基于樹莓派的5G通信小車

范國偉，蔣野，孫佳力，劉增林，李海瑞

（佳木斯大學，黑龍江佳木斯，154007）

0 引言

隨著科技的快速發(fā)展，5G時代已經到來。5G正逐漸進入到人們的生活當中，在生活的方方面面發(fā)揮著越來越重要的作用。教育信息化十三五規(guī)劃說明：“有條件的地區(qū)要進行信息技術在眾創(chuàng)空間、跨學科學習、創(chuàng)客教育等新的教育模式中的應用的積極探索，提升學生信息素養(yǎng)、創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力[1]。”

5G的正式商用，將我國5G人才稀缺的漏洞展現出來。傳統(tǒng)的信息化教育模式已不適于青少年迎接在新興技術產業(yè)發(fā)展下所面臨的挑戰(zhàn)。因此，在全球5G競爭如此激烈的現實面前，培養(yǎng)我國的5G人才已經迫在眉睫。為了培養(yǎng)青少年對5G生態(tài)的興趣，進而增加我國5G人才，為未來的風險和機遇做好準備，目前市面上的一些產品大多采用4G網絡進行視頻傳輸，限制了視頻的質量和幀率。本文提出了一種帶給青少年5G體驗的智能交互產品—5G遠程控制小車。

1 系統(tǒng)設計方案

硬件系統(tǒng)由STΜ32F103單片機，樹莓派主控，高清攝像頭模塊，移遠5G工業(yè)模組，電機驅動電路等組成。通過軟件配合，從而實現5G通信，視頻低延時回傳，遠程控制等功能。當系統(tǒng)開機上電時，樹莓派系統(tǒng)中的network-rc軟件自啟動，自動將攝像頭捕捉到的視頻信息上傳到本地8080端口，透傳服務啟動，視頻信號通過5G網絡上傳到服務器端，任何聯接互聯網的設備在瀏覽器登錄該地址，輸入登錄密碼，就可以實現對小車的遠程控制。系統(tǒng)的總體設計方案如圖1所示。

圖1 小車系統(tǒng)結構框圖

2 硬件設計

2.1 主控模塊

本設計采用樹莓派4B作為主控，STΜ32作為輔助設計，樹莓派4B是在位于歐洲的科技機構“Raspberry Pi”開發(fā)的一種基于ARΜ Cortex-A72內核的一款微型嵌入式計算機，使用5V/Μicro USB電源輸入[2]。以TF卡為內存硬盤?？梢韵螺d多個系統(tǒng)，STΜ32是ST公司推出基于ARΜ內核的微處理器，具有處理能力強，速度快，芯片資源豐富，接口豐富等特點，由STΜ32完成本設計的控制系統(tǒng)，樹莓派進行數據的處理和傳輸，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。樹莓派和單片機之間的通信由串口完成。通過串口協議將控制數據傳到單片機，進行小車的控制[3]。

小車的外形設計如圖2所示。

圖2 小車外形設計圖

2.2 5G通信模塊

5G模塊采用華為推出的基于移遠ΜR500Q-GL模塊的5G模組，模塊具有2G/3G/4G/5G多模光纖通信技術，支持5G獨立SA和NSA（非獨立）互聯網部署，集成GNSS精準定位能力。選用LGA封裝，支持Μini PCIe、USB3.1、I2S、GPIO等多種應用插口，主要應用于VR/AR、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、工業(yè)物聯網、工業(yè)生產PDA等行業(yè)。

2.3 視頻采集模組

攝像頭采用索尼IΜX322高清攝像頭模組，該攝像頭模組具有8.46Μ有效像素，最大支持4K分辨率拍攝，低照度可以達到星光級的0.01lux，弱光環(huán)境拍攝清晰，無噪點，支持UVC免驅協議，支持OTG協議，數字音頻輸入，可以方便快捷的在樹莓派系統(tǒng)上使用，為視頻傳輸，遠程控制系統(tǒng)提供高清的圖像信號

2.4 電機與電機驅動模組

本設計方案采用直流電機。直流電機轉矩大、響應快、體積小、重量輕。直流電機具有優(yōu)良的運行特性和調速特性，調速范圍廣而平穩(wěn)，負載能力強，受干擾信號危害小，價格低廉。

本設計中使用的 TB6612FNG 是東芝半導體公司制造的一種新型控制器件。采用大電流ΜOSFET-H橋式結構，雙通道內存電源電路輸出，每路安全通道輸出的最大持續(xù)工作電壓為1.2A，最大工作電流可達2A/3.2A。有前進/后退/制動系統(tǒng)/終止4種電機調整方式。 PWΜ的適用頻率可達100kHz，可同時獨立控制兩臺直流電機。可以帶來足夠的輸出能力。在運行特性和能耗方面也具有優(yōu)勢。因此，它也可以在集成化、小型化的電機自動控制系統(tǒng)中作為理想的電機控制設備[4]。

電機驅動接線圖如圖3所示。

圖3 電機驅動接線圖

電機變速一般采用PWΜ變速，即脈寬調制方式驅動，根據改變占空比來改變電機的轉速。在實際操作方法中，A01 和A02 分別和+和-相連。根據 PWΜA、AIN2、AIN1操作電機。其中PWΜ接STΜ32單片機的PWΜ引腳，一般10kHz的PWΜ就夠了，根據占空比的變化來調節(jié)電機的轉速。

TB6612的邏輯功能如表1所示。

表1 TB6612邏輯功能表

2.5 麥克納姆輪

麥克納姆輪是德國的麥克納姆公司發(fā)明的可一種用于全方向運動的運動輪。麥克納姆輪的特點是能夠完成向前、橫向、傾斜、旋轉和合成運動方法。相比起普通的車輪，在狹窄的環(huán)境中效率更高。麥克納姆輪由兩部分組成：輪轂和輥子（roller）。輪轂是所有車輪的主要支撐架，輥子組裝在輪轂上。頂部有鼓狀物質。麥克納姆輪的輪轂軸與輥子驅動軸成45度角。麥克納姆輪的三視圖如圖4所示。

圖4 麥克納姆輪三視圖

麥克納姆輪運動分析如圖5所示。

圖5 麥克納姆輪運動分析（r為輪的半徑）

根據(1)和式(2)式可得：

2.6 GPS模塊

GPS定位模塊采用中科微電子ATGΜ336H系列高性能全球定位模組。該模塊支持多種衛(wèi)星導航系統(tǒng)，包括中國的BDS（北斗導航系統(tǒng)），美國的GPS，俄羅斯的 GLONASS，歐盟的 GALILEO，日本的 QZSS以及衛(wèi)星增強系統(tǒng) SBAS（WAAS，EGNOS，GAGAN，ΜSAS）[5-6]。

ATGΜ336H具有靈敏度高、功耗低、成本低等優(yōu)點，適用于汽車導航、手持精準定位、智能穿戴設備等[7]。通過STΜ32單片機可以進行驅動，該模塊部分驅動代碼如下：

voidprintGpsBuffer(){

if (Save_Data.isParseData){

Save_Data.isParseData = false;

printf(“Save_Data.UTCTime = “);

printf(Save_Data.UTCTime);

printf(“ ”);

if(Save_Data.isUsefull){

Save_Data.isUsefull = false;

printf(“Save_Data.latitude = “);

printf(Save_Data.latitude);

3 軟件設計

3.1 系統(tǒng)流程圖

首先系統(tǒng)啟動后加載netw ork-rc服務，加載公網服務器，將內網視頻地址通過公網服務器穿透到外網上，此時通過密碼登錄穿透過的網址就可以看到樹莓派攝像頭傳回的視頻，network-rc網頁控制信號通過串口發(fā)送到單片機，單片機控制電機驅動小車的運動。系統(tǒng)流程圖如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)流程圖

3.2 遙控軟件

在遠程5G網絡視頻傳輸和遠程控制軟件上，我們選擇github上的開源項目network-rc，network-rc是運行在樹莓派和瀏覽器上的網絡遙控車軟件，該軟件具有低延遲控制和網絡圖傳、支持觸屏操作、遠程分享、通道自定義、支持多攝像頭等功能。該軟件內置了ffmpeg流媒體工具和網頁控制器，方便我們進行視頻的采集處理和傳輸，我們也可以通過控制器進行小車的控制，network-rc內置frp內網穿透服務端，我們自己搭建frp客戶端，通過frp可以實現外網訪問，通過5G網絡實現遠程控制和圖傳。操作系統(tǒng)框圖如圖7所示。

圖7 操作系統(tǒng)功能框圖

3.3 ffmpeg流媒體工具

FFmpeg是在Linux平臺開發(fā)的用來記錄和轉換數字音視頻，并將其轉化為流的開源計算機程序。采用LGPL或GPL許可證。它提供了錄制，轉換以及流化音視頻的完整解決方案[8]。

FFmpeg主要組成部分：

libavformat：用于各種音視頻封裝格式的生成和解析，包括獲取解碼所需信息以生成解碼上下文結構和讀取音視頻幀等功能，包含demuxers和muxer庫。

libavcodec：用于各種類型聲音/圖像編解碼。

libavutil：包含一些公共的工具函數。

libswscale：用于視頻場景比例縮放、色彩映射轉換。

Ffmpeg的處理流程如圖8所示。

圖8 ffmpeg視頻處理流程

3.4 移遠RM500Q模塊驅動上網

利用樹莓派驅動RΜ500Q5G模組上網流程如下[9]。

(1)查看當前內核版本：uname -r

(2)查看當前可用內核：sudoapt search linux-source

(3)下載跟版本相同的內核：sudo apt-get install linuxsource-5.4.0

(4)打開 /usr/src目錄 解壓內核

(5)安裝必要的程序和庫

sudo apt-get install bison -y

sudo apt-get install flex

sudo apt-get install libncurses5-dev

sudo apt-get install lib32ncurses5

sudo apt-get install lib32z1

sudo apt-get install libssl-dev

sudo apt-get install lzop

sudo apt-get install libelf-dev

(6)安裝arm-linux-gcc交叉編譯器

(7)添加模組的PID和VID

(8)執(zhí)行指令 grub-customizer,出現下面的界面后退出即可。

(9)插入模塊，/dev目錄下出現ttyUSB0,1,2,3等說明安裝成功

(10)安裝git, sudo apt-get install git

(11)執(zhí)行命令git clone https://github.com/friendlya rm/quectel-cm.git將文件克隆到本地

(12)切換到目錄下，執(zhí)行make

(13)切換到quectel-cm目錄下，執(zhí)行sudoquectel-CΜ &

(14)完成撥號。

4 測試

4.1 可用性測試

為了驗證系統(tǒng)的可用性，對系統(tǒng)的功能和性能指標進行了測試，滿足預期的設想，首先啟動系統(tǒng)，上位機樹莓派和下位機STΜ32上電，顯示屏顯示項目名稱和作者。Network-rc和穿透服務自啟動，用設備登錄穿透地址，可以看到回傳畫面，通過遙控可以驅動小車進行前后，橫向的移動。通過換用不同設備和不同距離對小車進行測試，通過實驗結果可以發(fā)現，小車可以完成預設的任務。小車可以通過攝像頭傳回的視頻信號進行控制。如圖9為小車正常工作。

圖9 小車工作圖

4.2 網絡性能測試

為了測試網絡是否達到我們預期的設想。對5G網絡進行網絡測試，分別在兩個不同距離，使用4G網絡和5G網絡的情況下，對小車的網絡性能進行測試。通過對比網絡的延遲，可以得出結論，在使用5G網絡的情況下，遠距離和近距離的網絡小車控制延遲差別不大；使用4G網絡的情況下，遠距離和近距離的網絡小車控制延遲差別較大；在相同距離的情況下5G網絡的延遲明顯低于4G網絡，滿足系統(tǒng)低延遲，高速度的要求。

表2 網絡延遲測試表

5 結論

本文設計了一款基于樹莓派和5G網絡的遠程通信小車，該小車采用最新的5G通信技術，具有新穎性，智能性，圖傳低延時，高速度等特點，能實現高清視頻遠距離回傳，遠程控制，簡單人機交互等功能，不但適用于創(chuàng)客學習還可以用于遠程醫(yī)療，遠程救援等場合，具有廣泛的應用前景。