基于STM32单片机的多功能行李箱的设计

张春海，王佩，王桥，田江涛，俞潼，余飞

（贵州师范学院数学与大数据学院，贵州贵阳，550000）

0 引言

近些年来，社会迅猛发展，很多日常生活用品都朝着智能化的方向发展，传统的行李箱已经不能满足用户日常生活的需求，楼梯和易丢失是用户提着行李箱外出途中常见的一类障碍，能够攀爬楼梯和防止丢失就成为了用户对于新型行李箱的一大需求，对于与用户拉着行李箱出行而言，多功能行李箱在减少用户精力耗费方面起了很大作用。

本文主要介绍一种多功能的行李箱，此产品以STM32F1 03系列单片机为核心控制器，利用模拟电子技术、嵌入式软硬件开发技术等，结合了多种传感器及模块（如WTGPS+BD定位模块、红外传感器等电子元件），将传统的行李箱进行了升级，实现了可攀爬、可向用户发送丢失警报的多功能行李箱，用户可以通过手机实时查看行李箱的状态（箱内重量、箱体位置等）。

1 总体设计

该多功能行李箱以STM32单片机为核心控制器，采用F103C8T6为主控芯片，它的串口实时与WTGPS+BD定位模块交互，实时定位行李箱当前位置，且用户的手机上的定位通过第三方客户端向主控芯片实时报送用户当前位置，当行李箱当前位置与用户的当前位置之间超过一定距离时，核心控制器自动向用户发送警报；红外传感器实时探测行李箱面前的地形，并将数据反馈至主控芯片，主控芯片根据反馈回来的数据控制行李箱的攀爬行进；当用户通过LCD显示屏开启称重时，行李箱箱体内部的重量会通过核心控制器发送数据实时显示在显示屏上和发送至用户手机，并显示出是否超载。多功能行李箱的总体框图如图1所示。

图1 多功能行李箱总体框图

2 系统设计

该系统分为核心控制器、WTGPS+BD单双模定位模块、红外传感器+电机组件、称重模块、电池等几个部分。

2.1 核心控制器

在我们的日常生活中，集成电路芯片的应用非常广泛，单片机本质就是一种集成电路芯片，而单片机在我们的生活中的应用也是非常广泛的，它的型号非常多，在大学的项目实践中比较常见的是STM32单片机和51单片机，这两者非常适合初学者入门和项目实践。单片机把定时器和计数器等一些功能以及中央处理器CPU和储存器、I/O口等集成在一起。本文多功能行李箱所用到的STM32F103C8T6芯片，它是英国Acorn公司设计的基于ARM处理器并以Cortex-M为内核的STM32系列的32位微型计算机系统。

本文多功能行李箱以STM32F103C8T6芯片为核心控制器，能使多功能行李箱的成本降到最低，且实现的功能非常多，还有一个好处就是，它可以直接调用STM32系列的单片机的官方提供的库文件，对于本文多功能行李箱的软件编程非常方便。此外，单片机的工作电压为2V至3.6V，其工作温度为零下四十摄氏度至八十五摄氏度，对于极寒天气和高温天气而言，单片机实现的功能不会极端受天气影响，多功能行李箱可以正常使用。在本文的行李箱中，STM32单片机控制着整个箱体所有的功能模块，实现本文多功能行李箱的自动化。

2.2 WTGPS+BD单双模定位模块

在我们的生活中无论是社交软件查找附近的人，还是使用某外卖APP查找美食和景点，或者是某打车软件查找附近的司机，我们的生活中每天都在使用定位技术，定位技术可以说是现代化生活不可或缺的一部分，我们的嵌入式设备中，自然也离不开定位技术。

本文多功能行李箱的防丢失功能采用的是WTGPS+BD单双模定位模块，WTGPS+BD单双模定位模块的处理器采用的是杭州中科微电子有限公司旗下的第四代低功耗AT6558芯片，其本质虽然只是一款芯片，但是它具有六合一多模卫星导航定位功能，因此，它可以同时接收来自六个卫星系统的GNSS信号。中科微旗下的AT6558芯片最大的优点就是：高灵敏度、低成本低功耗，并且可以实现联合定位（联合定位的意思就是同时利用多星定位，提高了定位的精确度），在导航和定位方面起到很大的作用。WTGPS+BD定位模块通过与STM32单片机的通信串口交互，实现了本文多功能行李箱的防丢失功能。

定位模块一直处于工作状态，将本文的多功能行李箱的定位实时上传给核心控制器，而用户的定位通过第三方手机软件实时上传至多功能行李箱的核心控制器，当用户的定位和行李箱的定位出现一定的距离偏差时，核心控制器将通过串口通信向用户的手机发送警报。

2.3 红外传感器+电机组件

红外传感器在我们的日常生活中非常常见，在客运站和商场等场所，它可以用来检测人体体温，以及检测乘客或顾客是否携带违禁物品，给我们的的生活带来了很大的便利，当然它的用途远远不止这些。于本文的多功能行李箱而言，红外传感器的作用是检测行李箱前是否有障碍物或者楼梯，多功能行李箱的行进和攀爬。

本文的电机包含步进电机和减速电机，其中步进电机用于行李箱的行进状态，与行李箱轮子连接在一起；减速电机用于行李箱的攀爬，与直线导轨等连接在一起。

步进电机是现代数控系统中常用的元件，它是和驱动器一起搭配使用的，它的工作原理简单来说是当步进电机驱动器收到一个脉冲信号时，步进电机驱动器会驱使电机内部的转子和轴承转动一个相应的角度。

减速电机在本文中实现的是多功能行李箱的攀爬楼梯，减速电机的效率很高，可靠性也是非常高；因为它的维护较为简便，所以当我们对减速电机进行维护时，是非常方便的；此外，减速电机的工作寿命非常长，所以本文多功能行李箱不会频繁出现功能紊乱和不能实现的情况。

本文该红外传感器+电机组件主要作用是实现本文多功能行李箱的攀爬行进，该组件结构总共用到两根丝杆，本文中利用3D打印，为电机打印了一些3D轴承，用于电机的固定，减速电机下部连接着轴承，减速电机上部连接着丝杆，丝杆另一端连接着直线滑轨，当红外传感器检测到箱体正面有阶梯时，多功能行李箱的正面被丝杆等结构抬起，当正面抬起后，行李箱的背面被另一根丝杆抬起，就实现了本文多功能行李箱的攀爬。

当本文多功能行李箱在平地上行走时，步进电机处于工作状态，行李箱因步进电机工作处于自动行进状态，这样用户就只需要控制多功能行李箱的方向，而不需要耗费太多的精力于拖动行李上面。

行李箱的正面如图2所示，轴承的立面图如图3与图4所示。

图2 多功能行李箱正面图

图3 轴承立面图

图4 轴承立面图

2.4 称重模块与减震模块

我们生活中常看见的电子体重秤和菜市场等场所的电子秤的内部就是称重传感器和其它一些零件组装的，有称重传感器是它们的核心。称重传感器的种类非常多，有悬臂型的、S型的以及柱筒式等等，本文的多功能行李箱在称重模块方面采用的是悬臂型的称重传感器HX711。

本文采用的HX711称重传感器芯片与其它芯片相比，HX711芯片的优点非常明显：响应速度快、集成度高体积小、抗干扰能力强，此外，HX711芯片的编程非常简单方便，对于刚刚接触这类称重传感器的人来说比较容易上手。总的来说，HX711芯片的优点非常多，适合本文多功能行李箱在称重模块方面的采用。

HX711称重传感器的安装方法是称重模块内部的压力传感器一端通过螺丝固定另一端并保持悬空状态，按标签指示方向施加重力。其使用注意：其压力传感器的变形量非常微小，如果外力撤除后称重传感器并没有恢复到之前的样子，发生了塑性变形的话就代表着称重传感器坏了。称重模块如下图5所示，该传感器一共有四根线连接到外电路（本文的四根线连接到STM32单片机），红色线接单片机供电处的正极，黑色线接单片机供电处的负极，白色线接单片机I/O口代表输出信号1，蓝线或绿线接单片机I/O口代表输出信号2。

图5 称重模块

在本文中，当多功能行李箱的系统启动时，称重模块会反馈当前箱体内部的重量至核心控制器，若当前行李箱已超载，则行李箱会在向用户发送行李箱重量的同时，向用户发送警告，否则只向用户发送行李箱当前重量。

本文的减震模块是由弹簧和一些物理结构组成，它起到为本文多功能行李箱减震的功能，在平时的使用中降低磨损，为多功能行李箱延长寿命。

2.5 电池

本文多功能行李箱在给STM32及其他一些外部电路和电子元件供电采用的是航模电池，航模电池的本质是锂离子聚合物电池，而锂离子聚合物电池是今后二次电池的发展的方向，航模电池的相对优势是内含能量高、重量轻、型号较多。于形状方面而言，航模电池轻薄化的一大特征可以迎合用户的诸多需求，可以制成一些市面上难以见到的电池。在实际应用中，航模电池常用于航模飞机等玩具模型的供电，由此可见它的效率和安全性都高。

3 结语

本文的多功能行李箱解决了目前市面上传统的行李箱普遍存在的一些问题，用户在上下楼梯的时候更加轻便快捷，同时本文的行李箱具有称重和减震以及防丢失功能，当前本文多功能行李箱经过多次改进与测试，多功能行李箱的工作性能非常稳定，而且功能实现的效果良好。在这个生活节奏较快的时代，多功能行李箱一定是用户出行的一大帮手。如果用户出行使用本文的多功能行李箱，用户的出行会非常轻松。此外，本文的行李箱具有很广阔的市场前景，在未来一定能够占据市场的一大份。本文的多功能行李箱能给人们工作和生活中提供便利，减少了用户因为行李箱而产生的的焦虑，给用户带来舒心的每一天。