论
1.1本设计的研究背景及意义
1.1.1无线通信技术发展
随着通信技术的发展,无论是在物联网,还是互联网,传统的有线传输技术已经越来越不能满足企业和个人的需要。
当今通信技术正朝着“无线”和“高速”的方向发展。
无线传输以其特有的优势得到了个人和企业的青睐。
在移动终端中,无线传输技术主要包括:
(1)WiFi
WiFi全称WirelessFidelity,是一种无线局域高保真网络传输技术,它能提供高质量的无线局域网(WLAN)服务,所有基于IEEE802.11标准并通过WiFi组织测试的无线局域网均称为WiFi。
在历经IEEE802.11a/b/g传输协议的发展后,IEEE802.11n对物理层进行了优化,使得吞吐量从54Mbps提高到300-600Mbps支持WiFi技术的设备之间可以直接通信,也可以在访问点或基站的协调下进行通信。
大多数情况是为设备提供一个接入点(热点),通过该接入点,个人电脑以及移动终端设备等均可无线接入互联网,并保证高带宽的网络数据交换。
一个WiFi热点的覆盖范围室内最低35米,室外能达到100米以上,其信号强度会受到建筑物的影响。
如果想进一步扩大覆盖范围需要增添接入点。
由于WiFi的接入不需要物理连接,所以其安全性较低[1]。
(2)蓝牙
蓝牙(Bluetooth)是一种需要设备相互靠近以进行数据交换的短距离无线传输技术,广泛用于手持设备、电脑,甚至音响、打印机、手表等小型设备,其优势在于低成本、低功耗、小型化等;
由于其需要匹配特定对象的特点,相对于WiFi,蓝牙更多用于私人设备之间的语音数据传输,属于个人局域网(WPAN),安全性要高于WiFi,蓝牙协议遵从IEEE802.15.1,其功耗远低于802.11设备,支持单点对单点,单点对多点的传输,一般传输距离为10米,有信号加强装置最远可达50米,其实际的传输距离依赖于环境,在范围边界其传输性能会下降[3]。
通过二者的比较,结合本设计的特点:
机实时双工通信,蓝牙的低成本、低消耗特应用场景为室外近身使用,需要和手点使其成为最好的选择。
表2-1对两种类型的无线通信进行了对比。
1.1.2硬件平台简介
硬件平台需要有微处理器,能进行简单的计算,可以反复编程、可接受外部指令并执行,更重要的是要有多个接口易于扩展;
Arduino开发板是一个基于开放源代码的SimpleI/O软硬件平台,以廉价的微型处理器为核心,支持多种扩展接口,可以反复编程非常适来承担本设计的硬件平台;
Arduino中文称阿德伟诺,名称源于一个意大利古代国王之名,Arduino硬件平台是一块基于单片机的微控制器,用户可以通过其USB串行接口对其进行编程,广泛用于机器人、可穿戴设备等;
其特点是:
具备I/O功能,支持直流电源和USB端口供电,可扩展外接红外探测,蓝牙、WiFi设备,马达驱动,LED显示,温度探测等模块;
其蓝牙、WiFi的可扩展性为其与手机进行无线通信提供了可能[2]。
Arduino现有多个版本,每个版本侧重点不同。
ArduinoDuemilanove,ArduinoMini,ArduinoMega2560,LiliPadArduino,Arduinouno等,以及最新的ArduinoYun。
其中Duemilanove是基本款,后续许多产品都是在该产品的基础上设计生产的;
Arduino
Yun是最新高端产品,它不仅延续了Arduino架构并且增加了Linux系统,是系列产品中首个集成WiFi模块的成员,可以通过WiFi无线操作Linux模块,但价格比较昂贵[2]。
Arduinouno是USB接口,采用ATmega16U2芯片进行USB转串口,先前的版本需要用FTDIUSB转串口驱动串行通信;
它能够控制电机和其他小型物理设备,批量读取传感器和开关信号,非常适合做实时互动通信;
通过对比Arduino现有的几个版本,本设计最终选择了Arduino
uno,完全满足本设计需要;
在未来,英特尔将为Arduino开源项目提供Galileox86芯片,德州仪器将为其提供ARM芯片,所以Arduino硬件平台将向多系统架构发展,前景十分好[4]。
1.1.3手机操作系统介绍
除了Android平台外,当前的主流智能手机平台还有苹果公司的i0S操作系统和微软公司的WindowsPhone平台,三类手机平台均支持与Arduino的互联,现对这三个系统做一比较[5]。
(1)iOS(iPhoneOS)系统
AppleiOS是苹果公司为iPhone开发的手持设备操作系统,最早于2007年公布,其后续产品链iPodtouch,iPad均采用了这一系统,2013年9月苹果发布了最新一版iOS7操作系统,使其手机市场份额迅速提升到12070(截至2013年10月),成为我国市场份额第三,iOS系统最大的优势在于它是一个生态系统,用户可以在苹果的各款产品之间同步自己的数据和信息,这点对于如今多电子平台的操作十分重要,另外苹果App商店提供大量高质量的APP,基于iOS系统的APP开发简单,但开发人员若想发布其自行开发的软件则需要付费加入iPhone开发者计划,获得苹果公司的批准,iOS系统最大的缺点在于软硬件系统的封闭性,采用该系统的公司只有苹果一家,产品价格都偏高,使得用户群并不那么广泛,严重制约了其在低端市场的发展,iPhone和Arduino之间可以采用两种通信方式:
一种是有线连接,一种是通过蓝牙或WiFi的无线连接[16]。
(2)WindowsPhone(WP)系统
WindowsPhone是2010年10月由微软公布的便携智能设备的操作系统,取代之前的WindowsMobile,并于2011年与前世界手机巨头诺基亚合作,代替诺基亚之前的操作系统Symbian,虽然发布时间不长,但其新颖的界面和强大的功能吸引了众多用户和开发者,WP最新版本为WindowsPhone8,WP8将其应用与微软服务Windows8进行同步适配,形成良性生态圈,拥有WP就意味着拥有微软公司的系列办公软件和邮件管理系统,这对商务人士是极大的方便,WP虽起步较晚,但无疑有较大的特色和优势,wP8最大的优点是其流畅度和稳定性,两种性能都强于Android和iOS,但由于其面世时间较短系统还不完整,还需要进一步改善系统,比如批量选择、截屏功能、重力感应锁定等,其单工作业或伪后台作业也显示了系统的不足,WP8平台开发语言是C++,入门简单,开发者可以方便的开发出各种应用程序,但由于上市时间较晚,加之有部分未开放的API使得应用软件数量非常有限,机型数量也较少。
随着三星、HTC、诺基亚、联想等OEM厂商的加入,再加上微软公司雄厚的开发实力,其前景还是非常好的,WP7不支持与外界硬件通信,通过改进后WP8可以与Arduino通过蓝牙进行通信[16]。
(3)Android系统
Google公司于2007年公布了开放源码的操作系统Android,是由开放手机联盟(OHA)支持的基于Linux的系统,主要使用于便携手持设备,OHA获得了软件、硬件和通信行业公司的支持,共同致力为手持设备建立开放、先进的标准,Android平台的特点在于,第一,系统的开放性,开放迎来了更多的竞争和生命力,所以它有了近乎无限的扩展性,Android的开发门坎低开发周期短,用户群很大,并有大量的第三方开发者为Android开发应用程序;
第二,定制化强,Android操作系统是基于Linux内核的,对硬件兼容性强,Android开发语言是Java和C++,其底层代码可见,因此众多手机厂商通过在其开源架构的基础上构建自己的框架,实现个性化UI定制,做自己的系统并进行深度优化,满足其各自需要硬件软件两头做的需求,Android系统安装在不同硬件上,有高端到低端不同档次,这正满足了用户的多样化;
第三,Android系统也存在一些问题,市面上众多的机型给消费者带来了更多选择的同时,使得有些应用在不同厂商机型下会有不兼容的情况,另外其版本升级较快,相互之间的兼容性不强,给用户使用带来不便[6]。
2013年9月,Google发布了最新一版的Android4.4KitKat,对RAM进行了优化,也进一步优化了系统在低配硬件上的运行效果,使得系统可以在一些老款手机上流畅运行,也能更好的在智能穿戴设备上运行。
4.4版本还更新了蓝牙配置文件,可支持的设备更多,另外优化了很多软件,更大程度地方便用户、符合用户的习惯,基于Android系统的开放性、用户群体广泛、软件开发周期短等特点,加上Android与Arduino兼容性较强,笔者最终选择了Android终端[9]。
1.1.4研究意义
目前海内的智能引路系统还正在发展时期,在步行引路系统的研究与实践中,我国曾经试行过盲人智能导航系统,但是由于系统在实际投入中所需要的资金、人力较大,同时所涉及的改造安装配合场所范围大,未能在实现广泛的应用。
此外,Google公司设计的自动驾驶汽车利用了雷达、红外扫描、GPS等等高新技术支持,能够极大的方便满人的汽车驾驶,但是由于国内路况复杂,车辆较多,同时智能引路系统的应用还需要更多方面的配合,例如前期还需要智能交通系统的设计与建设,相关交通法律法规的出台与完善。
由于种种实际应用的困难,该技术也未能正式投入使用中来。
国内的智能引路系统的发展与实际应用存在着许多方面的难点与困难,要实现自动驾驶汽车的投入使用还有很长的研究开发与实践之路要走。
在信息技术如此发达的今天,高科技给人们的生活带来了巨大的便利,例如现在手机地图导航软件已经成为日常人们的出行的重要工具,但是对于残障人士等弱势群体而言,却无法享受这些应用带来的便利,因此对现有的导航软件进行再研究再开发,使得残障人士也可以进行使用是我们需要不断研究与努力的方向。
本文旨在通过研究设计智能引路系统,来推进中国智能交通的发展,促进技术研发与实际应用。
本文的设计具有投入成本低,开发研究周期短,设计自成一体,无需额外设备支持等优点。
设计基于目前国内已经进行深入研究与开发的物联网,物联网将一系列技术和设备通过协议约定来实现信息与物理世界的融合与通信,这些技术包括红外感应、RFID,激光扫描、GPS等等,物联网使得传统网络的人与人的通信扩大到了人与物、环境间的互相通信,可以帮助进行智能定位、识别、监控等功能。
此设计真正意义是是此案人类通信技术的三维互联。
本设计的智能引路系统在此基础上,一方面可以帮助人们,特别是盲人解决外出困难,帮助盲人进行障碍物探测,并引导他们进行障碍物躲避。
另一方面,结合当今社会普遍应用的Android手机系统与XX地图导航技术,可以进行汽车引路,实现智能化驾车。
既可以进行步行线路规划,也可以进行路况针对弱势群体选择最便利、安全的行进路线。
1.2研究内容与安排
本设计在物联网的基础上,利用Android和Arduino平台设计了一套可以实现障碍物探测与躲避,路线规划与控制的智能引路系统。
文章主要研究内容与结构如下:
第二章:
对相关技术平台与通信技术进行介绍,在此基础上给出本设计的总体设计方案与系统功能介绍。
第三章:
对Arduino的数据采集部分进行设计,包括硬件的选型与实现互联,控制程序的设计与编写部分。
第四章:
Android应用软件程序主要设计,包括手机程序界面设计,蓝牙的相关控制程序,以及地图控制的程序。
第六章对文章进行小结。
2.总体设计与相关技术
2.1总体设计方案
2.2.1总体设计框架
本设计的主要指令中心设备为手机,利用Arduino技术进行道路探测与行进,并且通过蓝牙实现系统互联。
本系统由LANDWide软件、蓝牙通信和Arduino探测行进系统三大部分组成,主要实现道路感应、行动、通信和计算和指令处理几个功能,基于安卓系统的LANDWide软件实现人机互动,通过Android系统实现控制与相关应用的操作,可以根据实际使用过程中得需求进行相关程序的设计。
蓝牙通信系统通过蓝牙技术实现传感器、手机与互联网的信息交换,是两大平台的信息传递媒介。
Arduino探测行进系统则通过传感技术对道路的障碍物探测,进行道路数据的采集,并进行上传。
该部分硬件采用包括微处理器和扩展板的Arduino开发板;
感应功能主要依靠超声波进行障碍物探测,另外通过指南针设备进行方向感应;
驱动装置主要通过电机马达实现行进功能。
三大功能模块:
(1)可以感知和移动的Arduino平台小车机器人,在完成手机指令的同时,还可以对外部环境进行监测,并及时反馈到手机端;
(2)LANDWide系统软件接收到小车发来的数据后,能够对当下地形及路况进行重新计算,并将重新计算的方向与速度指令发送给小车;
(3)数据通信,安卓手机终端可以通过2G/3G网络实现GPS定位,获得当前位置坐标信息,当安卓手机终端接收到来自Arduino感应模块传来的相关信息时,结合当前地形,对形式方向及速度进行调节。
这个系统实现了物联网的三维信息网络构建。
系统总体设计图如图2-2所示。
图2-1智能引路系统大体设计流程
系统设计首先需要进行系统功能需求分析,从上文系统总体设计中,我们了解了系统的总体功能需求,主要包括网络通信,蓝牙设计以及探测行动设计。
通过对各部分子需求进行分析与划分,实现系统高效有序运作。
2.1.2系统的功能及管理
对于体系进行设置的首要步骤是确定作用的要求,区分规划体系的种类,明确可以用什么样的子体系达成相关的效果。
在此体系中,必须由局域内的无线网联合互联网,这样才能满足各种设施间消息的互相连接、接收和传发。
体系在互联网的作用下,能够精确得知相关的导航消息与经度和纬度消息等。
另外,在体系里面有个蓝牙,这个部分是全部体系的至关重要位置,它可以精准而且实时地获取感觉反应部分向网络中央传输的相关数值消息,网络中央再以更快的速度对于数值进行处置,然后经过里面的蓝牙部位输送命令给动作部位。
侦探和勘测以及动作部位都是将AVR这个单机片当成中心,来驱使下面的每个小的部位,而且,这两种部位也是命令和数值的分析与发送核心。
所以,我们最先做到的是确保子部件的发动可以符合常规,在进行各种代码的编制演算时,要留心把握每个部件间的协调合作,以防发生相应的争执。
对于间距的勘测和位置的检测部件属于感应部件的范畴。
而移动的终极端口身为网络的核心,而且也属于使用者的运作和掌控页面。
其实,完全的互相交流、互相传输数值和命令便是该体系的最大特性,它就是一个按时传输的环境。
对于该体系的最终完成步骤我们能够简单表述成:
依据使用者选取的位置,再仔细查看当地的各种环境,然后对于行走线路进行布置,体系会参照相关的路途环境以及指示针勘测的方位随时对行走的路线进行调节和控制。
在这一过程中,具有超声波特性的部件对于所遇到的阻碍物的间距适时进行勘测,当这一勘测数值比规定的间距要小的时候,必须得调节方位,通过这些步骤,最后可以成功将使用者参照提前规定好的线路带到目标场所。
硬件的电路形成是基于各种软件的开发研究,而软件的设置必须得在一定的标准下进行才可以。
在进行软件的研发时,可以把实在性、强壮性、能够改变性和能够拓展性等,当成要遵守的标准。
采取具有可以识别的编制程序与很高的实现手段进行路线的设置,能够使得对程序的保护与设置呈现出多种态势、具有继承的特征,使整个体系表现出一种较低的联合、较高的内部相聚性,
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