基于大數(shù)據(jù)分析的實(shí)體導(dǎo)航系統(tǒng)

　　朱新雨 李佳俊 陳羽 邱世宇 劉媛娜

　?。ㄉ虾４髮W(xué) 機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院 工程訓(xùn)練國家級(jí)教學(xué)實(shí)驗(yàn)示范中心，上海 200444）

　　摘要：本作品是智能化程度較高的校園導(dǎo)游系統(tǒng)，基于STM32和數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)存取和訪問，主要根據(jù)學(xué)校的各個(gè)景點(diǎn)和場(chǎng)所設(shè)計(jì)，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)搭建，自我反饋產(chǎn)生相對(duì)流量和點(diǎn)擊率較高場(chǎng)所，自我適應(yīng)和學(xué)習(xí)生成解決方案，方便人們能夠更快更準(zhǔn)地獲得學(xué)校各個(gè)景點(diǎn)和場(chǎng)所的位置信息，能夠結(jié)合位置提供智能化和多樣化的景點(diǎn)信息講解及路線規(guī)劃等功能，其方便、豐富的功能性為師生帶來了極大的方便，可以出色完成在校園內(nèi)的導(dǎo)航服務(wù)，同時(shí)做到既減少人工又方便學(xué)生、考生、家長(zhǎng)及對(duì)校園不熟悉的參觀人員。

　　關(guān)鍵詞：導(dǎo)航系統(tǒng)；數(shù)據(jù)庫；STM32；智能化

　　* 源自“智能校園導(dǎo)航系統(tǒng)”項(xiàng)目。該項(xiàng)目獲得了“2018年度‘羅姆杯’上海大學(xué)大學(xué)生機(jī)電創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽”的“最具人氣獎(jiǎng)”。

　　0 引言

　　隨著新學(xué)期的到來，數(shù)百萬大學(xué)新生開始了嶄新的學(xué)習(xí)生涯，新生們來到全新的校園，如何快速地融入到學(xué)習(xí)和生活中，是每一位新生面臨的問題?，F(xiàn)在一款融合校園各單位信息的智能導(dǎo)航系統(tǒng)，為新生們帶來了方便。面對(duì)廣闊的校園環(huán)境，剛?cè)雽W(xué)的新生或是初次到學(xué)校參觀的人往往不清楚怎樣才能到達(dá)自己的目的地，需要一個(gè)校園智能導(dǎo)航裝置引導(dǎo)他們出行。目前在國內(nèi)，真正能夠稱得上是智能導(dǎo)航器并且擁有足夠地圖精度的產(chǎn)品幾乎沒有，更不要說是專門針對(duì)校園的智能導(dǎo)航系統(tǒng)了。因此，在校園一些旅游景區(qū)和標(biāo)志性建筑物中設(shè)置智能導(dǎo)航裝置十分必要。

　　1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　本導(dǎo)航系統(tǒng)主要分為執(zhí)行部分、控制部分和軟件部分。

　　執(zhí)行部分主要包括機(jī)械傳動(dòng)部分和結(jié)構(gòu)組件部分，為了滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求，標(biāo)準(zhǔn)材料主要選擇歐標(biāo)的40鋁型材，特殊材料來自于車銑工藝加工和3D打印，構(gòu)型選擇多框架搭建滿足承重要求。

　　控制部分的主控核心選擇STM32系列MCU，電機(jī)采用SUMTOR大扭矩高精度步進(jìn)電機(jī)，驅(qū)動(dòng)器則采用配套的DM542步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，通信控制主要采用HC-05低功耗藍(lán)牙模塊。

　　軟件部分的組成為配套的APP程序和微信程序，操作界面的更迭算法主要基于數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)信息存儲(chǔ)和訪問，算法框架為反饋框架，從而形成相對(duì)可靠的用戶操作界面。同時(shí)，在大量?jī)?chǔ)備和導(dǎo)入地點(diǎn)信息之后，在軟件內(nèi)部形成二維地圖建立，內(nèi)部采用最短路徑算法，生成解決方案。整體技術(shù)框架如圖1，系統(tǒng)工作原理見圖2。

　　2 硬件設(shè)計(jì)

　　機(jī)械部分主要依靠聯(lián)軸器、滾珠絲杠、銷及部分螺紋和鉚釘連接，模型建模主要依靠UG，通過一套CAD和CAE進(jìn)行虛擬仿真制造，最后再進(jìn)行有限元分析和動(dòng)力學(xué)分析獲得相關(guān)數(shù)據(jù)和一些安全值，再選材采購和保證模型運(yùn)轉(zhuǎn)正常。

　　電氣硬件由一塊STM32F407核心板、一個(gè)藍(lán)牙模塊、一個(gè)步進(jìn)電機(jī)、一個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、觸摸屏和一些開關(guān)組成。如圖3。

　　2.1 硬件工作原理

　　使用者通過操作觸摸屏，系統(tǒng)收集信號(hào)信息，將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化為電子信號(hào)傳入STM32，再將電信號(hào)轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào)計(jì)入芯片，利用I/O口發(fā)出電信號(hào)和脈沖信號(hào)給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，在電信號(hào)功率放大后，傳入步進(jìn)電機(jī)的定子繞組，利用脈沖信號(hào)控制轉(zhuǎn)動(dòng)距離，通過機(jī)械傳動(dòng)帶動(dòng)執(zhí)行部分完成動(dòng)作，從而完成整個(gè)過程的信號(hào)和信息轉(zhuǎn)變。

　　2.2硬件電路設(shè)計(jì)

　　主控部分：以STM32F407zet6作為主控芯片，通過SPI接口與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L6470進(jìn)行通信，利用UART和HC-05藍(lán)牙模塊與外界通信，主控芯片以中斷的方式接收來自UART的指令，主函數(shù)根據(jù)指令驅(qū)動(dòng)電機(jī)，以中斷的方式可以提高程序的響應(yīng)速度，節(jié)省芯片資源。

　　電機(jī)驅(qū)動(dòng)：由于 L6470采用電壓控制方式實(shí)現(xiàn)細(xì)分驅(qū)動(dòng)，電源電壓的波動(dòng)對(duì)控制的精度影響頗大。為了對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償，芯片內(nèi)部集成了一個(gè) 5 位的 AD 轉(zhuǎn)換器，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電源電壓，在電源電壓波動(dòng)時(shí)，對(duì)內(nèi)部PWM 調(diào)制的占空比進(jìn)行一定的補(bǔ)償。由于ADCIN號(hào)引腳的最大耐壓為3.3V，所以電源電壓必須經(jīng)過分壓電阻后才能連接到該引腳，電阻值的選取需要保證，本設(shè)計(jì)中電源電壓為 20 V，經(jīng)過 2 kΩ 與 27 kΩ 電阻分壓后為 1.404 V。

　　3 軟件設(shè)計(jì)

　　3.1軟件工作原理

　　用戶可以使用微信小程序或是APP來進(jìn)行導(dǎo)航系統(tǒng)的使用，客戶端收集用戶訪問過地點(diǎn)的相關(guān)數(shù)據(jù)信息存儲(chǔ)到后端數(shù)據(jù)庫中，再以web的形式建立一個(gè)后臺(tái)數(shù)據(jù)中心，利用百度的ECharts或者Java?Applet等第三方的擴(kuò)展插件，在原有的html文件中增加相應(yīng)的可視化插件模塊，將后臺(tái)數(shù)據(jù)庫的格式化的數(shù)據(jù)以圖表形式呈現(xiàn)到瀏覽器交互界面中，生成有關(guān)訪問地點(diǎn)、次數(shù)的可視化圖表和校園人流熱力圖，管理員可以通過網(wǎng)頁查看校園內(nèi)以及附近使用導(dǎo)航的人流信息來進(jìn)行相關(guān)資源的分配調(diào)度。

　　建立后臺(tái)系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)控?zé)狳c(diǎn)區(qū)域的人流量增長(zhǎng)及減少情況，更主要的是利用大數(shù)據(jù)技術(shù)進(jìn)行用戶數(shù)據(jù)的挖掘處理和分析，一定程度上達(dá)到對(duì)校園人流量的監(jiān)控和預(yù)測(cè)。

　　此外，用戶對(duì)導(dǎo)航系統(tǒng)和導(dǎo)航準(zhǔn)確度的反饋都會(huì)存儲(chǔ)在后端中，可以通過Python自然語言處理技術(shù)提取關(guān)鍵的地點(diǎn)信息，定期檢測(cè)出反饋較多導(dǎo)航不準(zhǔn)確的地點(diǎn)反映給后臺(tái)管理員，進(jìn)行及時(shí)修正。

　　4 總結(jié)

　　該智能指路牌在彈性云主機(jī)上安裝數(shù)據(jù)庫，搭建服務(wù)器環(huán)境，采集用戶數(shù)據(jù)和流量，生成用戶使用分析圖表。根據(jù)采集得到的用戶使用軌跡生成熱力圖，從數(shù)據(jù)庫反饋給管理者，以便于查錯(cuò)和改進(jìn)導(dǎo)航系統(tǒng)。經(jīng)過一系列閉環(huán)反饋和信息交換，達(dá)到智能化自我學(xué)習(xí)功能高度應(yīng)用。擁有良好的應(yīng)用前景和市場(chǎng)潛力，具有技術(shù)合理性、完整性、應(yīng)用性、創(chuàng)新性等，具備以下優(yōu)點(diǎn)：

　　1.減少學(xué)校人力、物力投入；

　　2.使新生快速熟悉校園；

　　3.方便外來人員辯明方位；

　　4.利于游客了解校園文化。

　　同時(shí)通過信息化、智能化手段，實(shí)現(xiàn)對(duì)各種資源的有效集成、整合和優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)資源的有效配置和充分利用，提高了各項(xiàng)工作效率，效果和效益，實(shí)現(xiàn)教育的智能化和現(xiàn)代化，滿足時(shí)代教育的需要，具有一定應(yīng)用和推廣前景。

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（注：本文來源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2019年第6期第56頁，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處。）