基于樹莓派的移動(dòng)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)

張一夫 陳天飛 馮明興

摘 要：文中設(shè)計(jì)了一種基于樹莓派的移動(dòng)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，使用該系統(tǒng)能夠釋放勞動(dòng)力、提高工作效率，并監(jiān)測人無法到達(dá)的惡劣環(huán)境。該系統(tǒng)以樹莓派嵌入式卡片電腦作為主控，與Arduino開發(fā)板控制的移動(dòng)平臺(tái)和STM32單片機(jī)控制的環(huán)境監(jiān)測平臺(tái)進(jìn)行通信，能夠在遠(yuǎn)程控制的情況下采集系統(tǒng)周圍的圖像和環(huán)境數(shù)據(jù)。經(jīng)測試，發(fā)現(xiàn)該移動(dòng)環(huán)境監(jiān)測平臺(tái)能夠較好地實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能，且工作穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：樹莓派;移動(dòng)平臺(tái);環(huán)境監(jiān)測;遠(yuǎn)程控制;Arduino;STM32單片機(jī)

中圖分類號(hào)：TP393文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-1302（2019）07-00-03

0 引 言

近年來自然環(huán)境逐漸惡化，對(duì)人們帶來的負(fù)面影響越來越嚴(yán)重，保護(hù)環(huán)境的重要性日益提升[1]。為了更好地保護(hù)環(huán)境，需要對(duì)環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行測量，目前雖然出現(xiàn)了一些遠(yuǎn)程測量技術(shù)，但由于種種原因[2]，有時(shí)人們不得不暴露在惡劣的環(huán)境下測量數(shù)據(jù)。針對(duì)以上問題，本文設(shè)計(jì)了一種移動(dòng)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)中樹莓派[3]分別通過兩個(gè)USB串口、小車底盤的Arduino開發(fā)板[4]和環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的STM32單片機(jī)[5]通信，以實(shí)現(xiàn)獲取環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)和底盤自由移動(dòng)的功能，配合USB攝像機(jī)完成圖傳，通過WiFi與上位機(jī)傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

1 整體方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的核心是樹莓派，它與移動(dòng)平臺(tái)Arduino的通信由串口UART1完成，與STM32環(huán)境監(jiān)測平臺(tái)的通信通過串口UART2完成。除樹莓派上的USB攝像機(jī)外，系統(tǒng)的傳感器主要分布在STM32環(huán)境監(jiān)測平臺(tái)上。上位機(jī)與樹莓派通信的目的在于遠(yuǎn)程控制平臺(tái)移動(dòng)，傳輸環(huán)境監(jiān)測移動(dòng)平臺(tái)測得的環(huán)境數(shù)據(jù)和攝像機(jī)捕獲的圖像借助WiFi實(shí)現(xiàn)。

（1）樹莓派通過WiFi與電腦進(jìn)行遠(yuǎn)程連接實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控的功能;

（2）通過樹莓派上的攝像機(jī)捕捉畫面，然后樹莓派經(jīng)串口控制移動(dòng)平臺(tái)并讀取環(huán)境監(jiān)測平臺(tái)的數(shù)據(jù);

（3）實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制系統(tǒng)的功能。

移動(dòng)平臺(tái)選擇Arduino開發(fā)板作為控制器，還包括航模電池、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、電機(jī)、編碼器、穩(wěn)壓電源，能夠根據(jù)樹莓派發(fā)送的命令做出不同的動(dòng)作。

環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)選擇STM32F103單片機(jī)，包括煙霧傳感器模塊、有害氣體傳感器模塊、溫濕度傳感器模塊、人體紅外檢測模塊、光敏電阻光照檢測模塊。使用串口將偵測到的數(shù)據(jù)傳遞給樹莓派進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測，數(shù)據(jù)可通過系統(tǒng)自帶的TFT-LCD屏顯示，方便現(xiàn)場查看。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 樹莓派部分

樹莓派共使用三個(gè)USB接口，分別接攝像機(jī)和兩個(gè)USB串口模塊。其中USB3連接攝像機(jī)用來采集圖像，與樹莓派VNC功能[6]配合實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)視;USB2接USB轉(zhuǎn)串口模塊與STM32環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)通信以實(shí)現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測的功能;USB1接USB轉(zhuǎn)串口模塊負(fù)責(zé)與Arduino開發(fā)板通信，以實(shí)現(xiàn)通過樹莓派控制小車行走的功能。樹莓派USB口分配見表1所列。

2.2 小車底盤部分

Arduino開發(fā)板基于Atmega168單片機(jī)，其I/O口已映射到開發(fā)板的接口[7]。使用其作為控制器，配合樹莓派、編碼器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器等設(shè)計(jì)移動(dòng)平臺(tái)，硬件設(shè)計(jì)如圖2所示。

Arduino的I/O口中，0引腳和1引腳作為串口使用，以完成與樹莓派的通信，小車使用2號(hào)和3號(hào)引腳采取外部中

斷[8]的方法測速，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器使用兩個(gè)BTS7960[9]驅(qū)動(dòng)模塊，將使能端接高電平，然后將正轉(zhuǎn)端和反轉(zhuǎn)端分別接入PWM引腳以調(diào)速。本文的兩個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器分別使用開發(fā)板的5，6號(hào)引腳與9，10號(hào)引腳，其中5號(hào)引腳輸出PWM脈沖時(shí)，代表小車左輪向前轉(zhuǎn);6號(hào)引腳輸出PWM脈沖時(shí)，代表小車右輪向后轉(zhuǎn);9號(hào)引腳輸出PWM脈沖時(shí)，代表小車右輪向前轉(zhuǎn);10號(hào)引腳輸出PWM脈沖時(shí)，代表小車左輪向后轉(zhuǎn)。根據(jù)對(duì)應(yīng)管腳依次連接電源、串口、編碼器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，開發(fā)板接線見表2所列。

2.3 環(huán)境監(jiān)測部分

在環(huán)境監(jiān)測平臺(tái)中，各模塊與STM32的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖3

所示。除STM32單片機(jī)外圍電路占用的引腳[10]外，還包括與樹莓派通信的UART2：引腳PA9，PA10;煙霧傳感器模塊的MQ2_ADC：引腳PA1;有害氣體傳感器模塊的MQ135_ADC：引腳PC1;溫濕度傳感器模塊的DHT11：引腳PC3;人體紅外檢測模塊的PESON_CHECK：引腳PA4;光敏電阻光照檢測模塊的GZ_ADC：引腳PC2;LCD屏的SPI1：引腳PC6，PC7，PC8，PB12，PB13，PB14，PB15;FLASH存儲(chǔ)模塊的SPI2：引腳PA5，PA6，PA7。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 樹莓派軟件設(shè)計(jì)

樹莓派在系統(tǒng)中與各組塊通信，作為遙控信號(hào)的接收器以及圖像數(shù)據(jù)和環(huán)境數(shù)據(jù)的發(fā)送器，其主要作用是根據(jù)用戶命令完成動(dòng)作，并將圖像與環(huán)境數(shù)據(jù)通過WiFi回傳，具體流程如圖4所示。

小車底盤的操縱命令由樹莓派的遙控程序提供，通過串口發(fā)送根據(jù)用戶鍵盤輸入的命令以控制Arduino動(dòng)作。因?yàn)橄到y(tǒng)的串口通信距離較短，可以不考慮干擾以及數(shù)據(jù)丟失的情況，故采用十六進(jìn)制數(shù)來代表各命令。命令分為設(shè)置檔位、停車和移動(dòng)三種，按Ctrl鍵串口輸出十六進(jìn)制的0，按空格鍵串口輸出十六進(jìn)制的1，按鍵盤方向鍵前后左右串口分別輸出十六進(jìn)制的2，3，4，5。命令與數(shù)據(jù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系見表3所列。

3.2 小車控制軟件設(shè)計(jì)

小車底盤由樹莓派通過串口控制，當(dāng)Arduino接收到不同的命令后，會(huì)根據(jù)命令進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作，流程如圖6所示，具體命令及其優(yōu)先級(jí)如圖7所示。

3.2.1 小車運(yùn)動(dòng)建模

小車運(yùn)動(dòng)速度的變化通過PWM調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電壓實(shí)現(xiàn)，反饋測量則通過每個(gè)電機(jī)后面的編碼器輸出脈沖實(shí)現(xiàn)。使用Arduino對(duì)小車速度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，小車電機(jī)安裝的編碼器輸出脈沖分辨率PPR為375.22，即小車輪子轉(zhuǎn)一圈后，輸出的脈沖數(shù)量為375.22個(gè)。對(duì)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，設(shè)共有n個(gè)脈沖，然后n除以分辨率PPR，得到輪子旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)，再除以時(shí)間t即可得到輪子的轉(zhuǎn)速N，公式如下：

3.2.2 小車運(yùn)動(dòng)控制

小車的啟停必須緩慢加速緩慢停車，否則容易空翻。以等梯度加速啟動(dòng)，剛開始速度設(shè)為0，經(jīng)過延時(shí)、測速后判斷是否達(dá)到預(yù)定速度，達(dá)到后不再加速，否則繼續(xù)加速，具體流程如圖8所示。

與等梯度加速類似，停車時(shí)緩慢減速。當(dāng)接收到停車指令時(shí)進(jìn)入停車程序，逐步減速，直至速度為0后停車。停車流程如圖9所示。

3.3 環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的主要功能是獲取各傳感器的數(shù)據(jù)，STM32單片機(jī)讀取各傳感器信息，并將其輸出的模擬量或數(shù)字量轉(zhuǎn)化為可讀的量后通過串口發(fā)送給樹莓派，同時(shí)顯示在LCD液晶屏上，循環(huán)執(zhí)行，如圖10所示。

4 系統(tǒng)調(diào)試

4.1 整體調(diào)試

搭建的系統(tǒng)如圖11所示。

樹莓派連接WiFi，通過VNC Viewer軟件遠(yuǎn)程登錄對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試。運(yùn)行程序界面如圖12所示，可以觀測到樹莓派回傳的攝像機(jī)畫面，以及環(huán)境監(jiān)測開啟按鈕“Open”和環(huán)境監(jiān)測關(guān)閉按鈕“Close”。對(duì)小車進(jìn)行控制，發(fā)現(xiàn)小車可以根據(jù)鍵盤的命令切換速度、停車以及移動(dòng)。

4.2 環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)調(diào)試

環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的PCB板及界面測試如圖13所示。

5 結(jié) 語

本文通過樹莓派搭建了一個(gè)移動(dòng)環(huán)境監(jiān)測平臺(tái)，該平臺(tái)能夠替代環(huán)境工作者進(jìn)行環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測，在提高效率的同時(shí)保障工作人員的生命健康。本系統(tǒng)中，樹莓派通過WiFi與上位機(jī)交換數(shù)據(jù)，通過兩個(gè)串口分別控制STM32環(huán)境監(jiān)測平臺(tái)和Arduino移動(dòng)平臺(tái)，通過調(diào)試發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)能夠穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)圖傳、遠(yuǎn)程遙控和實(shí)時(shí)采集環(huán)境數(shù)據(jù)的功能。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]孫曉東.環(huán)境監(jiān)測與環(huán)境監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展分析[J].當(dāng)代化工研究，2018（1）：84-85.

[2]王幸，孫雯郁.抗惡劣環(huán)境下新型監(jiān)控設(shè)備應(yīng)用的重要性[J].經(jīng)濟(jì)師，2015（4）：66-67.

[3]柯博文.樹莓派（Raspberry Pi）實(shí)戰(zhàn)指南[M].北京：清華大學(xué)出版社，2015.

[4] Michael McRoberts. Arduino從基礎(chǔ)到實(shí)踐[M].2版.北京：電子工業(yè)出版社，2017.

[5]喻金錢，喻斌.STM32F系列ARMCortex.M3核微控制器開發(fā)與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2011.

[6] Simon Monk.樹莓派開發(fā)實(shí)戰(zhàn)[M].北京：人民郵電出版社，2017.

[7]蔡睿妍.Arduino的原理及應(yīng)用[J].電子設(shè)計(jì)工程，2012，20（16）：155-157.

[8]董錚，袁磊，寧彬.基于Arduino的電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)[J].清遠(yuǎn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2015，8（6）：59-62.

[9]李慧，李秀歌，婁利峰.飛思卡爾智能車設(shè)計(jì)方法討論[J].長春工程學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2012，13（1）：50-52.

[10]劉軍，張洋，嚴(yán)漢宇.例說STM32[M].2版.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2014.