基于Android移動平臺的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

陳鑫 李葉龍

摘要：以ESP8266-NodeMCU模塊為核心硬件，以Android手機為控制終端，以SG90型舵機為被控對象，設(shè)計一種遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。本設(shè)計采用Blinker app及Arduino IDE作為軟件開發(fā)工具，利用物聯(lián)網(wǎng)接人工具Blinker app在手機端搭建人機交互界面，利用Arduino IDE提供的舵機函數(shù)實現(xiàn)舵機的轉(zhuǎn)速控制，利用Arduino lDE提供的Blinker函數(shù)庫中的WIFl連接函數(shù)實現(xiàn)ESP8266-NodeMCU模塊與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的連接，并借助互聯(lián)網(wǎng)與手機端的人機界面建立關(guān)聯(lián)，由此實現(xiàn)手機對舵機的遠(yuǎn)程控制。

關(guān)鍵詞：遠(yuǎn)程控制;NodeMCU;WIFl;Android

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）29-0080-02

隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的飛速發(fā)展，“互聯(lián)網(wǎng)+”思想正逐步融各行各業(yè)，目前，信息技術(shù)已在企業(yè)、服務(wù)行業(yè)以及家庭生活等領(lǐng)域得到一定程度的應(yīng)用?；ヂ?lián)網(wǎng)是信息的重要傳遞媒介，智能移動平臺被人們廣泛使用，基于智能移動平臺的遠(yuǎn)程控制技術(shù)，因其使用的便利性而被廣泛應(yīng)用于智能家居等領(lǐng)域。利用智能移動平臺進(jìn)行遠(yuǎn)程控制涉及多種技術(shù)，對于一般的電子愛好者而言，較難以在短時間內(nèi)掌握。為此，以Android手機為控制終端，以ESP8266-NodeMCU WIFI模塊為核心硬件，以舵機為被控對象，設(shè)計實現(xiàn)一種遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，進(jìn)而為廣大電子愛好者提供一種快速掌握該技術(shù)的借鑒案例。

1 總體方案

系統(tǒng)主要由Android手機、ESP8266-NodeMCU WIFI模塊（簡稱NodeMCU模塊）、SG90型舵機等硬件構(gòu)成。其具體實現(xiàn)方案為：首先將舵機與NodeMCU模塊的GPIO端子進(jìn)行連接，可視其為舵機的驅(qū)動器，然后將NodeMCU模塊與WIFI進(jìn)行連接，實現(xiàn)NodeMCU模塊與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器間數(shù)據(jù)互通，最后用戶在Android手機端通過人機界面，以互聯(lián)網(wǎng)為媒介，向在線的NodeMCU模塊發(fā)送指令，NodeMCU依據(jù)指令驅(qū)動舵機，進(jìn)而實現(xiàn)對舵機遠(yuǎn)程控制。

2 核心硬件

2.1 NodeMCU模塊

ESP8266-NodeMCU WIFI模塊是一開源的物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)板，引腳如圖1所示。內(nèi)置了ESP8266-12型WIFI模塊和NodeM-CU驅(qū)動模塊，通常使用方便快捷的Lua語言或者Arduino IDE進(jìn)行開發(fā)，在結(jié)構(gòu)上設(shè)計了一個方便的USB數(shù)據(jù)線接口，可用micro USB數(shù)據(jù)線進(jìn)行上傳代碼及供電，不需獨立電源，使用方便（其原始版本的ESP8266-OIS型號，需進(jìn)行FTDI轉(zhuǎn)USB或USB轉(zhuǎn)串口的開發(fā)步驟，且需要獨立電源進(jìn)行供電）。另外，其具有3.3V的電壓調(diào)節(jié)器，可以被3.3V以上的電源驅(qū)動運行，共有30個不同功能的引腳，其有多個串口可以選用，有五處接地引腳GND，五處以上的vcc引腳，13個GPIO（通用1/0端口）引腳中除了GPI016只能進(jìn)行讀寫以外，每個引腳都可以進(jìn)行中斷PWM或者I2C等功能。

本設(shè)計主要運用該模塊強大的IOT（Internet of Things）功能，區(qū)別于一般的單片機，其最大的特點就在于，它可以連接互聯(lián)網(wǎng)，可從服務(wù)器當(dāng)中讀取信息回傳并處理，然后輸出。

2.2 舵機及其控制原理

1）舵機結(jié)構(gòu)

舵機主要由舵盤、位置傳感器、減速齒輪組、直流電機、內(nèi)部控制電路板（主體為信號調(diào)制芯片）構(gòu)成。本設(shè)計采用SG90型舵機。工作時，其內(nèi)部控制電路板對輸入信號進(jìn)行調(diào)制處理，驅(qū)動電機，帶動變速齒輪，在輸出軸上輸出動作，位置檢測器（角度傳感器）是它的輸入傳感器，該傳感器會對輸出軸所獲得的速度及方向進(jìn)行反饋，控制電路板依據(jù)反饋信息實時調(diào)節(jié)輸入信號，從而實現(xiàn)舵機的閉環(huán)式控制方式，提高了控制精度。其控制原理如圖2所示。

2）舵機控制方式

本設(shè)計中采用脈寬調(diào)制（（PWM）信號控制舵機，即脈沖信號。舵機的控制信號周期為20 ms的脈寬調(diào)制信號，其中脈寬為0.5ms-2.5ms，相應(yīng)的舵盤位置從0-180 度，二者間滿足線性關(guān)系。當(dāng)給予舵機一定的脈寬時，舵機的輸出軸就會保持一定的對應(yīng)角度，無論外接轉(zhuǎn)矩在安全范圍內(nèi)如何改變，直到接收到下一個脈沖信號才會輸出新的對應(yīng)角度。脈寬與轉(zhuǎn)角間對應(yīng)關(guān)系如圖3所示。

3 系統(tǒng)軟件部分

3.1 Arduino IDE

本設(shè)計采用Arduino IDE作為開發(fā)工具，進(jìn)行舵機驅(qū)動程序的開發(fā)。Arduino IDE提供了一種集成化的開發(fā)環(huán)境，包括代碼編輯器、編譯器、調(diào)試器、串口監(jiān)視器、圖形用戶界面等，提供了代碼編寫、分析、編譯和上傳等一體化的服務(wù)功能。其用戶界面如圖4所示。使用時，只需要在白色區(qū)域內(nèi)，編輯好程序代碼，點擊（√）功能按鈕，軟件便開始編譯程序，若編譯無誤，則可以連接USB數(shù)據(jù)線，點擊（→）后開始上傳，上傳完成后，界面也會顯示“上傳成功”字樣。

Arduino IDE本身集成了十分豐富的庫文件、例程等，編寫程序十分方便。本設(shè)計中主要使用其提供的Blinker函數(shù)庫及舵機函數(shù)庫（Servo.h）。利用舵機函數(shù)庫（Servo.h）實現(xiàn)舵機的轉(zhuǎn)速控制，該函數(shù)庫已將各個脈寬對應(yīng)的角度整理恰當(dāng)，只需要使用者在其函數(shù)中輸入需求的角度，就可以輕而易舉的精確操控舵機。另外，在調(diào)整舵機轉(zhuǎn)速方面，Arduino IDE并沒有專門的庫文件可以調(diào)用，為此利用for函數(shù)編寫延時程序的方式實現(xiàn)調(diào)速目的。

在Blinker函數(shù)庫中，使用者可以輕松調(diào)用WIFI連接函數(shù)，在函數(shù)內(nèi)輸入WIFI的SSID以及密碼，模塊上電工作時就可自動連接對應(yīng)WIFI，在Blinker的按鍵函數(shù)中，輸入按鍵的“數(shù)據(jù)鍵名”，以及舵機所對應(yīng)的運行代碼，此“數(shù)據(jù)鍵名”需與手機端人機交互界面內(nèi)“按鍵名”相對應(yīng)，在這些函數(shù)的幫助下，即可以輕松連接至互聯(lián)網(wǎng)。

3.2 手機端應(yīng)用界面開發(fā)

Blinker app是一款專業(yè)的物聯(lián)網(wǎng)接人工具，可在人機之間搭建高效的交互平臺，使用Blinker可以方便、快捷的控制硬件設(shè)備，非常適合以Arduino，ESP8266-NodeMCU，Raspberry Pi（樹莓派）等為核心的智能家居項目的開發(fā)。其用戶自定義界面如圖5所示。

在Blinker中，用戶可以根據(jù)需要對控制界面進(jìn)行編輯，首先選擇所需的自定義界面，進(jìn)入到自定義界面之后，依據(jù)需要添加按鍵，并根據(jù)開發(fā)板程序內(nèi)部的“數(shù)據(jù)鍵名”，定義各按鍵的鍵名，于是當(dāng)手機端與互聯(lián)網(wǎng)連接后，使用者只需進(jìn)入用戶界面，點擊按鍵，Blinker App將對應(yīng)按鈕的數(shù)據(jù)鍵名以及其所包含的信息上傳至服務(wù)器，而另一端與互聯(lián)網(wǎng)連接的NodeM-CU開發(fā)板讀取服務(wù)器上變動的按鍵數(shù)據(jù)，并運行數(shù)據(jù)鍵名所對應(yīng)的子程序，由此實現(xiàn)對硬件的控制。

4 系統(tǒng)實現(xiàn)過程

首先將Arduino IDE中寫好的Blinker例程、舵機驅(qū)動代碼寫入ESP8266-NodeMCUWIFI模塊，斷電后再上電，稍等片刻，模塊即可自動連接到設(shè)置好的WIFI;將手機連接WIFI（4G網(wǎng)絡(luò)），打開應(yīng)用界面，進(jìn)行按鍵操作，按鍵信息上傳至服務(wù)器，ESP8266-12子模塊讀取服務(wù)器上按鍵信息并回傳NodeMCU子模塊，NodeMCU模塊收到按鍵信息后，運行該按鍵信息所對應(yīng)舵機驅(qū)動代碼，進(jìn)而實現(xiàn)對舵機的遠(yuǎn)程控制。系統(tǒng)實現(xiàn)流程如

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【通聯(lián)編輯：唐一東】

作者簡介：陳鑫（1999-），男，本科生，研究方向為機械制造及其自動化;通信作者：李葉龍（1978-），男，講師，博士，主要從事機電一體化技術(shù)研究。