基于無線Wi—Fi控制的可視頻智能避障小車設(shè)計(jì)

焦振田 謝佳凱 郗艷華 張玉葉

【摘要】本文主要介紹了一種具有智能避障、視頻監(jiān)控、無線Wi-Fi控制的智能小車的設(shè)計(jì)。該車以STC90C516RD+單片機(jī)為主控芯片，結(jié)合超聲波傳感器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)避障，并能通過無線Wi-Fi實(shí)現(xiàn)控制和實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控，能有效的實(shí)現(xiàn)對(duì)陌生和危險(xiǎn)環(huán)境的探索。經(jīng)反復(fù)測(cè)試調(diào)整，使該車可以實(shí)現(xiàn)110米有效距離的精準(zhǔn)控制和實(shí)時(shí)視頻的穩(wěn)定傳輸。

【關(guān)鍵詞】避障;智能;Wi-Fi

1.總體方案

總體設(shè)計(jì)方案：

該智能小車由MCU主控電路，Wi-Fi模塊，舵機(jī)、避障模塊，攝像模塊和電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊組成。

Wi-Fi無線模塊負(fù)責(zé)用于將視頻信號(hào)傳輸給上位機(jī)，同時(shí)將上位機(jī)的控制信號(hào)傳給MCU控制芯片。MCU為小車控制的核心，MCU接收控制信號(hào)，并將控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為小車控制信號(hào)，從而控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊以及超聲避障模塊。電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊可以實(shí)現(xiàn)小車的前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)四個(gè)動(dòng)作。超聲避障模塊可以實(shí)現(xiàn)小車智能自動(dòng)探路。整機(jī)系統(tǒng)圖如圖1所示。

圖1 整機(jī)系統(tǒng)圖

2.單元電路設(shè)計(jì)

2.1 MCU

MCU接收Wi-Fi模塊傳輸?shù)目刂菩盘?hào)，經(jīng)過內(nèi)部程序的判斷，來控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和避障模塊。由于操控舵機(jī)時(shí)需要一個(gè)時(shí)鐘，操控超聲波避障時(shí)需要一個(gè)時(shí)鐘，UAR串行通信時(shí)需要一個(gè)時(shí)鐘，故使用兩片51單片機(jī)完成任務(wù)。MCU選擇結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于操控的宏晶公司生產(chǎn)的STC90C516RD+芯片，其特點(diǎn)是51內(nèi)核，運(yùn)算速度快，工作頻帶寬[1]。

2.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

為了增強(qiáng)單片機(jī)對(duì)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)能力，利用電極驅(qū)動(dòng)模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。該模塊是SGS 公司的產(chǎn)品，其內(nèi)部包含4通道邏輯驅(qū)動(dòng)電路，即內(nèi)含二個(gè)H橋的高電壓大電流雙全橋式驅(qū)動(dòng)器，接收標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號(hào)，可驅(qū)動(dòng)46V、2A以下的電機(jī)[2]。一片L298N可以驅(qū)動(dòng)兩個(gè)直流電機(jī)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊負(fù)責(zé)接收單片機(jī)控制信號(hào)，從而控制電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。同時(shí)，在單片機(jī)與L298N之間增設(shè)隔離光耦，以保證單片機(jī)不會(huì)被浪涌電流燒毀。電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊是單片機(jī)控制小車運(yùn)行狀態(tài)的中間橋梁。其電路圖如圖2所示。

2.3 無線Wi-Fi模塊與攝像頭模塊

Wi-Fi模塊關(guān)系到智能小車與上位機(jī)的通訊。Wi-Fi全稱Wireless Fidelity，實(shí)質(zhì)上是一種商業(yè)認(rèn)證，具有Wi-Fi認(rèn)證的產(chǎn)品符合IEEE 802.11a/b/g/n無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)范，它是當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的WLAN 標(biāo)準(zhǔn)，一般工作在2.4Ghz 頻段[3]，是當(dāng)今使用最廣的一種無線網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)，它可以把有線信號(hào)轉(zhuǎn)換成無線保真信號(hào)，供支持其技術(shù)的電腦，手機(jī)，PDA等接受。Wi-Fi模塊主要是將有線硬件方面接收到的TTL電平轉(zhuǎn)換為Wi-Fi無線信號(hào)。Wi-Fi模塊的發(fā)射端與接收端，需要有共同的通信協(xié)議。通過通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換，接收設(shè)備將會(huì)把Wi-Fi無線信號(hào)重新翻譯成TTL電信號(hào)，從而達(dá)到遠(yuǎn)距離的通信。

Wi-Fi模塊不僅用于實(shí)現(xiàn)控制端與小車的通信，同時(shí)還負(fù)責(zé)將采集的視頻信號(hào)傳回控制端。Wi-Fi通信板或無線路由器實(shí)現(xiàn)該功能。但如果考慮到無線Wi-Fi通信部設(shè)備的兼容與配合性能，還應(yīng)繼續(xù)考慮各個(gè)外設(shè)模塊。

與Wi-Fi模塊的通信最直接相關(guān)的是單片機(jī)與攝像頭。由于Wi-Fi通信板僅支持串行通信協(xié)議，因此Wi-Fi模塊與單片機(jī)之間的通信很容易實(shí)現(xiàn)。而對(duì)于攝像頭與Wi-Fi模塊之間的通信則相對(duì)復(fù)雜。而且對(duì)于攝像頭的選用，為保證視頻傳輸?shù)牧鲿承?，必須選擇速度快，畫面質(zhì)量好，易于驅(qū)動(dòng)，故障率低，性價(jià)比高的攝像頭。用于試驗(yàn)開發(fā)的Wi-Fi通信板與外部只能實(shí)現(xiàn)串行通信。而串口攝像頭的傳輸速度慢，驅(qū)動(dòng)復(fù)雜，不能滿足選擇攝像頭的。若采用無線路由器與USB攝像頭的連接，則可以較完整的完成通信與攝像任務(wù)。并選用市場(chǎng)上常見的大亞DB 120 wg路由器與免驅(qū)動(dòng)攝像頭。

2.4 舵機(jī)模塊

舵機(jī)是一種位置伺服的驅(qū)動(dòng)器，適用于那些需要角度不斷變化并能夠保持的控制系統(tǒng)。能夠在微機(jī)電系統(tǒng)和航模中作為基本的輸出執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其簡(jiǎn)單的控制和輸出使得單片機(jī)系統(tǒng)很容易與之接口[4]。為了實(shí)現(xiàn)小車自動(dòng)避障，需要對(duì)小車前方180°范圍內(nèi)障礙進(jìn)行檢測(cè)，所以選擇小型舵機(jī)，通過改變PWM波使舵機(jī)旋轉(zhuǎn)從而帶動(dòng)超聲波模塊檢測(cè)周圍障礙物情況。舵機(jī)內(nèi)部驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示。

圖3 舵機(jī)模塊內(nèi)部電路

2.5 超聲避障模塊

在探測(cè)周圍障礙物時(shí)應(yīng)盡量采用反射式非接觸檢測(cè)，其中超聲波測(cè)距模塊可提供2cm-400cm的非接觸式距離感測(cè)功能，測(cè)距精度可達(dá)高到3mm;通過超聲波模塊配合舵機(jī)來檢測(cè)小車周圍的障礙情況，其中模塊包括超聲波發(fā)射器、接收器與控制電路?；竟ぷ髟恚海?）采用IO口TRIG觸發(fā)測(cè)距，給至少10us的高電平信號(hào);（2）模塊自動(dòng)發(fā)8個(gè)40khz的方波，自動(dòng)檢測(cè)是否有信號(hào)返回;（3）有信號(hào)返回，通過IO口ECHO輸出一個(gè)高電平，高電平持續(xù)的時(shí)間就是超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間。超聲波接收器接收到第一個(gè)反射波后，定時(shí)器停止計(jì)時(shí)。定時(shí)器所計(jì)的數(shù)據(jù)就是超聲波所經(jīng)歷的時(shí)間，通過公式換算就可以得到傳感器與障礙物之間的距離[5]。測(cè)試距離=（高電平時(shí)間*聲速（340M/S））/2。超聲波系統(tǒng)原理圖如圖4所示。

2.6 USB轉(zhuǎn)串口通信模塊

USB轉(zhuǎn)串口模塊主要是用來實(shí)現(xiàn)無線路由器與單片機(jī)之間的通信。該模塊使用PL2303芯片構(gòu)成下載器。PL2303 是Prolific 公司生產(chǎn)的一種高度集成的RS232-USB接口轉(zhuǎn)換器[6]，可提供一個(gè)RS232全雙工異步串行通信裝置與USB功能接口便利連接的解決方案。該器件內(nèi)置USB功能控制器，USB收發(fā)器，振蕩器和帶有全部調(diào)制解調(diào)器控制信號(hào)的UART。該器件作為USB/RS232雙向轉(zhuǎn)換器，另一方面從RS232外設(shè)接收數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為USB數(shù)據(jù)格式傳送回主機(jī)。

2.7 電源模塊

該系統(tǒng)需要12V、6V、5V三種工作電壓。12V電壓由蓄電池產(chǎn)生，供給無線路由器。6V電壓由12V電壓降壓斬波產(chǎn)生，降壓斬波電路使用TI公司生產(chǎn)的LM2596芯片。5V電壓由路由器的USB接口產(chǎn)生。其中降壓斬波電路如圖5所示。

圖5 降壓斬波電路

3.軟件設(shè)計(jì)

3.1 Wifi模塊軟件設(shè)置

路由器使用的是嵌入式系統(tǒng)，具體的系統(tǒng)配置，以及軟件安裝結(jié)構(gòu)示意圖（下轉(zhuǎn)第139頁）（上接第137頁）如圖6所示。

圖6 路由器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

將電腦的網(wǎng)口連接在路由器的LAN口，進(jìn)入路由器設(shè)置界面。刷新固件，更新文件為db120-openwrt.org.cn-10.03.396.bin。

更新好路由器的系統(tǒng)后，在路由器的USB接口上插上買來的免驅(qū)USB攝像頭。使用電腦連接路由器，在電腦上使用SecureCRTPortable.exe軟件登陸路由器，登陸后輸入命令，來檢查攝像頭是否可以被路由器識(shí)別。

在OpenWrt官方網(wǎng)站上下載mjpg-streamer-r63網(wǎng)頁例程。使用WinSCP.exe軟件將網(wǎng)頁例程中的camwww文件夾復(fù)制到路由器的中，以便可以配置路由器的圖像服務(wù)器。

使用SecureCRTPortable.exe軟件，啟動(dòng)路由器的圖像服務(wù)器，并設(shè)置圖像服務(wù)器為開機(jī)啟動(dòng)，使之能在開機(jī)時(shí)驅(qū)動(dòng)攝像頭。保存后并退出，在瀏覽器中輸入http：//192.168.1.1：8080?？蔀g覽視頻。

路由器與單片機(jī)之間的通信使用PL2303（USB轉(zhuǎn)串行通信）芯片通信，為實(shí)現(xiàn)路由器與PL2303芯片之間的通信功能，要為路由器安裝PL2303的驅(qū)動(dòng)。在OpenWrt的官網(wǎng)上下載kmod-usb-serial-pl2303_2.6.32.10-1_brcm63xx.ipk、libncurses_5.7-2_brcm63xx.ipk和minicom_2.3-1_brcm63xx.ipk，然后進(jìn)入SecureCRTPortable.exe軟件，將軟件安裝于路由器中。安裝完成后，使用minicom命令進(jìn)入minicom軟件。在命令窗口中輸入字符值，路由器就可以向外傳輸字符的ASCII碼值。

為了實(shí)現(xiàn)將命令嵌入到網(wǎng)頁中，需要為OpenWrt安裝lua以及l(fā)iblua，這樣，就可以將網(wǎng)頁嵌入到路由器當(dāng)中，并實(shí)現(xiàn)minicom軟件與網(wǎng)頁件的數(shù)據(jù)交換。

3.2 單片機(jī)程序

程序主要分為兩部分，一部分為Wi-Fi模塊信號(hào)的接受與小車控制信號(hào)的發(fā)送，一部分為控制信號(hào)的接收與小車的控制。整體系統(tǒng)圖如圖7所示。

圖7 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)設(shè)計(jì)為兩片單片機(jī)，第一片單片機(jī)用來進(jìn)行串口通信，接受電腦發(fā)送來的Wi-Fi控制信號(hào)，并進(jìn)行處理，發(fā)送給第二片單片機(jī)。第二片單片機(jī)用來接受第一片單片機(jī)的控制信號(hào)，選擇小車的工作模式，控制小車運(yùn)動(dòng)。對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)和超聲波、舵機(jī)的操控。

3.3 操作界面設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的上位機(jī)可以是電腦或手機(jī)，因此通過網(wǎng)絡(luò)可實(shí)現(xiàn)對(duì)小車控制，并且觀看攝像頭返回的視頻。小車的操控界面采用網(wǎng)頁，主要基于HTML以及Javascript語言。并在網(wǎng)頁中嵌入按鈕，并且使用按鈕發(fā)送腳本控制信息，并通過路由器傳輸給單片機(jī)。視頻信號(hào)由攝像頭捕捉后通過路由器返回給網(wǎng)頁。網(wǎng)頁中使用靜態(tài)圖片刷新方式對(duì)視頻信號(hào)進(jìn)行處理，將視頻顯示出來，這樣視頻既可以在電腦上觀看，又可以在手機(jī)上進(jìn)行觀看。

4.結(jié)論

該小車的控制是通過手機(jī)和電腦實(shí)現(xiàn)，而不單是電腦控制，從而使用更加方便，利用Wi-Fi技術(shù)對(duì)小車進(jìn)行遙控控制，包括小車前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎等功能，而且可以實(shí)時(shí)監(jiān)控小車所處環(huán)境圖像。基于Wi-Fi的控制系統(tǒng)不僅可以控制小車，稍做改動(dòng)就可用來控制電腦、家用電器甚至探測(cè)、排爆機(jī)器人等，同時(shí)也可用于地質(zhì)檢測(cè)設(shè)備的手持終端。如果加以并網(wǎng)，就可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控。因此，該項(xiàng)目的成果將不僅僅局限于一個(gè)遙控小車，更具有價(jià)值的是遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，具有很好的實(shí)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1]姚永平.STC90C51RC+系列單片機(jī)器件手冊(cè)[Z].http：//www.stcmcu.com/：姚永平，2014.

[2]韓志榮，黃鄉(xiāng)生，李躍忠.AT89C51單片機(jī)在直流電機(jī)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].華東地質(zhì)學(xué)院學(xué)報(bào)，2002，25（1）：70-74.

[3]李曉陽.WiFi技術(shù)及其應(yīng)用與發(fā)展[J].信息技術(shù)，2012（2）：

196-198.

[4]遠(yuǎn)飛.基于AT89S52單片機(jī)的舵機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子元器件應(yīng)用，2011（12）：26-28.

[5]張波，王朋亮.基于STC89C51單片機(jī)超聲波測(cè)距系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].機(jī)床與液壓，2010（18）：56-58.

[6]Prolific Technology Inc.PL2303 DataSheet[EB/OL].2004.http：//www.prolific.com.tw/support/files//IO%20Cable/PL-2303X/Documents/Datasheet/ds_pl2303XA_v15F.pdf.

基金項(xiàng)目：陜西省大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（編號(hào)：1826）;咸陽師范學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（編號(hào)：XSYCX2013043）;咸陽師范學(xué)院專項(xiàng)科研基金項(xiàng)目（編號(hào)：12XSYK019）。

作者簡(jiǎn)介：

焦振田（1991—），男，河北滄州人，大學(xué)本科，現(xiàn)就讀于咸陽師范學(xué)院電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)。

謝佳凱（1992—），男，陜西富平人，大學(xué)本科，現(xiàn)就讀于咸陽師范學(xué)院電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)。

郗艷華（1974—），女，陜西蒲城人，咸陽師范學(xué)院副教授，研究方向：電子技術(shù)和數(shù)字圖像處理。

張玉葉（1979—），陜西咸陽人，咸陽師范學(xué)院講師，研究方向：控制理論與控制技術(shù)。