基于APP的智能小車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘 要：智能小車對(duì)于豐富人們的生活和擴(kuò)展人們的業(yè)務(wù)能力具有極大意義。本文基于Android手機(jī)APP，設(shè)計(jì)了一套智能小車控制系統(tǒng)。借助WIFI信號(hào)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)智能小車的行駛與傳感器的控制，同時(shí)智能小車根據(jù)控制指令向手機(jī)上傳感數(shù)據(jù)和狀態(tài)，為控制智能小車提供了一種無(wú)線高速的有效手段。

關(guān)鍵詞：智能小車；APP；單片機(jī)；視頻監(jiān)控；傳感器

中圖分類號(hào)：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2018）08-0181-03

Abstract：Smart car has great significance for enriching peoples life and expanding peoples professional ability. Based on Android mobile phone APP，a smart car control system is designed in this paper. With the help of the WiFi signal，the driving and sensor control of the smart car can be realized. At the same time，the intelligent vehicle sensing data and state on the mobile phone according to the control instruction provides an effective means of wireless high-speed control for the intelligent car.

Keywords：smart car；APP；MCU；video surveillance；sensor

0 引 言

智能小車大致由傳感器、控制器、執(zhí)行器三部分組成[1]，可以實(shí)現(xiàn)尋跡移動(dòng)、光照檢測(cè)、躲避障礙物、遠(yuǎn)程控制行駛速度、遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控等功能，是自動(dòng)控制技術(shù)、機(jī)械、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)、模式識(shí)別、傳感器技術(shù)等多學(xué)科和技術(shù)綜合應(yīng)用的結(jié)果，能夠極大方便人們生活。

隨著移動(dòng)智能設(shè)備的快速發(fā)展和普及，通過(guò)智能設(shè)備對(duì)智能小車進(jìn)行控制和管理成為一個(gè)新的應(yīng)用需求。將智能設(shè)備和智能小車相結(jié)合，能夠極大簡(jiǎn)化智能小車使用控制，從而有力促進(jìn)智能小車的發(fā)展和應(yīng)用。[2]

本文基于Android手機(jī)APP，設(shè)計(jì)了一套智能小車控制系統(tǒng)。借助WIFI信號(hào)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)智能小車的前后左右行駛和攝像頭旋轉(zhuǎn)控制，同時(shí)智能小車根據(jù)控制指令向手機(jī)上傳溫度濕度傳感數(shù)據(jù)和監(jiān)控畫面，為控制智能小車提供了一種無(wú)線高速的有效手段。[3]

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體功能需求主要有以下幾類：（1）Android手機(jī)APP界面控制；（2）小車行駛控制；（3）傳感器傳感數(shù)據(jù)采集，包括溫度和濕度；（4）視頻采集顯示，包括攝像頭旋轉(zhuǎn)控制和監(jiān)控視頻采集顯示。如圖1所示。

根據(jù)總體功能需求，系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖2所示。在圖中，單片機(jī)MCU是整個(gè)小車的控制核心，控制著智能小車各個(gè)模塊統(tǒng)一協(xié)調(diào)工作；行駛電機(jī)可以正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)，從而使車體產(chǎn)生前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎等動(dòng)作，行駛電機(jī)還需要相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路；電源電路作用是為整個(gè)小車系統(tǒng)供電；舵機(jī)制作成云臺(tái)，然后裝上攝像頭，使攝像頭可實(shí)現(xiàn)上下、水平旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)；攝像頭用于采集視頻信號(hào)；WIFI模塊產(chǎn)生WIFI信號(hào)，用于連接手機(jī)，同時(shí)WIFI模塊與單片機(jī)用串口連接，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與手機(jī)的聯(lián)通；手機(jī)APP模塊一方面用于用戶界面交互顯示，另一方面作為系統(tǒng)控制管理中心，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)調(diào)管理。

系統(tǒng)工作時(shí)，首先用戶在APP界面上選擇相應(yīng)操作，然后APP將相應(yīng)指令解析得到相應(yīng)指令數(shù)據(jù)，再通過(guò)WIFI信號(hào)將該數(shù)據(jù)信號(hào)送往智能小車WIFI模塊，接著智能小車WIFI模塊將接收到的指令傳輸?shù)街悄苄≤噯纹瑱C(jī)控制中心，再由單片機(jī)控制中心控制相應(yīng)模塊完成指定操作，最后單片機(jī)控制中心收到對(duì)應(yīng)操作結(jié)果，沿指令信號(hào)回路將結(jié)果數(shù)據(jù)反饋到手機(jī)APP上，用戶得到操作結(jié)果。

2 系統(tǒng)軟、硬件實(shí)現(xiàn)

2.1 硬件模塊

由于采用手機(jī)APP進(jìn)行控制，因此，主要的硬件為智能小車的硬件平臺(tái)，包括控制模塊、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、傳感器模塊等幾個(gè)部分。智能小車平臺(tái)硬件組成框圖如圖3所示，包括電源供電電池組、電源轉(zhuǎn)換電路、小車主體（本設(shè)計(jì)采用輪式小車）、單片機(jī)MCU系統(tǒng)[3]、WIFI模塊、攝像頭和舵機(jī)云臺(tái)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，以及溫度和濕度傳感器模塊。

2.1.1 最小系統(tǒng)組成

微控制器[4]是嵌入式開發(fā)中核心所在，微控制器的好壞直接影響著系統(tǒng)性能的優(yōu)劣。本設(shè)計(jì)采用STM32F103C8T6作為智能小車控制板微控制器，它是主頻72MHz的ARM32位處理器，包括核心MCU、電源穩(wěn)壓電路、電源濾波電路、BOOT選擇電路、指示燈、晶振電路、復(fù)位電路、Jlink接口、USB接口和其他擴(kuò)展接口。

2.1.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)中智能小車使用的電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊為L(zhǎng)298N芯片驅(qū)動(dòng)電路。L298N能夠驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)、電磁閥和大功率直流電機(jī)等感性負(fù)載，同時(shí)還可以直接和單片機(jī)連接，易于控制。L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)示意圖如圖4所示。邏輯輸入、PWM信號(hào)1和PWM信號(hào)2用于控制電機(jī)相應(yīng)操作，M1和M2表示可以控制兩個(gè)電機(jī)，電源用于供電。L298N還可對(duì)直流電機(jī)速度進(jìn)行調(diào)控，即根據(jù)PWM信號(hào)，改變向直流電機(jī)供電電壓的占空，從而改變平均電壓，進(jìn)而達(dá)到直流電機(jī)調(diào)速的目的。[5]

2.1.3 溫度和濕度傳感器設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)溫度和濕度傳感器采用DHT11芯片，該芯片可同時(shí)測(cè)量環(huán)境溫度和濕度。DHT11傳感器和MCU連接示意圖如圖5所示，其供電電壓為3～5.5V，且在上電之后，傳感器會(huì)有1秒左右的振蕩期，因此對(duì)其發(fā)送指令應(yīng)該間隔上一段時(shí)間。微控制器與DHT11之間的通信通過(guò)中間兩個(gè)引腳連線實(shí)現(xiàn)。

2.1.4 圖像采集和WIFI傳輸設(shè)計(jì)

圖像采集模塊直接購(gòu)買使用USB監(jiān)控?cái)z像頭作為智能小車攝像模塊。USB監(jiān)控?cái)z像頭可將傳感器采集到的監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為USB信號(hào)，使用過(guò)程中可直接對(duì)USB信號(hào)處理，較為方便簡(jiǎn)單。在WIFI傳輸方面，采用經(jīng)改裝的TP-Link WR703N無(wú)線路由器作為智能小車的WIFI連接模塊。在工作中，USB監(jiān)控?cái)z像頭采集監(jiān)控視頻，并將其直接傳送給WR703N無(wú)線路由器，然后WR703N無(wú)線路由器將監(jiān)控視頻通過(guò)WIFI傳送給Android手機(jī)。

2.2 軟件模塊

2.2.1 智能小車平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)

智能小車平臺(tái)軟件主要指單片機(jī)MCU控制軟件，其主程序流程圖如圖6所示。首先，初始化單片機(jī)所用到的內(nèi)部資源，如系統(tǒng)時(shí)鐘、IO、串口和其他寄存器等初始化；初始化完成后進(jìn)入循環(huán)等待模塊；當(dāng)接收到命令數(shù)據(jù)之后，對(duì)命令數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，并執(zhí)行相應(yīng)操作。接收命令主要有小車前后左右行駛控制、攝像頭云臺(tái)旋轉(zhuǎn)控制和傳感器數(shù)據(jù)上報(bào)。值得注意的是，接收命令數(shù)據(jù)格式需要自行定義，即單片機(jī)MCU和Android手機(jī)APP之間通過(guò)事先定義的數(shù)據(jù)格式封裝和解析控制命令。

2.2.2 Android手機(jī)APP軟件設(shè)計(jì)

在APP啟動(dòng)之前，需要連接智能小車WIFI模塊的WIFI信號(hào)。APP啟動(dòng)之后，主程序首先初始化用戶顯示界面，并建立與智能小車通信所用到的Socket套接字。然后APP會(huì)根據(jù)相應(yīng)情況做出不同的反應(yīng)，主要有用戶指令控制、視頻接收顯示和傳感器數(shù)據(jù)接收顯示。

2.3 安裝與調(diào)試

經(jīng)過(guò)調(diào)試，實(shí)現(xiàn)了以下功能：（1）在Android手機(jī)APP上點(diǎn)擊對(duì)應(yīng)按鈕，小車可根據(jù)相應(yīng)操作前后左右行駛，且改變對(duì)應(yīng)速度大小值，小車速度相應(yīng)改變；（2）連接智能小車之后，界面實(shí)時(shí)顯示監(jiān)控視頻；（3）拖動(dòng)舵機(jī)控制進(jìn)度條，舵機(jī)會(huì)對(duì)應(yīng)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而控制攝像頭旋轉(zhuǎn)；（4）界面實(shí)時(shí)顯示環(huán)境溫度和濕度。

3 結(jié) 論

本文根據(jù)系統(tǒng)需求，將時(shí)下流行的智能手機(jī)和智能小車相結(jié)合，利用智能手機(jī)APP實(shí)現(xiàn)對(duì)智能小車的控制，能夠有力地促進(jìn)智能小車的發(fā)展。對(duì)于無(wú)線小車和現(xiàn)代智能家居的設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1] 周柱.基于STM32的智能小車研究 [D].成都：西南交通大學(xué)，2011.

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[3] 孫浩.基于WiFi技術(shù)和Android系統(tǒng)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì) [D].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，2014.

[4] 周磊.單片機(jī)電機(jī)系統(tǒng)控制分析 [J].信息與電腦（理論版），2013（4）：167-168.

[5] 黃興.Android平臺(tái)遠(yuǎn)程終端控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì) [D].北京：北京郵電大學(xué)，2013.

作者簡(jiǎn)介：周海鵬（1993-），男，漢族，湖北赤壁人，本科。研究方向：數(shù)據(jù)通信與智能控制。