基于STM32的無(wú)線智能視頻小車(chē)

盧 娜，李海濤

(商丘職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系，河南 商丘 476100)

傳統(tǒng)的智能小車(chē)只有循跡、避障和超聲波測(cè)距等簡(jiǎn)單功能且實(shí)際應(yīng)用效果并不理想，本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種高效的無(wú)線視頻監(jiān)控智能小車(chē).小車(chē)采用STM32主控芯片，集成多種高性能傳感器，可以有效實(shí)現(xiàn)前后左右運(yùn)動(dòng)、紅外避障、視頻采集、無(wú)線通信等多種功能.日常生活中智能手機(jī)已經(jīng)必不可少，基于智能手機(jī)的電子控制終端產(chǎn)品已經(jīng)成為未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì).本項(xiàng)目中小車(chē)帶有WIFI模塊，可以利用Android手機(jī)客戶(hù)端來(lái)實(shí)現(xiàn)小車(chē)的無(wú)線控制.試驗(yàn)表明，客戶(hù)端采集到的視頻畫(huà)面較清晰，視頻流傳輸速度較快，可以滿(mǎn)足實(shí)時(shí)監(jiān)控的要求.

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

以手機(jī)為控制終端，無(wú)線WIFI作為傳輸介質(zhì)，通過(guò)主控制器的直流電機(jī)控制汽車(chē)的各種行駛狀態(tài)，同時(shí)帶動(dòng)攝像頭采集視頻信息.智能車(chē)上的攝像頭拍攝的視頻通過(guò)無(wú)線WIFI信號(hào)傳送給手機(jī)，界面將實(shí)時(shí)顯示.手機(jī)發(fā)出的控制信號(hào)通過(guò)無(wú)線WIFI傳輸介質(zhì)發(fā)送給主控制器，從而達(dá)到通過(guò)手機(jī)控制汽車(chē)的目的.

本項(xiàng)目的總體設(shè)計(jì)分為硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)[1]39-41，硬件設(shè)計(jì)基于STM32作為主控開(kāi)發(fā)芯片，包括視頻采集模塊、紅外避障模塊和無(wú)線通信模塊等.軟件設(shè)計(jì)主要是在手機(jī)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)小車(chē)的各種控制[2]126-129，是以Android系統(tǒng)的手機(jī)為主要控制終端，以Android Studio為開(kāi)發(fā)環(huán)境，編寫(xiě)程序、設(shè)計(jì)界面及按鈕，如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2 硬件模塊設(shè)計(jì)

2.1 控制器STM32

智能車(chē)采用STM32系列單片機(jī)(型號(hào)為STM32F103ZET6)為核心,512KB SRAM存儲(chǔ)器,帶4個(gè)片選的靜態(tài)存儲(chǔ)器控制器，3個(gè)12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，1μs轉(zhuǎn)換時(shí)間(多達(dá)21個(gè)輸入通道)；2通道12位D/A轉(zhuǎn)換器；12通道DMA控制器；多達(dá)112個(gè)快速I(mǎi)/O端口；多達(dá)11個(gè)定時(shí)器；13個(gè)通信接口.STM32具有功耗低、性能高、體積小、處理速度快、價(jià)格經(jīng)濟(jì)、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn).

2.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用微型集成電路電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L298N，芯片使用標(biāo)準(zhǔn)的邏輯電平控制信號(hào)，具有2個(gè)使能控制信號(hào)，可以檢測(cè)外部電阻的變化，并將這種變化量反饋到控制電路.這種芯片的最高工作電壓為46V，最大輸出電流高達(dá)3A，穩(wěn)定電流保持為2A，額定功率25 W，具有15引腳封裝結(jié)構(gòu)[3]103-106.小車(chē)車(chē)速的控制采用PWM(Pulse Width Modulation,脈沖寬度調(diào)制)技術(shù)[4]47-50，通過(guò)調(diào)整直流電機(jī)電樞兩端電壓，改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而改變小車(chē)的車(chē)速.電路設(shè)計(jì)如圖2所示：

圖2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電路

2.3 紅外避障模塊

在該系統(tǒng)中，紅外傳感器主要用于對(duì)車(chē)輛行駛過(guò)程中的障礙物進(jìn)行感知，并向主控制器發(fā)送相應(yīng)的信號(hào)，實(shí)現(xiàn)車(chē)輛的避障功能.如果小車(chē)在行進(jìn)過(guò)程中遇到障礙物，紅外線把碰到障礙物的信號(hào)反射到傳感器探測(cè)頭，傳感器檢測(cè)到信號(hào)，就說(shuō)明發(fā)現(xiàn)前方有障礙物，把接收到的信號(hào)轉(zhuǎn)換成高低電平，然后發(fā)送給微控制器，微控制器就會(huì)對(duì)這個(gè)信號(hào)進(jìn)行處理，從而實(shí)現(xiàn)避障的功能[5]26-30.

2.4 無(wú)線傳輸模塊

無(wú)線傳輸模塊的功能是實(shí)現(xiàn)小車(chē)和各控制界面之間的通信.無(wú)線傳輸模塊可以把智能車(chē)收集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送到控制終端，同時(shí)，短距離的無(wú)線通信具有相對(duì)比較穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)、不受地域方面限制的優(yōu)點(diǎn).

本模塊使用由慧凈電子定制的智能小車(chē)專(zhuān)用WIFI，本模塊供電口為5V電源，2根TTL線，1條GND線，USB接口是連接攝像頭的，通過(guò)上位機(jī)發(fā)送指令給單片機(jī)串口，經(jīng)由單片機(jī)串口控制IO口電平驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng).無(wú)線網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)在使用比較普遍，其傳輸速度非常快，WiFi最主要的優(yōu)勢(shì)在于不需要布線，非常適合本項(xiàng)目的通信.

2.5 電源模塊

智能小車(chē)采用的電源模塊是AMS公司生產(chǎn)的AMS1117-3.3. AMS1117-3.3是一種輸出電壓為3.3V的正向低壓降穩(wěn)壓器[6]66-69，智能小車(chē)需要5V和3.3V電壓，5V電壓是路由器和紅外傳感器的電壓，它可以直接從驅(qū)動(dòng)模塊中引出；3.3V電壓是微控制器的電壓，需要通過(guò)AMS1117-3.3將5V電壓轉(zhuǎn)換為3.3V電壓[7]24-25.

3 軟件模塊設(shè)計(jì)

3.1 控制小車(chē)的軟件設(shè)計(jì)

主控制器STM32F103ZET6以ARM 32位CortexM3作為CPU，其開(kāi)發(fā)環(huán)境為常用的ARM開(kāi)發(fā)環(huán)境，本系統(tǒng)采用Keil μVision4 作為開(kāi)發(fā)工具.ARM公司在2011年發(fā)布的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境RealView MDK集成了最新版本的Keil μVision4，其編譯器、調(diào)試工具實(shí)現(xiàn)與ARM器件的最完美匹配，用C語(yǔ)言完成編程.利用一個(gè)switch語(yǔ)句實(shí)現(xiàn)小車(chē)的停止、前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)，部分程序如下：

停止：

case 0

speed_right=0;

speed_left=0;

break;

前進(jìn)：

case 1

speed_right=4;

speed_left=4;

break;

后退：

case2:

speed_right=-4;

speed_left=-4;

break;

右轉(zhuǎn)：

case3:

speed_right=4;

speed_left=-2;

break;

左轉(zhuǎn)：

case4:

speed_right=-2;

speed_left=4;

break;

3.2 Android系統(tǒng)手機(jī)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)釆用Android Studio作為系統(tǒng)開(kāi)發(fā)軟件.Android Studio提供了用于開(kāi)發(fā)和調(diào)試的集成Android開(kāi)發(fā)工具，功能比Eclipse更強(qiáng)大.雖然安卓手機(jī)或者平板具有很多種尺寸的屏幕與分辨率，但開(kāi)發(fā)人員應(yīng)用集成Android開(kāi)發(fā)工具都能夠比較輕松的調(diào)整每個(gè)分辨率設(shè)備上的應(yīng)用程序.開(kāi)發(fā)人員能夠一邊寫(xiě)和調(diào)試程序并能夠看到這個(gè)程序在不同屏幕里的外觀.小車(chē)的視頻控制界面如圖3所示，控制小車(chē)的前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)運(yùn)行狀態(tài)以及視頻的顯示.

圖3 小車(chē)視頻控制界面

手機(jī)設(shè)置界面如圖4所示：

圖4 手機(jī)設(shè)置界面

4 結(jié)語(yǔ)

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)了一個(gè)以STM32為核心的智能視頻小車(chē)，通過(guò)測(cè)試，基本實(shí)現(xiàn)了用手機(jī)通過(guò)WIFI控制小車(chē)前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)等轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)，并具有自動(dòng)避障的功能，可以實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控，整體效果達(dá)到預(yù)期，小車(chē)成本低，穩(wěn)定性好，在人們的生產(chǎn)、生活中具有非常好的應(yīng)用前景.