基于3D打印的室內(nèi)視頻巡檢車設(shè)計

陳亞楠 王思媛 張育鳳 馮沖 肖瑛

摘要：針對兒童滯留游樂室的情況，本文設(shè)計了一款手機遙控的視頻巡檢車，該車的運動狀態(tài)可受使用者手機控制并將巡檢車所在位置的視頻信息傳到手機屏幕顯示。巡檢車外形結(jié)構(gòu)采用3D打印技術(shù)設(shè)計并加工。視頻巡檢車控制系統(tǒng)基于STM32F407微控制器設(shè)計，巡檢車與手機通過WiFi進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。經(jīng)測試，巡檢車可實現(xiàn)手機遙控功能，并實現(xiàn)對所處位置360°無死角視頻監(jiān)控功能。

關(guān)鍵詞： 3D打印; STM32F407; 遠(yuǎn)程監(jiān)控

【Abstract】 In view of the situation of children retention in the amusement room，this paper designs a mobile phone remote control video patrol car. The motion state of the car can be controlled by the user's mobile phone and the video information of the location of the patrol car can be transmitted to the mobile phone screen for display. The external structure of the inspection vehicle is designed and processed by 3D printing technology. Video patrol car control system is designed based on STM32F407 micro controller. The data between patrol car and the mobile phone is communicated through WiFi. After testing， the patrol car can realize the remote control function of the mobile phone， and realize the 360 degree no dead angle video monitoring function of the position.

【Key words】 ?3D printing; STM32F407; long-range control

0 引 言

隨著中國經(jīng)濟(jì)水平的提高，使不少家庭對于家中幼童的休閑娛樂場所上有了更多的選擇。但隨之而來地，兒童滯留游樂場所的現(xiàn)象也在日顯突出，并引發(fā)了社會各界的高度關(guān)注。

本文針對這一問題擬設(shè)計一款室內(nèi)視頻巡檢車，在游樂場或商場關(guān)門前代替人力去巡視一圈場內(nèi)環(huán)境，察看是否有滯留的小孩。這款視頻巡檢車可以進(jìn)行遠(yuǎn)程實時通訊、小車運動方向控制、視頻監(jiān)控以及視頻無線傳輸。視頻巡檢車在日常生活中扮演“智能管理員”的角色。這款車的關(guān)鍵技術(shù)包括3D打印技術(shù)、WiFi信號與視頻傳輸技術(shù)、手機遠(yuǎn)程操控技術(shù)等。在這項研究中，巡檢車可以很容易地和手機連接網(wǎng)絡(luò)并通過手機控制小車運動，此外該車還能夠安全到達(dá)目標(biāo)位置，并實時監(jiān)控當(dāng)前環(huán)境下的游樂場或商場兒童滯留情況。該車還可以作為智能機器人后續(xù)研究的平臺。視頻巡檢車的設(shè)計原則是：小車結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)，操作簡單，便于使用。

1 總體設(shè)計方案

根據(jù)系統(tǒng)功能需求，基于嵌入式技術(shù)系統(tǒng)設(shè)計方案，本文所研發(fā)的系統(tǒng)由手機上的App控制，用戶在手機App的控制面板發(fā)出指令后，通過串口發(fā)送指令到STM32中，在STM32中對獲取的命令進(jìn)行解析，根據(jù)指令的不同，做出相應(yīng)的動作處理，控制巡檢車運動及舵機旋轉(zhuǎn)。攝像頭采集圖像后，通過WiFi將視頻傳輸給手機，用戶可以通過手機操作面板對圖像進(jìn)行截取保存處理。該系統(tǒng)以STM32為核心控制芯片，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2 硬件技術(shù)設(shè)計

2.1 微控制器最小系統(tǒng)資源分配

微控制器STM32F407為Contex-M4內(nèi)核，集成FPU和DSP指令，內(nèi)部有1 M Flash，192 KB SRAM[1]。該微控制器在本系統(tǒng)中主要執(zhí)行視頻讀取、PWM信號輸出等操作，設(shè)計單片機核心系統(tǒng)完成上述功能。具體包括：電源電路設(shè)計、IO設(shè)計、晶振電路設(shè)計等。其中，供電部分采用IO口連接從L298P電機驅(qū)動板上電源口引出的5 V電壓工作，視頻傳輸連接STM32的A10、A9接口，PWM輸出由STM32的A7端口輸出，L298P電機驅(qū)動板連接STM32的引腳F9和F10，如圖2所示。

2.2 WiFi攝像頭模塊

本次研究將攝像頭與WIFI模塊封裝在一起，在其內(nèi)部規(guī)定了固定的通信協(xié)議，通過手機連接WiFi實現(xiàn)視頻傳輸功能。使用者可通過手機操控面板發(fā)送指令控制舵機轉(zhuǎn)換角度，同時攝像頭將采集到的圖像通過WiFi傳輸?shù)绞謾C顯示，因此使用者可實時全方位采集到巡檢車所在場地的圖像信息。WiFi攝像頭模塊如圖3所示。

2.3 巡檢車運動控制系統(tǒng)設(shè)計

2.3.1 L298P電機驅(qū)動模塊原理

ST公司的L298P是典型雙H橋直流電機驅(qū)動芯片，可用于驅(qū)動直流電機或雙極性步進(jìn)電機，此驅(qū)動板體積小，重量輕，具有強大的驅(qū)動能力。研究后可得到，H橋電路驅(qū)動電機順時針轉(zhuǎn)動示意如圖4所示。要想通過驅(qū)動模塊使電機運轉(zhuǎn)，必須使圖4中對角線上的一對三極管導(dǎo)通，電流由電源正極從Q1管流入，從左到右經(jīng)過電機，再從Q4管流出至電源負(fù)極（按圖4中所指示的箭頭來流動），從而驅(qū)使電機正轉(zhuǎn);而當(dāng)電流由Q2和Q3流動時，此刻電機完成反轉(zhuǎn)。

此驅(qū)動在使用時，一定要保證H橋同側(cè)三極管不會同時導(dǎo)通。假設(shè)Q1和Q2同時導(dǎo)通，電流直接由正極流入，負(fù)極流出，并不會驅(qū)動電機，且此時的三極管沒有任何其他負(fù)載，所以電路上電流就可能會達(dá)到最大值，甚至?xí)龤龢O管。因此，驅(qū)動電路要使用硬件電路控制三極管的開關(guān)。

驅(qū)動板上設(shè)有電流反饋檢測接口、內(nèi)邏輯取電選擇端、路直流電機接口和四線兩相步進(jìn)電機接口、控制電機方向指示燈、4個標(biāo)準(zhǔn)固定安裝孔;2 A的峰值電流和46 V的峰值電壓;外加續(xù)流二極管可防止電機線圈在斷電時的反電動勢損壞芯片，安裝散熱片使芯片溫度降低讓驅(qū)動性能更加穩(wěn)定[2]。

2.3.2 L298P的邏輯控制功能

在本次研發(fā)的程序中，初始就設(shè)定了使能端為高電平，由于這里選用的L298P板內(nèi)有一個74HG1G04芯片，該芯片的功能就是一塊小的“非門”，所以L298P在連接時只需要改變IN1和IN3輸入的高低電平，即可控制電機的正反轉(zhuǎn)。當(dāng)輸入端IN1為高電平，IN3也為高電平時，小車是前進(jìn)狀態(tài)，按此類推小車的每個運行狀態(tài)。L298P邏輯功能見表1。

2.3.3 L298P模塊接口

L298P模塊的設(shè)計接口如圖5所示。該模塊包括2部分，即：模塊供電和電機驅(qū)動輸出接口、模塊邏輯控制接口。對此可做闡釋分述如下。

（1）供電接口設(shè)計

① 本設(shè)計使用的L298P驅(qū)動板需要另接電源供電，則需要進(jìn)行單片機和驅(qū)動板的共地連接，即如圖5中的供地GND 接口需與單片機GND 接口共同連接，如此一來單片機傳輸?shù)倪壿嬓盘柌庞袇⒖剂泓c，電機才能正常工作。

② 本設(shè)計中該驅(qū)動板需外接7.4 V電源為其供電，即如圖5中的供電接口與外接7.4 V電源連接。當(dāng)供電口接入7.4 V鋰電池的時候，此時這塊電源并不為整塊驅(qū)動板供電，只給予其中一個5 V電源的接頭供電，故而需要一根杜邦線就可將電源引入整塊驅(qū)動板。

（2）電機接口設(shè)計。本設(shè)計中，將L298N輸出端口OUT1、OUT2（即圖5中的輸出A通道）分別與電機的正負(fù)極相連接。L298P可同時驅(qū)動2個直流電機[4]。本次設(shè)計中選用的電機為直流減速電機，型號為GA12-N20，其電壓規(guī)格為6 V直流電壓，電機轉(zhuǎn)速為100 r/min。

2.4 3D打印外觀

3D打印是一種與普通打印機工作原理基本相同的快速成型技術(shù)。這項技術(shù)在生活中的應(yīng)用便是3D打印機。3D打印機內(nèi)裝有塑料等可粘合材料，通過計算機軟件設(shè)計出三維立體程序，再運用多層打印方式，從而把計算機上的藍(lán)圖變成實物[5]。本次設(shè)計中，先通過計算機輔助設(shè)計（CAD）建模，接下來將建成的三維模型“分區(qū)”成逐層的截面，再指導(dǎo)打印機逐層打印。設(shè)計軟件和打印機之間協(xié)作的標(biāo)準(zhǔn)文件格式是STL文件格式，用Z-Suite軟件將其打印下來。各部件3D打印設(shè)計圖如圖6所示，組裝完成后的完整模型如圖7所示。

3 系統(tǒng)程序設(shè)計及系統(tǒng)調(diào)試

3.1 程序設(shè)計

在系統(tǒng)硬件的研究設(shè)計后，即需進(jìn)行軟件研發(fā)，本文選用了嵌入式C語言。具體包括IO定義、IO初始化、IO映射，PWM輸出設(shè)計、中斷函數(shù)設(shè)計、通信協(xié)議設(shè)計等。本設(shè)計中實現(xiàn)通過無線及串口控制小車運動及舵機旋轉(zhuǎn)的功能，為此設(shè)計了main函數(shù)、中斷函數(shù)和 PWM脈沖產(chǎn)生函數(shù)及其他相關(guān)函數(shù)，該系統(tǒng)主程序流程圖如圖8所示。由圖8可知，主函數(shù)中對串口接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，根據(jù)通信協(xié)議中所規(guī)定的命令格式，執(zhí)行相應(yīng)命令。而串口的數(shù)據(jù)接收，則需要通過中斷進(jìn)行，當(dāng)中斷到來時，根據(jù)定制的數(shù)據(jù)包格式，判斷串口接收到的數(shù)據(jù)是否符合通信協(xié)議格式，中斷處理流程如圖9所示。

3.2 系統(tǒng)調(diào)試

本系統(tǒng)以STM32F407為控制核心，經(jīng)調(diào)試，通過手機連接WiFi來控制小車進(jìn)行前、后、左、右和停止的運動，同時攝像頭也能通過WiFi將所拍攝圖像實時傳輸?shù)绞謾C上顯示，在小車運動過程中，轉(zhuǎn)動舵機，即可全方位地巡視到周圍環(huán)境。系統(tǒng)調(diào)試實物如圖10所示，手機操控面板調(diào)試圖如圖11所示。

4 結(jié)束語

本設(shè)計中利用微控制器STM32F407為核心控制器，通過WiFi模塊接收手機操控面板的輸入信號、輸出電機以及舵機驅(qū)動信號，完成了小車的運動功能和舵機轉(zhuǎn)動功能，并通過3D打印技術(shù)制作了小車外殼，在電機驅(qū)動下小車正常運動。該室內(nèi)視頻巡檢車可應(yīng)用于日常生活中，使用者無需親自巡檢，即能全方位監(jiān)控到商場或游樂園的各個角落，節(jié)省人力的同時又可有效地防止兒童滯留在娛樂場所的事件隱患發(fā)生。此款室內(nèi)視頻巡檢車展現(xiàn)了機械與智能的完美結(jié)合，增加了巡檢車設(shè)計的實用性和科技感，給使用者帶來了更多的便利。

參考文獻(xiàn)

[1]瘋殼（深圳）科技有限公司. 32位ARM單片機STM32F407整板資源介紹[EB/OL]. [2016-03-16]. https：//wenku.baidu.com/view/f23de09c6429647d27284b73f24 2336c1eb9301d.html？from=searc.

[2] 潘錫淀. 直流電機的驅(qū)動電路原理及其在自動切紙刀上的應(yīng)用[J]. 科技信息（科學(xué)·教研），2017（12）：114.

[3]L298P 引腳圖片[EB/OL]. http：//jmaker.banner.tw/blog/l298p.jpg.

[4]網(wǎng)絡(luò)作者. L298P中文資料[EB/OL]. [2019-04-14]. https：//www.docin.com/p-2191346740.html.

[5]網(wǎng)絡(luò)作者. 3D打印技術(shù)的原理及應(yīng)用前景[EB/OL]. [2016-03-16]. https：//wenku.baidu.com/view/3857afe6376baf1ffd4fad7f.html？sxts=1571235036029.