一種ZigBee無線遙控小車的設(shè)計

楊述斌，邱倩文，張陔

武漢工程大學(xué)電氣信息學(xué)院，湖北 武漢 430205

一種ZigBee無線遙控小車的設(shè)計

楊述斌，邱倩文，張陔

武漢工程大學(xué)電氣信息學(xué)院，湖北 武漢 430205

為了解決傳統(tǒng)小車控制距離受限，信息采集不穩(wěn)定，數(shù)據(jù)傳輸速率低，實時性不高等缺點，設(shè)計了一種基于ZigBee的遠(yuǎn)程無線遙控小車.小車可采集環(huán)境參數(shù)，并將所測信息實時傳輸給用戶.設(shè)計分為三個部分：TFT－LCD輸入控制命令，通過ZigBee發(fā)送到小車；小車的單片機(jī)控制小車完成測距、溫濕度檢測、檢測移動人體、避障、運動、循跡，并將結(jié)果發(fā)送給ZigBee；兩個ZigBee通信并將結(jié)果發(fā)送到遙控器.實驗表明：小車控制信號和傳感器采集數(shù)據(jù)實現(xiàn)了雙向傳輸；采用多傳感器并發(fā)處理技術(shù)，獲取的數(shù)據(jù)精度高.小車反應(yīng)快速易操作，提高了小車運行的穩(wěn)定性.

ZigBee；STC12C5A60S2；無線遙控小車

0 引言

隨著智能機(jī)器人的快速發(fā)展，無線遙控小車逐步成為智能控制領(lǐng)域研究的新熱點.小車隨著無線通信技術(shù)的成熟在智能控制方向也取得了飛速的發(fā)展.無線遙控小車可實現(xiàn)在特殊環(huán)境中處理高危險工作，遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)無線傳輸，減少了人力，物力，財力資源的投入.由于在各種環(huán)境下檢測的同時，必須對其在復(fù)雜環(huán)境下的運動進(jìn)行穩(wěn)定快速的控制，且要盡可能的獲取更多的信息，以往的小車設(shè)計功能太簡單，小車的穩(wěn)定性、靈敏度、實時性都不高，且耗時長，因此需要設(shè)計一種無線遙控小車來滿足智能性、穩(wěn)定性、安全性高的要求.

目前，無線控制小車的通信技術(shù)有Bluetooth、WiFi和ZigBee.利用手機(jī)Bluetooth［1］去控制小車，通過串口仿真協(xié)議進(jìn)行通信，小車接收手機(jī)信號可控制小車前進(jìn)、倒退、左右轉(zhuǎn)、停止等功能，但Bluetooth抗干擾能力較弱、傳輸距離很短、信息安全問題等缺點，且操作復(fù)雜、小車運動不穩(wěn)定，方向不易控制.利用WiFi［2］可實現(xiàn)用戶監(jiān)控端與小車的數(shù)據(jù)傳輸，建網(wǎng)快速，但需手動輸入IP和端口來連接WiFi，小車反應(yīng)速度慢，且WiFi不保證通訊服務(wù)質(zhì)量，功耗較大.

本研究采用的ZigBee技術(shù)同其他幾種無線通信方式相比，具有低功耗、低成本、網(wǎng)絡(luò)時延短、安全性高等優(yōu)點［3－4］，有效的解決了傳統(tǒng)小車功能簡單、穩(wěn)定性差、數(shù)據(jù)傳輸耗時長等缺點，使得小車可實現(xiàn)遠(yuǎn)程管理、無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?，具有較高的應(yīng)用價值.

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計

本設(shè)計利用ZigBee技術(shù)實現(xiàn)小車端和遙控端之間的雙向通信，控制小車自動循跡，運行穩(wěn)定，能在1.6m內(nèi)檢測到移動人體，4m內(nèi)測量障礙物距離并在30 cm內(nèi)避障，檢測室內(nèi)環(huán)境溫度誤差控制在±2℃，濕度±5%RH，整個過程控制在30 s內(nèi)完成.系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，該系統(tǒng)包括兩個部分即小車端和遙控器端，各配有一個ZigBee模塊，小車端的ZigBee為接收模塊，遙控器端的Zig-Bee為發(fā)送模塊.采用STC12C5A60S2作為主控制器，其中小車端還包括各種傳感器模塊，循跡模塊，電機(jī)控制模塊.TFT－LCD顯示小車傳輸數(shù)據(jù).

2 主要硬件電路設(shè)計

2.1 STC單片機(jī)最小系統(tǒng)電路

STC12C5A60S2單片機(jī)是宏晶科技生產(chǎn)的單時鐘／機(jī)器周期的單片機(jī)，內(nèi)部集成2路PWM和8路高速10位A／D轉(zhuǎn)換［5］.STC單片機(jī)最小系統(tǒng)電路如圖2所示.

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall structure of system

圖2 STC單片機(jī)最小系統(tǒng)電路圖Fig.2 Circuit diagram ofminimum system of STCmicrocontroller

單片機(jī)P1口控制小車電機(jī)驅(qū)動，P2.0－P2.3作輸入引腳接循跡模塊，P2.4分給紅外熱釋電模塊.P3口分配給ZigBee模塊和紅外避障模塊.P0、P1、P2和P3.3－P3.7作為復(fù)用引腳控制TFT－LCD.P4.7為紅外發(fā)射管輸出引腳.P5.0和P5.1控制超聲波傳感器，P5.2接收溫度傳感器的數(shù)據(jù).

2.2 傳感器接口電路

小車的傳感器接口電路如圖3所示，包括了兩個紅外避障傳感器（圖3中的a，b），超聲波傳感器（c），人體紅外熱釋電傳感器（d），溫度傳感器（e）.

避障、測距、檢測移動人體、測溫濕度都作為單片機(jī)的中斷事件.其中紅外避障模塊采用555定時器構(gòu)成多諧振蕩器，脈沖產(chǎn)生電路驅(qū)動紅外發(fā)射管的開啟與關(guān)閉，當(dāng)檢測到有障礙物時，紅外線接收頭產(chǎn)生一個低電平，指示燈點亮.超聲波模塊采用HC－SR04，利用TRIG觸發(fā)測距，給至少10us的高電平信號，模塊自動發(fā)送8個40 kHz的方波檢測是否有信號返回，當(dāng)有信號返回時，通過ECHO輸出一個高電平，根據(jù)高電平持續(xù)的時間計算出障礙物的距離.人體紅外熱釋電采用HCSR501，利用溫度變化特征探測紅外線輻射，當(dāng)有人進(jìn)入其感應(yīng)范圍時輸出高電平，人離開感應(yīng)范圍時則自動關(guān)閉高電平.小車采用DHT11溫濕度傳感器檢測溫濕度，具有體積小、功耗低、響應(yīng)速度快等優(yōu)點.

圖3 傳感器接口電路圖Fig.3 Circuit diagram of sensor interface

2.3 電機(jī)驅(qū)動模塊電路

STC12C5A60S2單片機(jī)控制L298N結(jié)合輸出的PWM信號控制小車運動.電機(jī)驅(qū)動模塊電路如圖4所示，其中OUT1－OUT4分別接小車左右兩路電機(jī)，IN1－IN4引腳從單片機(jī)接輸入控制電平控制小車左右電機(jī)正反轉(zhuǎn)，通過輸出的PWM對電機(jī)調(diào)速，從而對拐彎的調(diào)整控制.電機(jī)控制邏輯如表1所示.

2.4 循跡電路

循跡電路如圖5所示，包含4路紅外發(fā)射管和接收管.小車沿黑線前行，當(dāng)檢測到黑線時，單片機(jī)讀“0”，檢測到白線時讀“1”.IR1－IR4控制小車運動，當(dāng)IR1和IR2同為1時控制小車右轉(zhuǎn)，用IR3和IR4控制小車右轉(zhuǎn)角度；當(dāng)IR3和IR4同時為1時控制小車左轉(zhuǎn)，用IR1和IR2控制小車左轉(zhuǎn)角度；當(dāng)四路控制邏輯同為1時小車保持原運動軌跡；當(dāng)IR2和IR3同為0，IR1和IR4位與得0時小車停止，IR1和IR4位與得1時小車?yán)^續(xù)前進(jìn).

圖4 電機(jī)驅(qū)動模塊電路圖Fig.4 Circuit diagram of drivermodule of motor

表1 電機(jī)控制邏輯Table1 Control logic ofmotor

圖5 循跡電路圖Fig.5 Circuit diagram of tracking

2.5 ZigBee模塊電路

ZigBee是一種常用的無線傳輸技術(shù)，它具有近距離、低復(fù)雜度、低功耗和低成本等特點.本設(shè)計使用基于CC2530的ZigBee無線通信模塊進(jìn)行遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸［5］.該芯片是ZigBee技術(shù)應(yīng)用方案的最新一代片上系統(tǒng)，它能以極低的成本構(gòu)建強大的無線網(wǎng)絡(luò)，完全符合IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，并結(jié)合了RF收發(fā)器的優(yōu)良性能，具備多種運行模式，可適應(yīng)于超低功耗的系統(tǒng)且設(shè)計出來的硬件模塊體積小，非常適應(yīng)于小型的無線智能小車上.在該設(shè)計中小車端和遙控器分別配有一塊ZigBee模塊，可將傳感器采集的信息無線傳輸?shù)竭b控器端，遙控器端根據(jù)傳回的信息控制小車執(zhí)行任務(wù).將兩個ZigBee模塊分別設(shè)置串口中斷，單片機(jī)串口RXD、TXD和ZigBee模塊串口互連，測距、溫濕度檢測、避障、小車運動、循跡都對應(yīng)一個中斷事件，當(dāng)TFT屏中對應(yīng)功能圖標(biāo)被按下，單片機(jī)會向串口發(fā)出一條命令觸發(fā)ZigBee模塊的串口中斷，遙控端的ZigBee模塊收到的命令傳給小車端ZigBee模塊，并通過串口發(fā)給小車端的單片機(jī)，小車端單片機(jī)串口接收到命令后控制小車執(zhí)行中斷事件.以相同的方式，小車端將采集的數(shù)據(jù)通過ZigBee發(fā)送到遙控器端并在觸摸屏上顯示.ZigBee模塊電路如圖6所示.

圖6 ZigBee無線模塊電路圖Fig.6 Circuit diagram of ZigBee wirelessmodule

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

小車基于μC／OS－II操作系統(tǒng)，采用多任務(wù)并發(fā)運行機(jī)制，使得系統(tǒng)具有良好的實時性.小車的溫濕度檢測、測距、檢測移動人體、避障、小車運動等均單獨成為一個任務(wù)，在與ZigBee通信時各任務(wù)間分別通過一個消息郵箱傳遞數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)發(fā)送給遙控器端.利用消息隊列UARTxQ從ZigBee通信任務(wù)接收來自遙控器端發(fā)出的控制信號，經(jīng)過消息郵箱MotoCtrlMbox發(fā)送到小車從而控制小車執(zhí)行相應(yīng)操作［7］.遙控器端在TFT－LCD上建立系統(tǒng)的控制界面，通過觸摸不同的功能按鈕，實現(xiàn)小車采集環(huán)境溫濕度、避障和測距和無線運動等功能.

4 實驗測試結(jié)果

本次設(shè)計的基于ZigBee無線遙控小車，實物設(shè)計如圖7所示，左邊為小車端，右邊為遙控端.圖8控制小車運動和小車自動循跡，通過PWM調(diào)速，當(dāng)小車行駛在拐彎處時轉(zhuǎn)彎及時且車速平穩(wěn)，小車可嚴(yán)格按黑線循跡.圖9超聲波傳感器測量障礙物距離顯示為23mm，小車測距范圍可從2~ 400 cm.圖10小車采用左右兩個避障模塊檢測小車移動前方的障礙物，準(zhǔn)確率高，用HC－SR501模塊檢測移動人體，檢測最大范圍為1.6m.圖11室內(nèi)實際溫度為23℃，濕度為53%RH，小車采集環(huán)境溫度以十六進(jìn)制形式在3 s內(nèi)自動繪制出曲線圖顯示在屏幕上，圖中溫度為16 H，濕度為38 H，轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制形式的溫度為22℃，濕度為56% RH，誤差小，所測數(shù)據(jù)結(jié)果直觀清楚.圖12中用此界面無線控制小車按照傳輸命令運動，小車方向易于控制.測試結(jié)果見表2，通過ZigBee無線通信，無需手動搜索和連接服務(wù)，操作簡單，傳輸數(shù)據(jù)不僅精度高且速度快，具有實時性.

圖7 實物設(shè)計圖Fig.7 Design diagram of real object

圖10 避障和人體檢測Fig.10 Obstacle avoidance and human detection

圖11 溫濕度采集Fig.11 T emperature and humidity collection

圖12 無線運動界面Fig.12 Interface ofwirelessmoving

表2 測試結(jié)果Table 2 Results of test

5 結(jié)語

本設(shè)計利用ZigBee技術(shù)成功實現(xiàn)了對小車的無線控制，具有智能性，但不脫離人的控制.小車可在1 s內(nèi)測量在400 cm內(nèi)物體的距離，在1.6m內(nèi)可檢測到移動人體，30 cm內(nèi)避障，檢測環(huán)境溫度范圍可從0～50℃，濕度范圍可從20%～90%RH，精度高且在3 s內(nèi)通過曲線圖顯示，小車可嚴(yán)格的按黑線循跡且運動角度擴(kuò)大.小車在整個運行中通信穩(wěn)定，控制可靠，所測數(shù)據(jù)精度和傳輸速率高，小車基于嵌入式實時操作系統(tǒng)μC／OS－II，使用多任務(wù)機(jī)制，使其具有很好的實時性，達(dá)到了預(yù)想的功能.

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Design of vehiclew ith ZigBeew ireless remote control

YANG Shu－bin，QIU Qian－wen，ZHANG Gai
School of Electrical and Information Engineering，Wuhan Institute of Technology，Wuhan 430205，China

Aimed at the disadvantages of traditional vehicles，such as limited distances，unstable information collection，low efficiency of data transmission and low real-time，we designed a wireless remote control vehicle，which could collect environmental parameters and transmit the measured information to the users.The control command input on the liquid crystal display was sent to the vehicle by ZigBee，and the vehicle controlled bymicro-programmed control unit to accomplish ranging，measure the temperature and humidity，and detect themoving human body，the obstacle avoidance and the automatic tracking，then it sent the results to ZigBee.Two ZigBee communicate with each other to transfer the results to the remote control.The results show that the wireless remote control vehicle can achieve the bidirectional transmission between the control signals and data from sensors，and obtain the high precision data by using themulti-sensor parallel processing technology.The wireless remote control vehicle responses quickly，and the stability and real-time of its operation is improved.

ZigBee；STC12C5A60S2；w ireless remote vehicle

TP23

A

10.3969/j.issn.1674-2869.2015.12.012

1674－2869（2015）12－0053－07

本文編輯：龔曉寧

2015-11-02

智能機(jī)器人湖北省重點實驗室開放基金項目（HBIR201406）

楊述斌（1971-），男，湖北武漢人，教授，碩士.研究方向：信號與圖像處理，模型識別及多媒體通信.