基于STM32的WiFi視頻監(jiān)控小車設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

戴夢(mèng)飛，趙俊鋒

（南陽理工學(xué)院 智能制造學(xué)院，河南 南陽473004）

在當(dāng)今電子科技高速發(fā)展的時(shí)代背景下，在我們的生活中充滿了各種科技產(chǎn)品，這些產(chǎn)品的系統(tǒng)不斷強(qiáng)大，功能也逐漸豐富。WiFi視頻監(jiān)控小車作為近代的一種新的設(shè)計(jì)理念，它具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，例如成本低、結(jié)構(gòu)簡單，又有著多種實(shí)用功能。其設(shè)計(jì)之初便是為了能夠代替人類到一些危險(xiǎn)環(huán)境中執(zhí)行任務(wù)，例如軍事偵察任務(wù)或是化工環(huán)境下的巡查工作。事實(shí)證明，小車比人類更適合在惡劣且危險(xiǎn)的環(huán)境高效地工作，可以極大地減少人力成本，并且降低了風(fēng)險(xiǎn)。

本文研究的主要目的是在基于STM32的WiFi小車的基礎(chǔ)移動(dòng)功能上對(duì)于視頻信息采集和傳輸功能的設(shè)計(jì)。最終，WiFi視頻監(jiān)控小車能夠在通電情況下采集小車攝像頭前方的視頻信息，同時(shí)小車通過WiFi模塊的WiFi信號(hào)將采集到的視頻信息發(fā)送到PC上位機(jī)端或是Android手機(jī)端的應(yīng)用程序上，并在控制終端的應(yīng)用程序界面上顯示出來。同時(shí)，用戶可以在控制終端應(yīng)用程序的控制界面上通過WiFi信號(hào)向視頻監(jiān)控小車發(fā)送控制指令從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制視頻監(jiān)控小車的運(yùn)動(dòng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

近些年來，處理器隨著科技高速發(fā)展，嵌入式操作系統(tǒng)也得到了更為廣泛地使用。以嵌入式操作系統(tǒng)為核心的圖像信息采集和無線信息傳輸系統(tǒng)也已廣泛應(yīng)用于生活和工作中。本文就是基于STM32設(shè)計(jì)出WiFi視頻監(jiān)控小車。如今的電腦（又可稱為PC上位機(jī)）和手機(jī)（本文主要介紹Android操作系統(tǒng)的智能手機(jī)）成為每個(gè)人必不可少的生活工具。使用STM32作為處理器，利用攝像頭采集圖像信息并通過WiFi信號(hào)傳遞給PC上位機(jī)或是手機(jī)端，并在應(yīng)用程序的界面上顯示實(shí)時(shí)畫面，也可以通過WiFi信號(hào)發(fā)出控制指令給視頻監(jiān)控小車，從而控制小車的移動(dòng)。

本文設(shè)計(jì)的基于STM32的WiFi視頻監(jiān)控小車預(yù)期實(shí)現(xiàn)的功能如下：

（1）遠(yuǎn)程控制移動(dòng)功能：用戶可以遠(yuǎn)程使用控制終端通過WiFi信號(hào)發(fā)送控制指令給視頻監(jiān)控小車，從而控制視頻監(jiān)控小車的前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)彎和右轉(zhuǎn)彎這些基本的移動(dòng)功能。

（2）數(shù)據(jù)無線通信功能：視頻監(jiān)控小車和控制終端能通過WiFi信號(hào)互相連接，從而可以從控制終端發(fā)送控制指令給小車，小車也可以將采集到的視頻信息發(fā)送給控制終端。

（3）控制終端顯示功能：在PC上位機(jī)端或是Android手機(jī)端上的應(yīng)用程序可以實(shí)時(shí)顯示視頻監(jiān)控小車采集的視頻圖像。

本文基于STM32的WiFi視頻監(jiān)控小車系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)主要是硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩大方向。硬件設(shè)計(jì)主要是以STM32系列的處理器作為主控制器為基礎(chǔ)，再增加所需的視頻信息采集模塊和無線通信模塊。軟件模塊則是由小車選用硬件的驅(qū)動(dòng)模塊程序設(shè)計(jì)和控制終端的應(yīng)用程序設(shè)計(jì)組成。硬件的驅(qū)動(dòng)程序主要是電機(jī)的驅(qū)動(dòng)程序、USB攝像頭的視頻信息采集驅(qū)動(dòng)程序和無線數(shù)據(jù)傳輸驅(qū)動(dòng)程序這三部分組成，應(yīng)用程序由PC上位機(jī)端和Android手機(jī)端的APP共同組成，但系統(tǒng)還需要有相關(guān)的調(diào)試程序和燒錄程序。其設(shè)計(jì)的總體框架圖如圖1所示。

圖1 WiFi視頻監(jiān)控小車總體設(shè)計(jì)圖

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 微處理器模塊

對(duì)于微處理器的選型是設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)，要求微處理器可以幫助小車來控制各底層模塊，并通過無線信號(hào)與外部設(shè)備即終端建立聯(lián)系，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)、視頻信息數(shù)據(jù)的處理和傳輸?shù)取＞C合這些要求以及客觀條件，小車系統(tǒng)采用的處理器模塊是市面上主流的性能較為優(yōu)越的STM32F103ZET6。其在STM32系列的處理器內(nèi)部擁有高速存儲(chǔ)器，還添加有8MHz的RC振蕩器，這使得處理器可以達(dá)到72MHz的工作頻率[1]。綜上所述，STM32系列處理器可以說是相關(guān)用戶們的首選。本系統(tǒng)采用的核心板添加了四個(gè)電機(jī)對(duì)應(yīng)的串口引腳，并且在板子的角落處還設(shè)計(jì)了與WiFi模塊連接的串口引腳，不用再進(jìn)行相關(guān)外設(shè)的添加，這使得實(shí)際的設(shè)計(jì)和操作更為簡單。

2.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

當(dāng)今市面上主流的電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片主要是L298N和L293D兩種型號(hào)，但對(duì)兩者之一的選取需要通過兩種電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的性能對(duì)比和實(shí)際的設(shè)計(jì)要求來決定。通過L298N和L293D的性能對(duì)比可知，L298N是L293D電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片的高功率、大電流版本，L298N的性能更為優(yōu)越，故本系統(tǒng)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊選用L298N型號(hào)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)。通過控制輸入端口的電平高低就可以控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。因?yàn)樾≤嚨妆P沒有轉(zhuǎn)軸，所以為了實(shí)現(xiàn)小車的轉(zhuǎn)向通過模仿老式坦克的轉(zhuǎn)向方式，即利用小車四個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速差來實(shí)現(xiàn)小車的轉(zhuǎn)向功能。

2.3 視頻采集模塊

視頻監(jiān)控小車的視頻采集模塊即攝像頭，作為小車的核心之一，攝像頭的好與壞決定著實(shí)際的監(jiān)控畫面質(zhì)量及監(jiān)控的效果?？紤]到實(shí)際條件和設(shè)計(jì)需求，本系統(tǒng)采用的是USB數(shù)字?jǐn)z像頭，沒有選用比較普遍的CMOS數(shù)字圖像傳感器。因?yàn)橄鄬?duì)于后者，USB數(shù)字?jǐn)z像頭的外觀更為緊湊一體化，且驅(qū)動(dòng)開發(fā)更為簡單等優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際使用時(shí)只需在USB-HOST驅(qū)動(dòng)的基礎(chǔ)上加配攝像頭USB驅(qū)動(dòng)便可輕松達(dá)到實(shí)時(shí)采集視頻信息的要求，所以更利于初學(xué)者使用[2]。所以考慮到USB攝像頭更加方便實(shí)用，而且USB接口正好可以適合本系統(tǒng)所選取的無線路由器模塊，在實(shí)際使用時(shí)可以做到通電狀態(tài)下插上接口便可以使用。并且，依靠USB線路直接連接無線路由器獲得的電流電壓完全可以滿足USB攝像頭所需的電壓，從而就不用再連接電池組來獲取電源電壓，這就使得系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)可以不用考慮給攝像頭單獨(dú)供電，減少工作量和設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度。

2.4 無線路由器模塊

WiFi模塊是視頻監(jiān)控小車設(shè)計(jì)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。在本次設(shè)計(jì)中采用無線路由器來代替普通的WiFi模塊。因?yàn)橐粋€(gè)無線路由器可以在通電情況下制造出一個(gè)具有開放性的無線局域網(wǎng)，這樣用戶就可以通過PC上位機(jī)或是Android手機(jī)連接局域網(wǎng)的方式與視頻監(jiān)控小車建立聯(lián)系。之后，打開控制終端上的應(yīng)用程序，點(diǎn)擊連接后顯示實(shí)時(shí)的監(jiān)控畫面便是連接成功了。此時(shí)用戶就可以使用PC端或是Android手機(jī)上的應(yīng)用程序軟件向視頻監(jiān)控小車發(fā)送各種控制指令，以及接收小車采集的視頻信息數(shù)據(jù)并在應(yīng)用程序界面上實(shí)時(shí)地顯示。

因?yàn)閃iFi信號(hào)是連接視頻監(jiān)控小車和用戶控制終端的紐帶，所以選擇一個(gè)合適的無線路由器模塊對(duì)于整體的設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)而言十分關(guān)鍵。結(jié)合系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求以及視頻監(jiān)控小車自身攜帶的局限性考慮，本次設(shè)計(jì)采用了TP-LINK的TL-WR702N型號(hào)的150M迷你型無線路由器。這種無線路由器默認(rèn)為AP（無線接入點(diǎn)）模式，其最高傳輸速率可以達(dá)到150Mbps，適用于15-60m2面積的范圍內(nèi)。考慮其能夠滿足設(shè)計(jì)的需要，最重要的是這種無線路由器可以做到即插即用，并且自身的信號(hào)穩(wěn)定、體積較小，大小只有普通信用卡的一半，自重只有170g，方便小車攜帶。根據(jù)這些因素，最終決定選用此類無線路由器。

2.5 電源電路模塊

電源模塊是給整個(gè)系統(tǒng)提供穩(wěn)定有效電壓的能源模塊，相當(dāng)于整個(gè)系統(tǒng)的心臟，是確保系統(tǒng)中的每個(gè)模塊都可以正常運(yùn)行的前提保障。電源電壓的獲取方式有兩種，一種是直接獲取直流電源輸入的電壓，另一種是使用USB電源通過USB接口來獲取電壓。而在本系統(tǒng)中小車的電源模塊則是采用兩節(jié)18650鋰電池組成的電池組，可以直接提供7.5V的電源電壓。但是由于系統(tǒng)中的各個(gè)模塊所需的額定電壓不相同，所以需要把兩節(jié)18650鋰電池組提供的7.5V電壓先進(jìn)行一次降壓。STM32系列處理器的外圍硬件模塊所需額定電壓為5V，而當(dāng)提供的電源電壓高于額定電壓可能會(huì)損毀元器件，所以本系統(tǒng)采用LM2596降壓模塊來將電池組的7.5V降至5V。因?yàn)镾TM32的SWD接口和芯片的額定電壓為3.3V，現(xiàn)在已經(jīng)有經(jīng)過降壓處理的5V電壓，所以本系統(tǒng)還需要使用AMS1117穩(wěn)壓器。AMS1117穩(wěn)壓器可以將穩(wěn)壓電源流入系統(tǒng)的5V電壓降為3.3V。為了安全考慮，在輸出低壓側(cè)加上了一個(gè)LED紅燈作為電流倒流時(shí)的警示燈。

3 系統(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì)

3.1 操作系統(tǒng)的移植

相比較于其他嵌入式操作系統(tǒng)，嵌入式Linux操作系統(tǒng)是一種更受歡迎、使用者更多并且發(fā)展更完善的網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)。從其自身分析，因?yàn)長inux為開源系統(tǒng)并且無黑箱技術(shù)，所以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議所有人都能對(duì)Linux的源代碼進(jìn)行修改，開發(fā)出新代碼和新的功能來制造出獨(dú)特的操作系統(tǒng)。并且Linux操作系統(tǒng)在全球各地?fù)碛械谋姸郘inux愛好者，可以作為Linux開發(fā)者的強(qiáng)大技術(shù)支持力量，用戶之間可以互相幫助并且共同開發(fā)。綜上所述，嵌入式Linux操作系統(tǒng)作為一種開源且可裁減的軟件平臺(tái)系統(tǒng)，是嵌入式產(chǎn)品開發(fā)時(shí)的首選系統(tǒng)[3]。

3.2 應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中PC上位機(jī)上應(yīng)用程序的開發(fā)是采用了QtCreator 4.4.1開發(fā)工具軟件，使用的編程語言是C++。最終設(shè)計(jì)出來的應(yīng)用程序需要實(shí)現(xiàn)的功能包括發(fā)送指令控制視頻監(jiān)控小車的運(yùn)動(dòng)以及接收數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示監(jiān)控畫面[4]。

對(duì)于Android程序的開發(fā)則是使用Eclipse加JDK和ANT的組合，當(dāng)然還要有Android對(duì)應(yīng)的SDK和Android系統(tǒng)要使用Eclipse軟件時(shí)必要的插件。在使用時(shí)要先按照程序推薦的安裝流程操作，然后設(shè)計(jì)好環(huán)境變量。程序開發(fā)的簡要流程是：

（1）首先點(diǎn)擊Eclipse軟件界面左上方的File選項(xiàng)，再點(diǎn)擊后選擇彈出的一系列選項(xiàng)中的New選項(xiàng)。

（2）其次選擇彈出的Project選項(xiàng)。選擇后會(huì)彈出一個(gè)對(duì)話窗，點(diǎn)擊其中的AndroidProject。

（3）再次要在彈出的窗口輸入程序開發(fā)的相關(guān)參數(shù)。

（4）最后可以編譯程序自動(dòng)生成的代碼，注意此時(shí)代碼的不同和復(fù)雜程度就代表最終生成的Android應(yīng)用程序的不同和復(fù)雜程度。

3.3 驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

3.3.1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

對(duì)于L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)要先了解其驅(qū)動(dòng)芯片的引腳，和各個(gè)引腳的對(duì)應(yīng)作用。每個(gè)L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊可以控制兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，在此先對(duì)L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的主要引腳的作用進(jìn)行簡單說明。首先引腳如何控制左側(cè)電機(jī)A和右側(cè)電機(jī)B正反轉(zhuǎn)和停止的方式進(jìn)行說明，其控制引腳端口的高低電平和小車電機(jī)旋轉(zhuǎn)方式的關(guān)系如表1所示。

表1 引腳高低電平與小車電機(jī)旋轉(zhuǎn)方式對(duì)應(yīng)表

在本系統(tǒng)中使用了兩個(gè)L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，用來分別控制視頻監(jiān)控小車前端兩側(cè)電機(jī)和后端兩側(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)以及轉(zhuǎn)速。正如上述說明，每個(gè)驅(qū)動(dòng)模塊可以通過控制輸入引腳的高低電平來同時(shí)控制左右兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)原理圖如圖2所示。

圖2 L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)原理圖

系統(tǒng)通過PWM脈沖調(diào)速的方式來改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速差控制小車轉(zhuǎn)向。采用的PWM脈沖調(diào)速就是通過控制輸出的電平高低來控制調(diào)速。而輸出高低電平的頻率就是所謂的方波占空比。占空比是接通時(shí)間和周期時(shí)間之比，此外占空比通常通過百分比來表示。所以總結(jié)來說，PWM脈沖調(diào)速就是通過改變占空比的方式來改變平均電壓，從而使對(duì)應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速發(fā)生變化[5]。

通過下面的流程圖說明了當(dāng)小車接收到控制終端的控制指令時(shí)，L298N如何驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)從而控制小車的運(yùn)動(dòng)方式。當(dāng)前進(jìn)或后退時(shí)，兩個(gè)L298N控制四個(gè)電機(jī)同時(shí)同速正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。但當(dāng)左轉(zhuǎn)或右轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整。左轉(zhuǎn)時(shí)小車左側(cè)兩電機(jī)向后轉(zhuǎn)，右側(cè)的兩電機(jī)向前轉(zhuǎn)，但是為了讓小車能夠可以近似原地旋轉(zhuǎn)，右后方的電機(jī)轉(zhuǎn)速加大，從而使電機(jī)轉(zhuǎn)角變大。右轉(zhuǎn)時(shí)同理。整體流程圖如圖3所示。

圖3 電機(jī)控制流程圖

3.3.2 視頻采集程序設(shè)計(jì)

USB攝像頭的工作原理其實(shí)就是通過圖像傳感器將物鏡轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，然后再經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像信號(hào)，最后將數(shù)字圖像信號(hào)發(fā)送給攝像頭內(nèi)部DSP（數(shù)字信號(hào)處理）處理芯片進(jìn)行相關(guān)的數(shù)據(jù)處理[6]。為了讓小車能正常采集處理視頻信息，要先將攝像頭的相關(guān)驅(qū)動(dòng)加載到無線路由器中。當(dāng)小車通電各模塊正常啟動(dòng)后，此時(shí)STM32F103ZET6處理器通過無線路由器控制USB攝像頭開始視頻信息的采集，采集到的視頻數(shù)據(jù)在攝像頭內(nèi)部處理壓縮后通過USB傳輸?shù)綗o線路由器中，然后再經(jīng)過無線路由器將串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通過WiFi信號(hào)發(fā)送給控制終端。用戶控制終端上的應(yīng)用程序經(jīng)過對(duì)數(shù)據(jù)的解碼處理后，便會(huì)在用戶界面顯示實(shí)時(shí)的監(jiān)控畫面。

3.3.3 無線數(shù)據(jù)傳輸程序設(shè)計(jì)

視頻監(jiān)控小車和用戶控制終端之間就是通過無線數(shù)據(jù)傳輸來接收視頻信息和發(fā)送控制指令的。而無線數(shù)據(jù)傳輸是需要按照TCP/IP協(xié)議來進(jìn)行工作的，TCP/IP協(xié)議是一個(gè)開放性的通信協(xié)議，在概念上可以分為應(yīng)用層、傳輸層、IP層和數(shù)據(jù)鏈路層[7]。其中傳輸層的作用是用來服務(wù)上層運(yùn)行中的應(yīng)用層，可以給應(yīng)用層提供一端到另一端的通信支持。而傳輸層自身中有兩個(gè)最重要的協(xié)議TCP和UDP，即傳輸控制協(xié)議和用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議。提到TCP/IP協(xié)議就要說TCP/IP協(xié)議棧。在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中TCP/IP協(xié)議棧和控制終端應(yīng)用程序的接口被設(shè)計(jì)成一種Socket標(biāo)準(zhǔn)的API接口，這可以用來封裝協(xié)議棧內(nèi)部的大部分底層文件，方便后來的修改編制。

無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)木唧w流程是當(dāng)無線路由器經(jīng)過初始化過后，打開控制終端的WiFi開關(guān)進(jìn)行搜索，搜索到創(chuàng)建好的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器IP地址：192.168.1.1，其視頻端口：8080，控制端口：2001[8]。進(jìn)行設(shè)置連接，連接成功后就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，此時(shí)會(huì)在控制界面上顯示監(jiān)控畫面。關(guān)閉連接后會(huì)自動(dòng)退出程序，結(jié)束監(jiān)控控制畫面。

4 系統(tǒng)測試

先是對(duì)程序進(jìn)行燒錄，當(dāng)編寫好的程序燒錄成功后對(duì)小車主要硬件中的電機(jī)和無線路由器進(jìn)行測試，最后就是PC上位機(jī)和Android手機(jī)上的應(yīng)用程序的測試。通過對(duì)系統(tǒng)軟硬件和整體的測試，驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性和穩(wěn)定實(shí)用性。測試的最終結(jié)果表明，小車各部分都能正常工作，整體系統(tǒng)在通電情況下，用戶的控制終端可以通過正常的WiFi信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)視頻監(jiān)控小車的遠(yuǎn)程移動(dòng)控制以及實(shí)時(shí)地顯示視頻監(jiān)控畫面，基本上達(dá)到了最初的設(shè)計(jì)目標(biāo)。PC上位機(jī)端和Android手機(jī)端程序的測試圖如圖4和圖5所示。

圖4 PC上位機(jī)端視頻控制界面和小車實(shí)物圖

圖5 Android手機(jī)端視頻控制界面

5 結(jié)束語

雖然設(shè)計(jì)出的WiFi視頻監(jiān)控小車達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)要求，但是小車本身還是有一些缺陷。隨著自動(dòng)化和智能化的普及，工業(yè)生產(chǎn)對(duì)于智能小車的要求也越來越高。本文的視頻監(jiān)控小車只是智能化小車的一個(gè)分支，設(shè)計(jì)的小車硬件比較簡單并且只能實(shí)現(xiàn)一些簡單的功能，但為以后更加智能化地設(shè)計(jì)打下了一個(gè)基礎(chǔ)。