基于大數(shù)據分析的實體導航系統(tǒng)

　　朱新雨 李佳俊 陳羽 邱世宇 劉媛娜

　?。ㄉ虾４髮W 機電工程與自動化學院 工程訓練國家級教學實驗示范中心，上海 200444）

　　摘要：本作品是智能化程度較高的校園導游系統(tǒng)，基于STM32和數(shù)據庫數(shù)據存取和訪問，主要根據學校的各個景點和場所設計，采用神經網絡搭建，自我反饋產生相對流量和點擊率較高場所，自我適應和學習生成解決方案，方便人們能夠更快更準地獲得學校各個景點和場所的位置信息，能夠結合位置提供智能化和多樣化的景點信息講解及路線規(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的導航服務，同時做到既減少人工又方便學生、考生、家長及對校園不熟悉的參觀人員。

　　關鍵詞：導航系統(tǒng)；數(shù)據庫；STM32；智能化

　　* 源自“智能校園導航系統(tǒng)”項目。該項目獲得了“2018年度‘羅姆杯’上海大學大學生機電創(chuàng)新設計大賽”的“最具人氣獎”。

　　0 引言

　　隨著新學期的到來，數(shù)百萬大學新生開始了嶄新的學習生涯，新生們來到全新的校園，如何快速地融入到學習和生活中，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航系統(tǒng)，為新生們帶來了方便。面對廣闊的校園環(huán)境，剛入學的新生或是初次到學校參觀的人往往不清楚怎樣才能到達自己的目的地，需要一個校園智能導航裝置引導他們出行。目前在國內，真正能夠稱得上是智能導航器并且擁有足夠地圖精度的產品幾乎沒有，更不要說是專門針對校園的智能導航系統(tǒng)了。因此，在校園一些旅游景區(qū)和標志性建筑物中設置智能導航裝置十分必要。

　　1 系統(tǒng)設計

　　本導航系統(tǒng)主要分為執(zhí)行部分、控制部分和軟件部分。

　　執(zhí)行部分主要包括機械傳動部分和結構組件部分，為了滿足結構強度要求，標準材料主要選擇歐標的40鋁型材，特殊材料來自于車銑工藝加工和3D打印，構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，電機采用SUMTOR大扭矩高精度步進電機，驅動器則采用配套的DM542步進電機驅動器，通信控制主要采用HC-05低功耗藍牙模塊。

　　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)據庫數(shù)據信息存儲和訪問，算法框架為反饋框架，從而形成相對可靠的用戶操作界面。同時，在大量儲備和導入地點信息之后，在軟件內部形成二維地圖建立，內部采用最短路徑算法，生成解決方案。整體技術框架如圖1，系統(tǒng)工作原理見圖2。

　　2 硬件設計

　　機械部分主要依靠聯(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進行虛擬仿真制造，最后再進行有限元分析和動力學分析獲得相關數(shù)據和一些安全值，再選材采購和保證模型運轉正常。

　　電氣硬件由一塊STM32F407核心板、一個藍牙模塊、一個步進電機、一個步進電機驅動器、觸摸屏和一些開關組成。如圖3。

　　2.1 硬件工作原理

　　使用者通過操作觸摸屏，系統(tǒng)收集信號信息，將數(shù)字信號轉化為電子信號傳入STM32，再將電信號轉變成數(shù)字信號計入芯片，利用I/O口發(fā)出電信號和脈沖信號給步進電機驅動器，在電信號功率放大后，傳入步進電機的定子繞組，利用脈沖信號控制轉動距離，通過機械傳動帶動執(zhí)行部分完成動作，從而完成整個過程的信號和信息轉變。

　　2.2硬件電路設計

　　主控部分：以STM32F407zet6作為主控芯片，通過SPI接口與步進電機驅動芯片L6470進行通信，利用UART和HC-05藍牙模塊與外界通信，主控芯片以中斷的方式接收來自UART的指令，主函數(shù)根據指令驅動電機，以中斷的方式可以提高程序的響應速度，節(jié)省芯片資源。

　　電機驅動：由于 L6470采用電壓控制方式實現(xiàn)細分驅動，電源電壓的波動對控制的精度影響頗大。為了對其進行補償，芯片內部集成了一個 5 位的 AD 轉換器，可以實時監(jiān)測電源電壓，在電源電壓波動時，對內部PWM 調制的占空比進行一定的補償。由于ADCIN號引腳的最大耐壓為3.3V，所以電源電壓必須經過分壓電阻后才能連接到該引腳，電阻值的選取需要保證，本設計中電源電壓為 20 V，經過 2 kΩ 與 27 kΩ 電阻分壓后為 1.404 V。

　　3 軟件設計

　　3.1軟件工作原理

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

　　建立后臺系統(tǒng)可以實時動態(tài)監(jiān)控熱點區(qū)域的人流量增長及減少情況，更主要的是利用大數(shù)據技術進行用戶數(shù)據的挖掘處理和分析，一定程度上達到對校園人流量的監(jiān)控和預測。

　　此外，用戶對導航系統(tǒng)和導航準確度的反饋都會存儲在后端中，可以通過Python自然語言處理技術提取關鍵的地點信息，定期檢測出反饋較多導航不準確的地點反映給后臺管理員，進行及時修正。

　　4 總結

　　該智能指路牌在彈性云主機上安裝數(shù)據庫，搭建服務器環(huán)境，采集用戶數(shù)據和流量，生成用戶使用分析圖表。根據采集得到的用戶使用軌跡生成熱力圖，從數(shù)據庫反饋給管理者，以便于查錯和改進導航系統(tǒng)。經過一系列閉環(huán)反饋和信息交換，達到智能化自我學習功能高度應用。擁有良好的應用前景和市場潛力，具有技術合理性、完整性、應用性、創(chuàng)新性等，具備以下優(yōu)點：

　　1.減少學校人力、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。

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

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