基于Cortex-M3單片機(jī)的WiFi物聯(lián)網(wǎng)小車的設(shè)計(jì)

湯莉莉，黃 偉，王春波，方 規(guī)

(1.湖北大學(xué)知行學(xué)院，湖北武漢430011;2.湖北航天技術(shù)研究院總體設(shè)計(jì)所，湖北武漢430040)

0 引言

WiFi物聯(lián)網(wǎng)小車設(shè)計(jì)方案，采用電腦上位機(jī)軟件通過(guò)無(wú)線WiFi控制小車的運(yùn)動(dòng)，采集小車的信息。與傳統(tǒng)的“智能小車”相比，主要特點(diǎn)在于使用32位高性能單片機(jī)控制、互聯(lián)網(wǎng)通信機(jī)制和電腦上位機(jī)軟件控制。此方案融合了電腦軟件、網(wǎng)絡(luò)通信、圖像處理、圖形顯示、運(yùn)動(dòng)控制、速度采集和溫度采集等技術(shù)，具有“物聯(lián)網(wǎng)”的相關(guān)特點(diǎn)。傳統(tǒng)的小車控制大多使用紅外通信，使用遙控器進(jìn)行控制，不但受到距離的限制，而且遠(yuǎn)沒(méi)有電腦軟件直觀美觀。互聯(lián)網(wǎng)通信使小車具備遠(yuǎn)程控制的能力，這是紅外通信望塵莫及的。此外，本方案小車控制芯片采用Cortex-M3單片機(jī)，該單片機(jī)具有極豐富的外設(shè)，這給小車以后功能升級(jí)和擴(kuò)展奠定了基礎(chǔ)。

1 總體設(shè)計(jì)方案

WiFi物聯(lián)網(wǎng)小車設(shè)計(jì)方案需要達(dá)到的目的是使用電腦軟件(簡(jiǎn)稱上位機(jī))通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)與小車控制端(簡(jiǎn)稱下位機(jī))進(jìn)行通信，從而控制小車的運(yùn)動(dòng)，采集小車的速度、溫度以及視頻監(jiān)控等功能?？傮w設(shè)計(jì)方案如圖1所示。圖中有2種通信模式可選，其中“WiFi局域網(wǎng)小車控制”是采用局域網(wǎng)的方式，將上位機(jī)、無(wú)線路由器和小車組成一個(gè)局域網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)控制小車的目的?！盎ヂ?lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程小車控制方案”是采用遠(yuǎn)程互聯(lián)網(wǎng)的方式，將上位機(jī)與小車組成一個(gè)互聯(lián)網(wǎng)，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制小車的目的。2種方案的技術(shù)類似，由于受到實(shí)驗(yàn)條件的限制，本設(shè)計(jì)以局域網(wǎng)小車控制為例進(jìn)行講解說(shuō)明［1］。

圖1 總體方案設(shè)計(jì)

從通信的角度來(lái)講，無(wú)線路由器是上位機(jī)和下位機(jī)的數(shù)據(jù)中心，上位機(jī)通過(guò)Winsocket套接字編程創(chuàng)建一個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口與路由器進(jìn)行連接，小車端通過(guò)一個(gè)串口轉(zhuǎn)WiFi模塊，將串口數(shù)據(jù)通過(guò)WiFi模塊轉(zhuǎn)換成WiFi信號(hào)與路由器交互。此過(guò)程中，上位機(jī)和下位機(jī)WiFi模塊均有一個(gè)獨(dú)立的局域網(wǎng)IP地址。通過(guò)這個(gè)IP地址上位機(jī)和下位機(jī)便可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信。

從控制的角度來(lái)講，上位機(jī)是小車的控制中心，上位機(jī)通過(guò)“按鍵”發(fā)出指令給小車，小車收到指令后回傳相關(guān)數(shù)據(jù)給上位機(jī)，上位機(jī)收到小車回傳的數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)解析，將其顯示出來(lái)。

1．1 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)主要功能是控制小車運(yùn)動(dòng)，顯示小車的速度、周圍的溫度以及小車采集的攝像。如圖2所示，這些功能由2個(gè)線程來(lái)完成分別是“圖像、聲音處理線程”和“小車運(yùn)動(dòng)控制，速度、溫度采集線程”等。前一個(gè)線程主要負(fù)責(zé)接收并處理有小車WiFi攝像頭傳過(guò)來(lái)的圖像信息和音頻信息，此部分主要涉及到DirectShow相關(guān)技術(shù)。后一個(gè)線程主要負(fù)責(zé)小車運(yùn)動(dòng)的控制，包括“前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、停止、加速、減速、轉(zhuǎn)向燈和喇叭”以及接收處理小車回傳的溫度和速度信息等，并用虛擬圖表顯示出來(lái)。上位機(jī)軟件2個(gè)線程都創(chuàng)建了一個(gè)互不相干的套接字，前者用于與小車WiFi攝像頭進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，后者用于與小車串口轉(zhuǎn)WiFi模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

圖2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)方案

1．2 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)，即 Cortex-M3核心處理器的程序設(shè)計(jì)，如圖3所示。設(shè)計(jì)方案主要包括:攝像的控制、小車4個(gè)電機(jī)的控制、DS18B20溫度數(shù)據(jù)的采集、紅外對(duì)管速度模塊數(shù)據(jù)的采集以及采集到數(shù)據(jù)后數(shù)據(jù)的處理打包發(fā)送等內(nèi)容。其中攝像的控制、電機(jī)控制以及溫度和速度的采集均以函數(shù)的形式獲取，當(dāng)下位機(jī)收到上位機(jī)的相關(guān)命令后，便調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)獲取到結(jié)果后用固定的格式發(fā)送給上位機(jī)。

圖3 下位機(jī)軟件方案

下位機(jī)實(shí)現(xiàn)WiFi與無(wú)線路由器通信的核心是串口轉(zhuǎn)WiFi模塊，通過(guò)這個(gè)模塊可以將下位機(jī)發(fā)送的串口數(shù)據(jù)直接轉(zhuǎn)換成WiFi信號(hào)發(fā)射出去。在使用此模塊之前可以通過(guò)多種方式進(jìn)行配置，只要配置好了，便可以與制定的WiFi接入點(diǎn)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信。

2 設(shè)計(jì)方案特點(diǎn)及擴(kuò)展說(shuō)明

2．1 特點(diǎn)介紹

本方案是基于將電腦軟件、互聯(lián)網(wǎng)通信以及單片機(jī)技術(shù)相結(jié)合的理念構(gòu)想設(shè)計(jì)的。從單片機(jī)的選型、通信方案的確定以及上位機(jī)軟件的設(shè)計(jì)等都與傳統(tǒng)的“智能小車”有很大的特別之處。以下是本設(shè)計(jì)方案的3大特色:

①小車的控制芯片采用功能強(qiáng)大的Cortex-M3 32位高性能、低功耗的處理器，該芯片具有豐富的外設(shè)，芯片還支持ARM公司提供的RLTx實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，使用起來(lái)非常方便［2］;

②通信方式采用TCP/IP通信協(xié)議，使用無(wú)線WiFi技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)小車的控制。此通信方案(如圖1)，在具有私有IP的情況下可以連接遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)，可以通過(guò)遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)遙控小車，這在“智能家居”和“遠(yuǎn)程醫(yī)療”等領(lǐng)域?qū)?huì)有不錯(cuò)的使用價(jià)值;

③利用電腦上位機(jī)管理軟件，使單片機(jī)控制、網(wǎng)絡(luò)通信和計(jì)算機(jī)軟件有效地結(jié)合。此方案設(shè)計(jì)上位機(jī)軟件來(lái)管理小車，符合將復(fù)雜的控制簡(jiǎn)單化、界面化的設(shè)計(jì)理念。

2．2 擴(kuò)展說(shuō)明

Cortex-M3單片機(jī)強(qiáng)大豐富的外設(shè)資源為本設(shè)計(jì)的擴(kuò)展奠定了強(qiáng)大的基礎(chǔ)。除了已實(shí)現(xiàn)的功能外，單片機(jī)還剩下2個(gè)串口未用，這使小車還可以添加如下功能［3］:GPS導(dǎo)航功能、語(yǔ)音功能以及GSM/GPRS發(fā)短信、打電話和無(wú)線上網(wǎng)功能。

3 方案難點(diǎn)及關(guān)鍵技術(shù)

方案難點(diǎn)有:

①上位機(jī)控制小車的運(yùn)動(dòng)對(duì)實(shí)時(shí)性的要求很高，而采集小車的速度并用表盤顯示出來(lái)，這對(duì)通信的穩(wěn)定性又提出了要求，而對(duì)于本來(lái)就存在延時(shí)的TCP/IP通信來(lái)說(shuō)更是難上加難;

②圖像處理主要是借鑒網(wǎng)上DirectShow開(kāi)發(fā)指南中提供的技術(shù)，很多內(nèi)部的處理機(jī)制和信號(hào)過(guò)濾器的使用是難點(diǎn);

③上位機(jī)速度表盤顯示速度不連貫，偶爾還有“卡死”的現(xiàn)象。

關(guān)鍵技術(shù)有:① 通信協(xié)議的制定;② 下位機(jī)采集并處理信息的方法;③ 上位機(jī)套接字編程，速度表盤動(dòng)態(tài)顯示速度;④ 上位機(jī)顯示小車監(jiān)控視屏［4］;⑤ 小車作為 WiFi接入點(diǎn)接入網(wǎng)絡(luò)［5］。

4 系統(tǒng)仿真結(jié)果分析

4．1 WiFi物聯(lián)網(wǎng)小車整體外觀

小車整體外觀如圖4和圖5所示，系統(tǒng)由上位機(jī)和小車組成，小車控制電路放在小車上。小車控制器主要包括:電機(jī)控制、測(cè)速、測(cè)溫、通信、圖像采集［6］和無(wú)線路由等。

圖4 WiFi物聯(lián)網(wǎng)小車

圖5 小車俯視圖

4．2 系統(tǒng)整體調(diào)試

WiFi物聯(lián)網(wǎng)小車控制系統(tǒng)［7］上位機(jī)界面主要包括:網(wǎng)絡(luò)設(shè)置、功能設(shè)置、視屏監(jiān)控區(qū)、運(yùn)動(dòng)控制區(qū)、速度顯示區(qū)、溫度顯示區(qū)以及調(diào)試窗口。網(wǎng)絡(luò)設(shè)置用于上位機(jī)與小車進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接，輸入小車IP地址，點(diǎn)擊“連接”即可。視頻監(jiān)控［8］功能需要小車端安裝WiFi攝像頭，通過(guò)點(diǎn)擊視頻顯示框下面的“Call”按鈕可以連接WiFi攝像頭的IP地址，連接成功即可獲取攝像頭采集到的圖像。運(yùn)動(dòng)控制區(qū)用于控制小車的運(yùn)動(dòng)和顯示小車的轉(zhuǎn)向燈、喇叭等。速度顯示區(qū)是一個(gè)速度表盤用于顯示小車的實(shí)時(shí)速度。溫度顯示區(qū)是一個(gè)溫度計(jì)的圖形界面，可以顯示小車上DS18B20傳感器的溫度值。通信調(diào)試窗口在調(diào)試程序時(shí)使用。

4．2．1 網(wǎng)絡(luò)連接

網(wǎng)絡(luò)連接調(diào)試使用網(wǎng)上下載的TCP網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手，首先設(shè)置TCP調(diào)試助手為服務(wù)器模式，設(shè)置服務(wù)器監(jiān)聽(tīng) IP為192.168.16.110，端口設(shè)為345，連接網(wǎng)絡(luò)，此IP地址和端口號(hào)是UART轉(zhuǎn)WiFi模塊的IP地址和端口號(hào)，通過(guò)單片機(jī)用AT指令設(shè)定。網(wǎng)絡(luò)連接成功后，小車上位機(jī)會(huì)不斷的發(fā)送“014，SR1，TE1，029.6”，表示小車端當(dāng)前的溫度是 29.6℃。

4．2．2 小車運(yùn)動(dòng)

小車運(yùn)動(dòng)控制部分的調(diào)試同樣采用上位機(jī)和TCP網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手進(jìn)行調(diào)試。連接好網(wǎng)絡(luò)后，在上位機(jī)上分別點(diǎn)擊“↑”，“↓”，“←”，“→”，“█”，“加速”，“減速”。在調(diào)試助手接收窗口上依次接收到“:014，SG1，UP1，;”、“:014，SG1，DO1，;”、“:014，SG1，LE1，;”、“:014，SG1，RI1，;”、“:014，SG1，ST1，;”、“:014，SG1，AD1，;”和 “:014，SG1，SU1，;”，分別表示“前進(jìn)”，“后退”，“左轉(zhuǎn)”，“右轉(zhuǎn)”，“停止”，“加速”和“減速”。

4．2．3 溫度和速度的顯示

溫度和速度的測(cè)試直接在小車的實(shí)際運(yùn)動(dòng)過(guò)程中進(jìn)行測(cè)試。打開(kāi)小車，連接上位機(jī)，用手捂住小車上的DS18B20，觀察上位機(jī)上溫度顯示區(qū)模擬溫度計(jì)的度數(shù)變化，然后用手轉(zhuǎn)動(dòng)小車的輪子觀察上位機(jī)速度顯示區(qū)速度表盤指針的變化，改變溫度和速度的大小，發(fā)現(xiàn)速度表盤指針和溫度指示相應(yīng)發(fā)生變化，因此可以判斷溫度和速度的傳輸沒(méi)有問(wèn)題。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)反復(fù)調(diào)試和修改代碼，可以實(shí)現(xiàn)預(yù)想的功能。通信穩(wěn)定，小車的控制可靠，數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確度和靈敏度達(dá)到要求。在不涉及到遠(yuǎn)程聯(lián)網(wǎng)控制的情況下，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)普通的紅外遙控小車和無(wú)線射頻遙控小車。方案的意義在于將電腦軟件技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和單片機(jī)技術(shù)有效結(jié)合，突出體現(xiàn)并且深化了“物聯(lián)網(wǎng)”的含義，未來(lái)必將廣泛應(yīng)用于社會(huì)生活和生產(chǎn)中。方案的應(yīng)用領(lǐng)域主要有無(wú)人駕駛、遠(yuǎn)程監(jiān)控和智能家居等。

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