基于互聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)控及控制小車

李海+李媛瓊+張恩溪

摘 要：設(shè)計(jì)了一種采用WiFi模塊對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制和當(dāng)前狀況的視頻進(jìn)行發(fā)送，運(yùn)用連接網(wǎng)絡(luò)的中轉(zhuǎn)站——路由器來(lái)傳送數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)控中心。智能小車將其與單片機(jī)、超聲波測(cè)距避障、攝像采集等技術(shù)相結(jié)合，提高了效率與管理水平。遠(yuǎn)程控制的設(shè)備通過(guò)完成較為復(fù)雜的內(nèi)容，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)，包括遠(yuǎn)程監(jiān)控溫度和光敏度會(huì)更加簡(jiǎn)便、準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)和可靠，并且在通訊距離方面有很大的提升。

關(guān)鍵詞：履帶小車；WiFi；路由器；STM32單片機(jī)；OV2640攝像

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.05.123

科技生活的不斷發(fā)展、人們需求的智能化，無(wú)線技術(shù)、機(jī)器人的研研發(fā)和應(yīng)用更多的出現(xiàn)在我們的生活里。人類根據(jù)自身的需求出發(fā)，設(shè)計(jì)研發(fā)了種類、功能繁多的機(jī)器人，小型機(jī)器人具有形狀體積小、移動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)靈活等優(yōu)點(diǎn)。數(shù)據(jù)的采集及發(fā)送是通過(guò)Internet作為載體，兩者相結(jié)合可以便利、靈活地運(yùn)用到各類場(chǎng)合。

本文所設(shè)計(jì)出來(lái)的基于互聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)控及控制履帶小車系統(tǒng)正是利用MT8266WiFi模塊、路由器實(shí)現(xiàn)由網(wǎng)絡(luò)來(lái)傳送并且獲取和反饋控制命令的，實(shí)時(shí)監(jiān)控履帶小車周圍環(huán)境，不但提高了效率與管理水平。而且在危險(xiǎn)的條件下用智能小車去勘察檢測(cè)，可以很好的保證人類自身的安全，對(duì)于采集到的視頻能夠?qū)崟r(shí)的保存下來(lái)，為以后的分析使用做準(zhǔn)備。

1 總體設(shè)計(jì)

履帶小車主要是運(yùn)用攝像頭采集視頻信號(hào)，再由網(wǎng)絡(luò)對(duì)采集到的視頻信號(hào)進(jìn)行傳送，并進(jìn)行遠(yuǎn)程控制臺(tái)的控制。履帶小車的設(shè)計(jì)由三大模塊進(jìn)行的，分別是主控系統(tǒng)、采集系統(tǒng)、信號(hào)傳送系統(tǒng)。履帶小車以STM32系列單片機(jī)作為控制核心，由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊來(lái)使小車運(yùn)行，攝像頭采集視頻信號(hào)、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳送信號(hào)。[1]基于互聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)控及控制履帶小車的設(shè)計(jì)框圖如圖1所示，包括主控模塊、WiFi模塊、電機(jī)模塊、視頻采集模塊、液晶顯示模塊、自動(dòng)循跡模塊、電源驅(qū)動(dòng)模塊、超聲波測(cè)距避障模塊、溫濕度采集模塊、聲光報(bào)警模塊。

2 履帶小車硬件電路

2.1 履帶小車主控模塊

履帶小車采用STM32系列的單片機(jī)（型號(hào)為STM32F407ZGT6）為核心，以Cortex?-M4F 作為內(nèi)核，112KB的SRAM為存儲(chǔ)器，擁有3 種低功耗模式，2種調(diào)試模式（串行調(diào)試（SWD）和（JTAG接口） ，多達(dá) 140 個(gè)具有中斷功能的 I/O 端口，12個(gè)16位定時(shí)器和2個(gè)頻率高達(dá) 168 MHz 的 32 位定時(shí)器，最多達(dá) 15 個(gè)通信接口（3 個(gè) I2C 接口 、4 個(gè) USART/4 個(gè) UART、3個(gè)SPI、2個(gè)具有復(fù)用全雙工I2S、2個(gè)CAN（2.0B主動(dòng)）以及SDIO接口）[2]。

2.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

目前，常用的方法是通過(guò)脈沖寬度調(diào)制（PWM）來(lái)控制小車的車速。本文利用TB6612電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊控制小車的4個(gè)電機(jī)運(yùn)行，PWM調(diào)速系統(tǒng)具有的優(yōu)點(diǎn)有運(yùn)行平穩(wěn)、電流連續(xù)和可調(diào)范圍較寬等，適合通過(guò)占空比改變電壓。脈沖寬度調(diào)制來(lái)控制小車的車速的工作原理是通過(guò)調(diào)制器給電機(jī)提供一個(gè)脈沖電，這個(gè)脈沖電是可調(diào)的、有一定頻率的脈沖寬度，脈沖寬度越大則占空比就越大，電機(jī)的平均電壓越大，電機(jī)的轉(zhuǎn)速越快，履帶小車的運(yùn)行速度就越快。

2.3 履帶小車wifi模塊

WiFi模塊對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制和當(dāng)前狀況的視頻進(jìn)行發(fā)送，路由器通過(guò)連接網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)連接轉(zhuǎn)換，然后從遠(yuǎn)端控制臺(tái)傳送到Internet，再由路由器通過(guò)WiFi信號(hào)進(jìn)行通信。

2.4 攝像頭模塊

OV2640攝像頭通過(guò)SCCB總線控制，輸出整幀、子采樣、縮放和取窗口等方式的各種分辨率8/10位影像數(shù)據(jù)。圖像處理過(guò)程包括伽瑪曲線、白平衡、對(duì)比度、色度等通過(guò)SCCB接口編程。OmmiVision 圖像傳感器應(yīng)用獨(dú)有的傳感器技術(shù)，通過(guò)減少或消除光學(xué)或電子缺陷如固定圖案噪聲、拖尾、浮散等，提高圖像質(zhì)量，得到清晰的穩(wěn)定的彩色圖像。本設(shè)計(jì)采用1/4寸的OV2640百萬(wàn)高清CMOS傳感器制作。具有高靈敏度、高靈活性、成像通透、明銳度都很好，清晰度高。

2.5 警報(bào)模塊

本文中設(shè)計(jì)了聲光報(bào)警電路，是采用了NPN型S8080三極管驅(qū)動(dòng)，當(dāng)BEEP端輸出低電平時(shí)，三極管的發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏，此時(shí)發(fā)光二極管和蜂鳴器發(fā)出聲光報(bào)警，則提示人們電壓不足并根據(jù)指示燈的位置判斷是電壓不足模塊的位置，當(dāng)BEEP端輸出高電平時(shí)，三極管截止，聲光報(bào)警停止工作，則系統(tǒng)的模塊電壓均能正常運(yùn)行。

2.6 溫濕度采集模塊

亮度采集是采用了光敏電阻串接而成的電路、溫度采集是采用了DS18B20串接而成的電路，對(duì)周圍亮度的采集是能及時(shí)對(duì)周圍環(huán)境進(jìn)行感知，如遇到黑夜時(shí)，車前燈亮起，為小車照路；對(duì)周圍環(huán)境的溫度采集及時(shí)顯示告知控制臺(tái)，現(xiàn)小車處于的溫度是否可以進(jìn)行作業(yè)。

2.7 電源模塊

電源模塊是智能小車控制系統(tǒng)的中樞系統(tǒng)。STM32單片機(jī)自帶5V轉(zhuǎn)3.3 V芯片。智能小車需要5V和3.3V電壓，從電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊處直接引出5V電壓可以提供給路由器使用；通過(guò)單片機(jī)自帶的芯片AMS1117—3.3將5 V電壓轉(zhuǎn)換成3.3V電壓，再提供給單片機(jī)運(yùn)作。

3 履帶小車軟件設(shè)計(jì)

小車的控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)是基于Source Insight 4.0環(huán)境編寫，基于Keil Vision5編譯，并使用C語(yǔ)言對(duì)小車的電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，超聲波模塊，通信模塊等進(jìn)行程序編寫 [3] 。

（1）小車的初始化程序。履帶小車上電之后，軟件必必須對(duì)小車的硬件做最基本的初始化設(shè)置，通過(guò)初始化設(shè)置之后，才能開(kāi)始系統(tǒng)的運(yùn)作；

（2）主控模塊編程。主控模塊編程對(duì)履帶小車進(jìn)行電機(jī)驅(qū)動(dòng)操作并實(shí)現(xiàn)控制操作，如起動(dòng)、停止、轉(zhuǎn)向、加速、減速等，使小車的能符合運(yùn)動(dòng)特性的要求；

（3）攝像信號(hào)處理程序。對(duì)拍攝場(chǎng)景的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成單片機(jī)可識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，同時(shí)可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳送解碼好的數(shù)據(jù)模塊能在控制臺(tái)上運(yùn)行；

（4）傳送程序。需要利用WiFi模塊對(duì)小車的控制信號(hào)進(jìn)行接收與發(fā)送。 以網(wǎng)絡(luò)為媒介來(lái)傳送遠(yuǎn)程控制臺(tái)的控制命令及攝像頭拍攝到的視頻的采集信號(hào)傳送；

（5）遠(yuǎn)程控制臺(tái)程序。在遠(yuǎn)程控制臺(tái)上能夠流暢從MT8266wifi模組的信號(hào)傳送到Internet，使遠(yuǎn)程控制臺(tái)具有觀看視頻、對(duì)履帶小車進(jìn)行控制的功能[4]。

4 結(jié)語(yǔ)

基于互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控及控制履帶小車機(jī)器人是一個(gè)由stm32單片機(jī)，攝像頭，WIFI模塊，電機(jī)，小車框架等硬件于一體的智能小車機(jī)器人，采用Keil MDK uVision5為小車進(jìn)行程序編譯。創(chuàng)新點(diǎn)在于可以根據(jù)遠(yuǎn)程控制臺(tái)對(duì)智能小車機(jī)器人進(jìn)行移動(dòng)，擺脫了現(xiàn)場(chǎng)的控制，操作方便。其次其后期拓展性能、實(shí)用性非常好，針對(duì)不同的環(huán)境任務(wù)要求，可以增加相應(yīng)的功能，如機(jī)械臂、各種探測(cè)傳感器，采集數(shù)據(jù)，可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)再由WiFi模塊控制傳回單片機(jī)而進(jìn)行實(shí)時(shí)探測(cè)[5]。

基于互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控及控制小車采用單片機(jī)STM32F407ZGT6作為系統(tǒng)主控核心，最大限度的將其具備的資源應(yīng)用到智能小車的設(shè)計(jì)中。經(jīng)過(guò)系統(tǒng)功能測(cè)試表明，基于互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控及控制智能小車機(jī)器人完美地實(shí)現(xiàn)了視頻的網(wǎng)絡(luò)傳輸，在遠(yuǎn)端控制臺(tái)控制小車行走，自動(dòng)避開(kāi)障礙物等功能，系統(tǒng)啟動(dòng)后用戶只需配置相關(guān)參數(shù)后便可進(jìn)入主體部分，可以根據(jù)作業(yè)的需求編寫小車所需要行走的軌跡，也通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)控小車的狀態(tài)，再通過(guò)遠(yuǎn)程控制臺(tái)控制小車行走，操作簡(jiǎn)單，控制方便，人機(jī)交互性好。具有非常重要的市場(chǎng)應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：李海（1982-），江西人，碩士研究生，講師，研究方向：檢測(cè)技術(shù)與自動(dòng)化裝置。