作品名稱：基于Robei EDA的智能環境監測移動小車設計
學校名稱：上海中僑職業技術大學
參賽隊伍：智能移動監測中心
隊伍編號：208152
參賽學生：潘奕均 楊雯皓
指導老師：柳學斌
投票日期：2024年10月08日 00:00->2024年12月05日 15:00
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1. 項目概述
本項目的目標是運用Robei EDA工具開發一款智能環境監測移動小車。該小車能夠實時且精確地檢測多種環境參數，包括有害氣體、溫度、濕度和放射性物質等，并通過無線通信技術將數據傳輸至遠程監控中心。設計將充分利用Robei EDA在電路設計、仿真和驗證方面的優勢，以及FPGA在并行處理和邏輯控制方面的強大性能。
2. 系統設計
2.1 硬件設計
（1）核心控制器
選用Xilinx Zynq-7020 FPGA作為核心控制器，該FPGA集成了Cortex-A9雙核CPU，提供強大的邏輯控制和復雜的并行數據處理能力，滿足環境監測小車對實時性和準確性的嚴格要求。
（2）傳感器模塊
集成多種高精度傳感器，MQ-2氣體傳感器、DS18B20/LM75A溫度傳感器、DHT11濕度傳感器和放射性物質傳感器，確保對環境參數的全面和準確監測。
（3）通信模塊
采用ESP8266 Wi-Fi模塊實現遠程數據傳輸，并保留藍牙模塊用于現場調試和近距離通信。
（4）驅動模塊
使用L298N電機驅動模塊，結合FPGA的PWM輸出和GPIO控制，實現對小車運動的精確控制。
（5）電源管理
設計高效穩定的電源系統，采用18650鋰電池作為主電源，并配備充電管理電路和電源保護機制。
2.2 軟件設計
（1）Robei EDA工具應用
利用Robei EDA工具進行電路原理圖設計、PCB布局與布線，確保硬件設計的準確性和可靠性。運用Robei EDA的仿真功能對電路進行模擬測試，提前發現并解決潛在問題。
（2）FPGA編程
在Vivado開發環境中，使用VHDL或Verilog硬件描述語言編寫FPGA的內部邏輯，實現傳感器數據采集、數據處理、通信協議解析與發送等功能。利用Xilinx提供的軟核處理器（如MicroBlaze）或硬核處理器（如Cortex-A9）運行嵌入式操作系統或裸機程序，實現更高級的控制算法和數據處理功能。
（3）通信協議設計
智能環境監測移動小車的通信協議設計簡潔而高效，采用二進制編碼方式，數據幀結構包括幀頭、地址、控制字、數據、CRC-16校驗位和幀尾，確保數據傳輸的完整性和準確性。通過異步通信方式適應不同網絡環境，同時支持自適應傳輸速率以滿足實時性要求。為保障數據安全，采用TLS/SSL協議進行加密通信，并設置用戶名和密碼認證機制進行身份驗證。整個通信流程包括連接建立、數據請求、數據發送、數據接收和指令響應，確保智能環境監測移動小車與遠程監控中心之間能夠高效、安全地進行數據傳輸。
3. 功能實現
（1）實時監測：通過傳感器模塊實時采集環境數據，FPGA控制器對采集到的數據進行預處理和濾波，提高數據準確性。
（2）數據處理：FPGA內部實現數據處理算法，對監測數據進行實時分析，判斷環境參數是否異常。
（3）數據傳輸：通過ESP8266 Wi-Fi模塊將監測數據和報警信息發送至遠程監控中心，實現遠程監控和數據分析。
（4）運動控制：根據預設路徑或遠程指令，FPGA控制器通過L298N電機驅動模塊控制小車的運動狀態，實現自動巡航、定點監測等功能。
4. 系統集成與測試
（1）硬件集成：根據設計文檔和原理圖，將各硬件模塊精確連接并安裝到小車底盤上，確保電氣連接正確、機械結構穩固。
（2）軟件調試：在硬件平臺上加載FPGA程序，對各項功能進行逐一測試，包括傳感器數據采集、數據處理、通信傳輸和運動控制等。
（3）系統測試：在模擬環境或實際環境中對小車進行全面測試，評估系統的性能指標、穩定性和可靠性。
5. 結論
本項目設計了一款基于Robei EDA工具和FPGA控制器的智能環境監測移動小車。該小車具備實時監測、數據處理、數據傳輸和運動控制等功能，能夠廣泛應用于環境保護、公共安全、智能家居等領域。未來，我們將繼續優化小車的性能，擴展其功能，如增加GPS定位、自動避障、路徑規劃等，以滿足更多應用場景的需求。同時，我們也將積極探索小車在物聯網、大數據、人工智能等領域的潛在應用，為構建更加智能、安全、環保的生活環境貢獻力量。
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圖2
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