基于Wifi無線視頻監(jiān)控的移動機器人的研發(fā)

田亞娟(廣東松山職業(yè)技術學院科研處，廣東 韶關　512126)

0　引　言

設計研發(fā)了一種基于Wifi無線視頻監(jiān)控的移動機器人，機器人可以直接用筆記本電腦上的無線網(wǎng)卡連接的Wifi網(wǎng)絡對機器人進行監(jiān)控。其具有實時性高、成本較低、易于擴展、結構緊湊輕巧、移動靈活敏捷、通過能力強、適應性能力強、有合適的通信距離和支持遠程監(jiān)控的特點。具有可以通過城市內一般障礙、在城市路面以及部分野外路面以較高的速度行走、轉向靈活、能在較為惡劣的環(huán)境中進行工作、適于城市環(huán)境內無線通信并能將采集到的數(shù)據(jù)回傳其監(jiān)控系統(tǒng)的功能。

1　系統(tǒng)的硬件組成

1.1　系統(tǒng)的硬件組成

機器人系統(tǒng)[1]的結構框圖如圖1所示。機器人系統(tǒng)由五大部分組成，分別為機械控制部分，環(huán)境信息采集部分，通信部分，功能輔助部分及上位機部分。

機械控制主要負責舵機的協(xié)調組合動作，以實現(xiàn)攝像頭的向上、向下、左轉、右轉四項基本動作、控制土壤濕度計的插入、拔出，以及控制移動機器人的前進、后退、左轉、右轉使其能在陌生的環(huán)境中靈活動作。

圖1　系統(tǒng)的結構框圖

環(huán)境信息采集通過傳感器部分能夠檢測包括溫濕度信息、土壤的濕度信息、紫外線信息、煙霧信息、氣壓信息、經(jīng)緯度信息、海拔信息、振動信息、金屬探測信息、人體熱釋電紅外信息等在內的眾多環(huán)境信息參數(shù)，并可根據(jù)具體任務要求進行擴展。

通信部分通過Wifi無線數(shù)據(jù)傳輸模塊[2]將采集的信息參數(shù)實時準確的進行傳輸。

功能輔助在本設計中主要包括GPS定位、攝像頭圖像數(shù)據(jù)傳輸可使其在復雜環(huán)境下迅速準確確定當前經(jīng)緯坐標，判別運動方向，查看當前所處周圍環(huán)境，以便準確無誤確定地點完成探測任務。

上位機通過C#設計的顯示界面，實時顯示當前環(huán)境信息的各項參數(shù)及指標，并將某些參數(shù)以圖線的形式形象直觀地顯示。

1.2　主控芯片和數(shù)據(jù)交換芯片的選擇

由于機器人系統(tǒng)要求能夠在復雜的環(huán)境下完成相應任務，作為主控芯片，要求具備高速、低功耗、安全性能好等優(yōu)點。因此，主控芯片選擇了STC89C52單片機[3]。STC89C52是STC公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8 K字節(jié)系統(tǒng)可編程Flash存儲器。STC89C52使用經(jīng)典的MCS-51內核，但做了很多的改進，使得芯片具有傳統(tǒng)51單片機不具備的功能。在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU 和在系統(tǒng)可編程Flash，使得STC89C52為眾多嵌入式控制應用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。

為了滿足數(shù)據(jù)交換和數(shù)據(jù)處理的需要，選擇AVR的ATmega16單片機作為數(shù)據(jù)交換和處理芯片。ATmega16單片機內部資源豐富，帶有集成的8路10位ADC轉換器、四通道PWM、兩個可編程的串行USART，可工作于主機/從機模式的SPI串行接口和豐富的中斷源等。具有非易失性程序和數(shù)據(jù)存儲器，無需配置Flash存儲器、SRAM和E2PROM，簡化了系統(tǒng)結構，使外圍電路最小化。

2　系統(tǒng)的軟件設計

系統(tǒng)的軟件設計采用模塊化設計方法，通過各功能模塊的硬件設計和軟件設計聯(lián)調，完成產(chǎn)品的總體軟件設計。本產(chǎn)品軟件設計包括上位機程序和下位機程序。

2.1　上位機PC控制端程序

上位機PC控制端程序采用Visual Studio 2012開發(fā)環(huán)境，使用C#語言編程。PC控制端通過TCP向Wifi模塊的相應端口發(fā)送控制數(shù)據(jù)[4]，Wifi模塊會自動轉發(fā)到串口并發(fā)送到控制芯片上，主控芯片將采集到的信息通過Wifi模塊傳輸?shù)絇C控制端并顯示。攝像信息的處理過程是上位機程序首先根據(jù)攝像頭視頻流的地址從Wifi模塊讀取出第一幀圖像并進行解碼，再將圖像幀推送到顯示控制上，然后使用線程循環(huán)的方式進行讀取剩余幀，即實現(xiàn)攝像頭視頻流的讀取。

2.2　下位機控制程序

下位機控制程序的主程序設計流程圖如圖2所示。

圖2　主程序流程圖

系統(tǒng)的控制方式可分為自主控制模式和無線控制模式。自主控制模式是指機器人在行進過程中自動檢測傳感器信號,獲取行進過程中的實時路況，判斷周圍障礙物距離等進行自主定位，利用電機驅動模塊輸入信號的改變來調節(jié)電機的方向和轉速，從而準確實現(xiàn)自動行駛和道路避障。無線控制模式是通過移動終端軟件設計界面，點擊界面控制按鈕可以人為地來控制小車的行進、轉向。

2.3　Wifi網(wǎng)絡下的視頻傳輸

通過視頻圖像信息處理系統(tǒng)[5]實現(xiàn)了機器人系統(tǒng)實時視頻采集的核心功能，其可以將實時采集的視頻信息經(jīng)過壓縮編碼后傳遞給后端控制臺，最大限度地幫助控制中心做出正確的策略判斷。本產(chǎn)品的視頻傳輸采用Microsoft開發(fā)的VFW軟件開發(fā)工具。通過調用VFW提供的應用程序編程接口(API)，可以方便地實現(xiàn)預覽視頻、捕獲當前視頻流到文件或緩存、捕獲單幀圖像顯示等操作。VFW中用捕獲類AVICap中提供的多個函數(shù)實現(xiàn)了視頻的捕獲操作，如capCaptureWindow()函數(shù)創(chuàng)建捕獲窗口、capDrivercormect()實現(xiàn)音頻視頻采集設備驅動程序與捕獲窗口之間的相互關聯(lián)等。

3　研發(fā)的機器人樣品及樣品測試

3.1　研發(fā)的機器人樣品

機器人樣品組成包括車載平臺、主控制板、各種傳感器、舵機和攝像頭、電源等部分。其樣品及傳感器分布圖見圖3和圖4。

圖3　樣品及傳感器分布圖1

圖4　樣品及傳感器分布圖2

3.2　樣品測試

樣品測試結果見圖5，圖中顯示的是產(chǎn)品測試時的上位機跟蹤環(huán)節(jié)。其環(huán)境檢測結果見表1。產(chǎn)品測試結果達到項目設計目標要求，實現(xiàn)預期控制目標。

圖5　樣品測試

表1　環(huán)境檢測結果

4　結束語

研發(fā)設計的樣品以STC89C52為主控芯片、ATmega16為數(shù)據(jù)轉換和處理芯片，設計并研發(fā)了基于Wifi無線視頻監(jiān)控的移動機器人。通過樣品測試，各項測試結果符合產(chǎn)品設計要求，實現(xiàn)了移動機器人遠程監(jiān)控、實時控制、使用方便快捷、成本較低和易于擴展等功能，產(chǎn)品可用于復雜環(huán)境的偵察和探測，各項環(huán)境檢測結果達到指標要求。

參考文獻：

[1] 劉晉峰.玩機器人學單片機[M].北京：電子工業(yè)出版社，2013.

[2] 彭柳，方彥軍.基于無線傳感網(wǎng)絡的移動機器人通信研究[J].通信技術，2008，41(2):108-110.

[3] 田亞娟.單片機應用技術(C語言版)[M].大連：大連理工大學出版社，2014.

[4] 任智.無線自組織網(wǎng)絡路由協(xié)議及應用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2015.

[5] 李健.視頻質量的主客觀評估方法研究[D].西安：西安電子科技大學，2009.