基于W IFI的混合動力多功能智能探測器的設計

桂玲

（中南林業(yè)科技大學 計算機與信息工程學院，湖南 長沙 410004）

基于W IFI的混合動力多功能智能探測器的設計

桂玲

（中南林業(yè)科技大學 計算機與信息工程學院，湖南 長沙 410004）

基于WIFI的混合動力多功能智能探測器是一種基于Android手機平臺、以單片機為驅動核心處理器、利用無線WIFI進行數據傳輸與接收，能實時地將探測器周圍環(huán)境視頻信息、溫濕度、有害氣體濃度等文本參數進行實時探測、存儲和傳輸至手機控制端，可由太陽能和電力供電的混合動力多功能探測系統(tǒng)。

Andorid手機；WIFI；混合動力；單片機；智能探測系統(tǒng)

移動探測器作為物聯(lián)網感知層的重要一種方式，廣泛應用在工業(yè)、農業(yè)、國防、服務等各個行業(yè)，特別是在探測、救援、搜捕、輻射等有害與危險場合起到不可替代的作用，能最大限度地避免這些危險給探測、救援人工員帶來二次危害。

WIFI作為一種無線局域網運用技術，憑借其組網方便、易于擴展以及高速傳輸等優(yōu)點，得到廣泛應用，智能手機已成為WIFI最常用的接入設備。當前，基于Android操作系統(tǒng)的手機已成為大眾生活中不可或缺的工具，對其二次開發(fā)，將給本系統(tǒng)的設計帶來巨大的方便。而太陽能作為可再生能源和無污染能源，在能源、環(huán)境和人類社會未來發(fā)展中占據越來越重要的地位。

1 設計方案

基于WIFI的混合動力多功能智能探測器從功能上看，由以下四個部分組成：電機驅動與檢測系統(tǒng)、無線信息傳輸系統(tǒng)、控制端以及電源系統(tǒng)。系統(tǒng)結構框圖設計如圖1所示。手機控制端由Android智能手機搭建，通過無線路由設備與單片機開展信息傳輸：發(fā)送控制信息、接收與顯示視頻和文本信息；以單片機為核心的驅動與檢測系統(tǒng)則根據控制信息驅動電機轉動以及檢測、存儲、顯示環(huán)境參數；電源系統(tǒng)采用混合動力，當有太陽時，該探測器采用太陽能板通過開關電源穩(wěn)壓電路對12V的可充電鋰電池充電，以實現(xiàn)給探測器提供工作電源。當沒有太陽，且當12V鋰電池的電量基本用完時，為在急需時保證其正常工作，則采用電力充電器充電。采用此方案可靈活地操控探測器進行各類工作，高速地獲取視頻信息，準確地檢測環(huán)境參數，極大地延長連續(xù)探測能力。

圖1 系統(tǒng)總體設計框圖

2 硬件設計

（1）太陽能充電電路的設計。鋰電池的額定充電電壓為12V，由太陽能板所提供的電能經4700u電解電容和0.1u瓷片電容濾波，送到穩(wěn)壓塊輸入端，進行穩(wěn)壓，其輸出直流電再經濾波，便可得到十分穩(wěn)定的12V直流輸出電壓給鋰電池充電，電路設計如圖2所示。

由于太陽能板的輸出電壓受多種因素的影響其穩(wěn)定性較差。為此，太陽能充電電路部分，增加了7812三端穩(wěn)壓IC來提供12V電源。為防止太陽能電池在強光下由于遮擋受損,在太陽能電池組件輸出端的兩極并聯(lián)一個旁路二極管,防止電池組在得不到光照而成為負載產生嚴重發(fā)熱,旁路二極管的電流值不能低于該塊太陽能組件的電流值。太陽能電池的額定輸出電壓要比蓄電池高1.3～1.5倍,那么一個額定12V電壓的蓄電池應當選配的太陽能電池的電壓應該在12V× 1.4=16.8V左右的太陽能電池。

圖2 太陽能充電電路

（2）電源模塊。由于探測器需要驅動四路直流電機、二路伺服電機以及一個大功率LED燈，而且探測器會在一些不平的路面進行探測工作，所以選擇一個大容量的可由太陽能和電能等充電的鋰電池，其輸出電壓為12V。

為防止電機類負載對單片機及其它集成芯片造成干擾，需要分開供電，并要加大容量的濾波電容以及必要的電感等儲能元件,電源設計如圖3所示。其中直流電機直接接入鋰電池12V直流電壓；而驅動攝像頭的MG995型伺服電機，選用LM7805穩(wěn)壓芯片輸出的5V電壓。為獲得穩(wěn)定的5V電壓，在LM7805輸入、輸出端分別并聯(lián)一個極性電容和一個陶瓷電容用于濾除高低頻干擾；對集成電路的供電選用了LM2596開關型降壓穩(wěn)壓管，其輸出端接一個68uH的電感儲能和一個二極管給電感續(xù)流。

圖3 電源模塊設計框圖

（3）主控制器模塊。主控模塊上連無線路由，下接各驅動與檢測電路，是探測器控制與數據處理的核心。文章采用的是高速、低功耗、抗干擾能力強的STC12C5608AD單片機，其內部集成MAX810專用復位電路、4路PWM和8路高速10位A/D轉換，十分適用于電機控制、數據轉換、強干擾的場合。對它的設計主要包括電源電路、復位電路和時鐘電路。

（4）傳感器檢測模塊。傳感器檢測系統(tǒng)包括溫濕度、氣體濃度和紅外測距傳感器等構成以實時準確的獲取探測器周圍環(huán)境的各種參數。氣體濃度檢測采用MQ-2型可燃性氣體濃度傳感器,電路采用5V作為工作電壓和加熱電壓。傳感器輸出的0～5V模擬信號接單片機P1.7口，經單片機內部A/D轉換器轉換為數字信號。溫濕度檢測以DHT11數字溫濕度傳感器為核心,其電路設計與氣體濃度檢測電路類似，傳感器內部在檢測信號的處理過程中要調用這些校準系數。紅外測距檢測以E18-D80NK-N為核心，它能實時檢測障礙物，當小于安全距離(如8cm)時實現(xiàn)探測器自動避障。

（5）無線信息傳輸模塊。無線信息傳輸模塊主要由攝像頭、路由器和云臺構成。攝像頭選擇能滿足上下左右00～900旋轉的、可實現(xiàn)遠距離打開或關閉的高質量高清的天敏S605型攝像頭。通訊接口為USB協(xié)議。云臺由兩個MG995型舵機及其他輔助電路構成。路由器采用支持OpenWrt、工作電壓為5V的TP-LINK全新推出的TL-WR703N型迷你3G無線路由器。

（6）驅動電路設計。驅動模塊由伺服電機驅動電路、直流電機和大功率LED工作燈驅動電路三部分構成。伺服電機本身具備驅動電路，只需要通過單片機提供PWM信號并通過軟件編程設置其占空比就可調節(jié)其角度旋轉。而直流電機和大功率LED燈則需要專門的驅動電路，因為單片機I/O口驅動能力有限，不足以大功率LED的正常發(fā)亮。

直流電機驅動模塊以內含兩個H橋的高電壓、大電流全橋式電機驅動芯片為核心，通過光電隔離、濾波器、整流保護電路輸出驅動伺服電機。本研究擬采用了二路驅動電路來驅動四路直流電機，如圖4所示；所述的大功率LED燈驅動模塊采用恒流驅動芯片驅動LED，如圖5所示。

圖4 直流電機驅動電路設計框圖

圖5 大功率LED燈驅動電路設計框圖

（7）LCD顯示電路設計。為了能夠方便的讀取環(huán)境參數，這里采用了一塊LPH7336用于顯示參數，同時可以通過按鍵調出存儲的歷史參數顯示在LCD上，以便對數據進行分析。其中，單片機I/O口P2.1與RST連接，P2.4-P2.7分別與液晶模塊的CE、DC、DIN、CLK連接，便可實現(xiàn)LCD顯示。

3 軟件設計

軟件控制智能探測器所有的運行狀態(tài),主要包括通信協(xié)議，客戶端控制軟件(上位機)和下位機軟件。其中,路由操作系統(tǒng)采用OpenWrt，主要完成視頻采集與傳輸等功能;上位機軟件控制燈光、拍照、實時控制探測器運動等;下位機軟件通過接收來自上位機的命令，執(zhí)行相應操作。而連接上位機和下位機之間的紐帶就是通信協(xié)議?；诒咎綔y器軟件設計的復雜,故文章只對上下位機程序設計的總體做簡要說明。

（1）上位機軟件設計?？刂贫薝I主界面用于顯示視頻信息和接受到的數據信息，通過兩個虛擬按鍵區(qū)實現(xiàn)對探測器的操作。在控制端軟件中，將Raw InputEvent（原輸入事件）轉換成KeyEvent（按鍵事件）以實現(xiàn)虛擬按鍵操作。主界面左下方的前、后、左、右四個虛擬按鍵用于操控探測器的移動以及大功率LED燈的開啟與關閉，右下方四個鍵用于操作兩個伺服電機的90°旋轉以及中間一個攝像頭復位鍵。同時，重力感應虛擬選項用于開啟與關閉重力感應功能來操控探測器的運行。

本設計選擇Android2.3.3版本的操作系統(tǒng)，以IBM公司的Eclipse為平臺。開發(fā)時先使用AVD在電腦上模擬一個虛擬的手機設備，然后通過Jave應用類設置相應的硬件配置，

以選擇開發(fā)的版本、設備的屏幕尺寸大小等。并通過Eclipse插件ADT創(chuàng)建一個Android控制端應用軟件，設計過程如圖6所示。

圖6 控制端軟件簡單流圖

而上位通信則采用Socket的網絡，Socket通信是采用客戶機/服務器（Client/Server）的工作模式，利用Socket網絡通信接口來實現(xiàn)客戶機和服務器的通信。本設計采用的是面向連接的方式。Android中提供了Socket和ServerSocket2個類，并實現(xiàn)了所有的Socket客戶端和服務器雙向連接。

圖7 單片機系統(tǒng)程序總體流程圖

（2）下位機軟件設計。下位機以單片機作為核心，與其它各個功能模塊進行數據信息交換,以實現(xiàn)驅動控制。主要完成驅動、檢測、顯示等工作。通過編寫單片機程序，以達到控制各個功能模塊的作用。下位機軟件的研發(fā)主要是四個：一是串口通訊軟件設計,在單片機串口與無線路由器建立通信；二是基于伺服電機控制的PWM軟件設計,通過設置PWM信號的占空比來實現(xiàn)對伺服電機轉角的控制；三是驅動傳感器模塊工作的程序；四是按鍵及EEPROM軟件設計,以實現(xiàn)存儲環(huán)境參數和調出存儲內的環(huán)境參數。其整體流程圖如圖7所示。

4 調試結果

圖8 正面圖

經過對整個系統(tǒng)的聯(lián)調與測試，該探測器在手機的控制下能各方位地靈活運行；伺服電機能帶動攝像頭左右旋轉和仰、俯視90°的全方位地采集圖像信息，大功率LED工作燈在手機控制端的控制下能按需正常地工作和復位；傳感器檢測電路能快速、準確地獲取環(huán)境參數信息，并把圖像和文本數據實時地傳輸給手機；且能通過器上的LCD查看歷史數據；各項性能完全符合設計的要求。調試結果如圖8所示。

［1］杜敏，譚亮君.Android嵌入式系統(tǒng)的應用實驗開發(fā)策略研究［J］.電子世界，2012，（7）：57-58.

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［4］陳益德.基于嵌入式單片機的電機控制系統(tǒng)設計［J］.計算機仿真，2011，（1）：395-399.

［5］候國照.基于OpenWrt的無線傳感器網絡協(xié)議研究與實現(xiàn)［D］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學，2009.

Design of Hybrid M ultifunctional Intelligent Detector based on W IFI

GUI Ling
（Computer and Information Engineering College，Central South Forestry Science and Technology University，Changsha，Hunan 410004，China）

Hybridmultifunctional intelligentdetectorbased onWIFIisamobile phone platform based on Android，driven by the single chip processor as the core processor，transmitting and receiving data through wirelessWIFI，which can timely detect surrounding video information，environment temperatureand humidity，the concentration ofharmfulgases，and other textparameters，and then store and transmit the parameters tomobile phone，which can be powered by solarenergy and electric power.

androidmobilephones；WIFI；hybrid；single chipmicrocomputer；intelligentdetection system

TN92

A

2095-980X（2016）11-0042-03

2016-09-28

湖南省教育廳科學研究項目：基于WIFI的混合動力多功能智能探測系統(tǒng)的研究（項目編號：14C11665）。

桂玲（1974-），女，江西鷹潭人，碩士，講師，主要研究方向：檢測技術與自動化控制。