基于WSN嵌入式智能視頻小車的研究與設(shè)計(jì)

戴澤淼，章　飛，顏世波

(安徽國(guó)防科技職業(yè)學(xué)院信息工程系，安徽 六安 237011)

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基于WSN嵌入式智能視頻小車的研究與設(shè)計(jì)

戴澤淼，章飛，顏世波

(安徽國(guó)防科技職業(yè)學(xué)院信息工程系，安徽 六安 237011)

摘要：以直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的小車為載體設(shè)計(jì)了一種嵌入式車型機(jī)器人，使用STC15系列IAP15F2K61S2微控制器作為智能小車的控制核心，采用WiFi無線通信模塊與上位機(jī)通信.通過紅外光電傳感器檢測(cè)跑道軌跡，電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L298N結(jié)合PWM信號(hào)控制直流電機(jī)前進(jìn)的速度和方向，超聲波測(cè)距模塊則可以檢測(cè)障礙物的距離以準(zhǔn)確避障.測(cè)試結(jié)果表明，小車具備了光電循線、超聲波測(cè)距、視頻監(jiān)控及無線通信等功能.

關(guān)鍵詞：STC15；智能視頻小車；WiFi無線通信；視頻監(jiān)控系統(tǒng)

近年來，隨著智能家居、智能交通和控制技術(shù)的發(fā)展，智能車輛的研究已成為一個(gè)熱門話題.智能小車是機(jī)器人方向的一項(xiàng)重要內(nèi)容，是一個(gè)集感知事件、實(shí)時(shí)規(guī)劃、活動(dòng)掌控等多種功用于一體的綜合體系.

在本文中，使用宏水晶公司iap15f2k61s2 STC15系列單片機(jī)作為智能車的主控制模塊，采用了增強(qiáng)8051 CPU iap15f2k61s2，內(nèi)置高精度時(shí)鐘、61K Flash、2048字節(jié)SRAM、3 路定時(shí)器、2 路 UART、3 路 PWM 等，性能穩(wěn)定，用于接收并處理各傳感器傳回的信息，同時(shí)控制小車電機(jī)的轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)前行后退、轉(zhuǎn)向等，利用WiFi無線通信模塊，實(shí)現(xiàn)小車與終端移動(dòng)平臺(tái)之間的信息交互，達(dá)到控制智能小車前進(jìn)、后退及狀態(tài)信息采集等功能.

1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

圖1　系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框架圖

本文所設(shè)計(jì)的嵌入式智能小車不僅可以作為移動(dòng)實(shí)驗(yàn)室完成日常實(shí)訓(xùn)教學(xué)及學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計(jì)，而且可用作嵌入式比賽設(shè)備，采用雙12.6V直流電源供電，直流電機(jī)和其他模塊的電源分為2個(gè)通道[1].視頻小車包含的功能主要有：光電控制循跡、碼盤測(cè)速、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、紅外收發(fā)、超聲波測(cè)距、無線WIFI通訊、視頻監(jiān)測(cè)、二維碼掃描等.功能單元包括一個(gè)核心板、任務(wù)驅(qū)動(dòng)板、光電編碼器、循跡板和PTZ攝像機(jī).系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案如圖1所示.

1.1微控制器模塊設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)采用iap15f2k61s2單片機(jī)作為系統(tǒng)的主控制器，主要完成傳感器數(shù)據(jù)采集，電機(jī)控制，處理WiFi發(fā)送和接收數(shù)據(jù).此外，小車和移動(dòng)終端數(shù)據(jù)通信模塊選用核心板上配置型號(hào)為ETW001的 WiFi通信模塊，同時(shí)板載有 USB 轉(zhuǎn)串口USB 下載和檢測(cè)的輸入輸出按鈕及LED指示燈[2].iap15f2k61s2單片機(jī)和WiFi通信模塊電路的最小系統(tǒng)電路如圖2、圖3所示：

圖2　51系列單片機(jī)最小系統(tǒng)電路圖

圖3　WIFI通信模塊電路

1.2任務(wù)板模塊設(shè)計(jì)

任務(wù)板主要用于數(shù)據(jù)的采集和探測(cè)，集合多種傳感器，可以實(shí)現(xiàn)超聲波測(cè)距、光強(qiáng)度參數(shù)采集、紅外發(fā)射信號(hào)、感光光敏電阻電路以及 LED指示燈和蜂鳴聲光報(bào)警器，是整個(gè)小車設(shè)計(jì)的重點(diǎn)[3].

超聲波測(cè)距的原理是利用發(fā)射裝置產(chǎn)生超聲波，即根據(jù)空氣中超聲波的傳播速度，由定時(shí)器衡量發(fā)射聲波后碰到障礙物反彈回來的總用時(shí)，利用發(fā)射和接收的時(shí)間差計(jì)算障礙物的實(shí)際距離.首先，通過控制信號(hào)腳監(jiān)管信號(hào)的發(fā)射，經(jīng)由555 定時(shí)器發(fā)出40kHz載波，并利用超聲波探頭將接收到的信號(hào)發(fā)送出去[4].當(dāng)接收到超聲波信號(hào)后，單片機(jī)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)中斷信號(hào)，單片機(jī)來計(jì)算測(cè)到的距離.

紅外線發(fā)射是一種短距離無線通信，在一定范圍內(nèi)，它利用紅外線發(fā)射管發(fā)射出光線，從而達(dá)到控制信號(hào)的功能，主要用于數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)、遠(yuǎn)程控制等領(lǐng)域.本設(shè)計(jì)利用 555 定時(shí)器調(diào)節(jié)出38kHz 的紅外載波，其頻率調(diào)節(jié)可通過RW2實(shí)現(xiàn)[5].環(huán)境光照強(qiáng)度檢測(cè)使用的是IIC總線的BH1750光照傳感器.

1.3電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)板由2路電源輸入到整個(gè)模型機(jī)器人平臺(tái)供電.四個(gè)帶測(cè)速碼盤的直流電機(jī)(Namiki22CL-3501)主要驅(qū)動(dòng)單元為兩組 L298N.電機(jī) L298信號(hào)隔離由三個(gè)光耦電路實(shí)現(xiàn)，防止電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)所產(chǎn)生的回流對(duì)整個(gè)電路產(chǎn)生影響[6].12V 電采用三路芯片穩(wěn)壓成5V穩(wěn)壓模塊，然后分別給核心板、驅(qū)動(dòng)板及攝像機(jī)供電[7].由于本設(shè)計(jì)選用的核心 MCU 內(nèi)含有 PWM 控制引腳，所以可以直接通過單路引腳來實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)速度的調(diào)節(jié)，很大程度上簡(jiǎn)化了整個(gè)程序的設(shè)計(jì)，使小車的行走更加方便.

1.4循跡模塊設(shè)計(jì)

循跡板采用 8 路紅外對(duì)管，8 個(gè) LM358 電壓比較器，配有 8 個(gè) LED 指示燈.光電對(duì)管由光敏三極管和發(fā)光二極管組成，集聚光線可以導(dǎo)通或斷開光敏三極管.其工作原理是振蕩回路將生成的調(diào)制脈沖送入反射電路，最后經(jīng)發(fā)光管衍射出光脈沖[8].在受光器作用范圍內(nèi)，被測(cè)物體所反射出來的光脈沖就被送入光敏三極管中.在接收電路的作用下，光脈沖信號(hào)將轉(zhuǎn)換為電脈沖，然后經(jīng)過放大器及同步選通放大、整形，采用RC 積分或數(shù)字積分光電開關(guān)方式來消除干擾信息，最后再由觸發(fā)驅(qū)動(dòng)器將光電開關(guān)控制信號(hào)發(fā)出去.

利用555 定時(shí)器產(chǎn)生 700Hz方波信號(hào)來驅(qū)動(dòng)三極管，再由W1～W8 來調(diào)節(jié)發(fā)射管功率.當(dāng)三極管導(dǎo)通時(shí)，紅外發(fā)射管開始發(fā)射[9].紅外接收頭接收到信號(hào)后，先進(jìn)行放大，通過控制三極管(增加驅(qū)動(dòng)能力)同參考電壓做比較后輸出.注意，此處標(biāo)準(zhǔn)電壓應(yīng)根據(jù)周圍實(shí)時(shí)環(huán)境光照強(qiáng)度調(diào)整為適量電壓，才能正確實(shí)現(xiàn)小車智能循跡.

1.5云臺(tái)攝像頭圖像采集模塊

本設(shè)計(jì)所采用云臺(tái)攝像頭如圖4所示，攝像頭的像素300萬，供電5V，水平旋轉(zhuǎn)約360°，垂直旋轉(zhuǎn)達(dá)180°.根據(jù)設(shè)計(jì)，開機(jī)一分鐘內(nèi)攝像頭會(huì)有自檢階段，其他一切操作應(yīng)在自檢后進(jìn)行.在自我檢查過程中，攝像機(jī)可以水平和垂直旋轉(zhuǎn)一周，垂直方向?yàn)?80度[10].云臺(tái)可實(shí)現(xiàn)圖像抓拍，識(shí)別顏色和二維碼，并將拍攝到的圖像通過無線WiFi發(fā)送至上位機(jī).攝像頭的電源是從驅(qū)動(dòng)底板的JP2輸入，由開關(guān)S3控制電源的通斷，攝像頭WiFi與小車WiFi相對(duì)應(yīng)，通電后自動(dòng)連接.

圖4　云臺(tái)攝像頭

2智能小車控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

對(duì)小車的智能控制可分為自動(dòng)控制和自主遙控，即小車在行進(jìn)過程中自動(dòng)檢測(cè)傳感器信號(hào)獲取路面實(shí)時(shí)狀況，判斷周圍障礙物距離等進(jìn)行自主定位，利用電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊輸入信號(hào)的改變來調(diào)節(jié)電機(jī)的方向和轉(zhuǎn)速，從而準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)循線行駛和道路避障.另外，通過移動(dòng)通信終端軟件設(shè)計(jì)界面，點(diǎn)擊界面控制按鈕也可以人為地來控制小車的行進(jìn)、轉(zhuǎn)向.

2.1下位機(jī)驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

圖5　下位機(jī)軟件程序流程圖

通過Keil C51進(jìn)行單片機(jī)程序的編寫.Keil集編輯、編譯、仿真等于一體，易學(xué)易用，在調(diào)試程序、軟件仿真方面也有很強(qiáng)大的功能.通過STC ISP燒錄軟件完成單片機(jī)程序的下載[11].下位機(jī)程序采用脈寬調(diào)制信號(hào)來控制直流電機(jī)的速度和換向，主程序?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行初始化，配置寄存器和跟蹤模式，不斷地掃描與紅外探測(cè)器連接的單片機(jī)端口，將路徑信息進(jìn)行判斷處理，單片機(jī)再將相應(yīng)的信號(hào)發(fā)給電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊來糾正小車的運(yùn)行狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)循跡的功能.

2.2上位機(jī)安卓程序設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用Android軟件作為移動(dòng)終端開發(fā)平臺(tái).Android開發(fā)的三個(gè)工具分別是：開發(fā)工具包JDK、開發(fā)平臺(tái)Eclipse和開發(fā)工具包Android SDK.安卓系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)是四層結(jié)構(gòu)，自上而下分別是應(yīng)用程序?qū)印?yīng)用程序框架層、系統(tǒng)運(yùn)行庫層、Linux內(nèi)核層.

上位機(jī)可通過WiFi無線通信模塊與小車進(jìn)行連接，利用在安卓平臺(tái)開發(fā)的手機(jī)APK軟件向小車發(fā)送控制指令，控制小車的循跡、拍照、掃描二維碼、通信等行為，軟件中的方向鍵分別表示小車的運(yùn)動(dòng)方向.此外，還加入了循跡控制指令，當(dāng)小車進(jìn)入循跡控制時(shí)，小車變?yōu)樽詣?dòng)控制，當(dāng)按下停止鍵時(shí)，小車則退出循跡控制.圖6是小車通過無線網(wǎng)絡(luò)與上位機(jī)連接成功后顯示的初始化主界面，點(diǎn)擊界面上的按鍵，小車即可做出相應(yīng)動(dòng)作.

圖6　安卓界面初始化

3系統(tǒng)測(cè)試

表1　系統(tǒng)測(cè)試指標(biāo)

小車采用模塊化電路設(shè)計(jì)，系統(tǒng)性能穩(wěn)定、響應(yīng)快、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔.最后，在白底寬度為30cm、循跡線寬度為30mm的標(biāo)準(zhǔn)賽道上對(duì)智能小車的性能指標(biāo)做了測(cè)試，測(cè)量小車在各測(cè)試點(diǎn)響應(yīng)時(shí)間和循跡準(zhǔn)確度.結(jié)果表明，該系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的智能小車能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)循跡、光照強(qiáng)度檢測(cè)、目標(biāo)距離測(cè)量、 二維碼掃描、圖像拍攝、顏色識(shí)別等功能，成功地實(shí)現(xiàn)了各項(xiàng)預(yù)期效果.

4結(jié)語

本系統(tǒng)以iap15f2k61s2作為主控芯片，設(shè)計(jì)并研制了一種可遙控或自動(dòng)循跡的視頻小車.測(cè)試結(jié)果表明，用戶通過手機(jī)APP連接WiFi網(wǎng)絡(luò)人為控制小車各項(xiàng)行為動(dòng)作，系統(tǒng)響應(yīng)速度快，能準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)循跡、測(cè)距和完成指定任務(wù).另外，小車還能夠由終端軟件一鍵切換為自動(dòng)模式，設(shè)計(jì)非常人性化.本系統(tǒng)所設(shè)計(jì)小車可應(yīng)用于智能仿真實(shí)訓(xùn)、智能運(yùn)輸、超市或者家居環(huán)境等.

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(責(zé)任編校：晴川)

Embedded Intelligent Video Car Based on WSN

DAI Zemiao, ZHANG Fei, YAN Shibo

(Department of Information Engineering, Anhui Vocational College of Defense Technology,Liu’an Anhui 237011, China)

Abstract：The study designed a robot with embedded modules, which used the DC motor-driven car as the carrier. It used STC15 series IAP15F2K61S2 micro-controller as the core control of the smart car, and WiFi wireless communication module to communicate with the host computer. It detected the trajectory of the track by infrared sensors, used motor-driven chip L298N combined with PWM signal to control the forward speed and direction of the DC motor. The ultrasonic ranging module could detect the exact distance in order to avoid the obstacle. The test results of the smart car prototype showed that the car had functions of following the track photoelectrically, ultrasonic ranging, video surveillance and wireless communications.

Key Words：STC15; intelligent video car; WiFi wireless communication; video surveillance system

中圖分類號(hào):TP368.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1008-4681(2016)02-0063-04

作者簡(jiǎn)介：戴澤淼(1982— )，女，安徽六安人，安徽國(guó)防科技職業(yè)學(xué)院信息工程系講師，碩士.研究方向：移動(dòng)互聯(lián)技術(shù)應(yīng)用.

基金項(xiàng)目：安徽省2016年高校優(yōu)秀青年人才支持計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目(批準(zhǔn)號(hào)：gxyqZD2016459)；安徽省2014年省級(jí)質(zhì)量工程計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)(移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)方向)專業(yè)綜合改革試點(diǎn)項(xiàng)目(批準(zhǔn)號(hào)：2014zy121).

收稿日期：2016-01-07