基于樹(shù)莓派的交互式WiFi控制小車(chē)

汪冰，曾大興，李魯寧，王愷軒

（東南大學(xué)成賢學(xué)院，江蘇南京，210000）

1 項(xiàng)目背景

隨著時(shí)代和科技的發(fā)展，智能產(chǎn)品逐漸深入我們的生活，其使設(shè)備自動(dòng)化，為我們打造了高效便利的生活方式。智能產(chǎn)品便是利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)將各種與日常生活相關(guān)的系統(tǒng)產(chǎn)品有機(jī)結(jié)合在一起，統(tǒng)籌管理，使我們的生活更加高效便捷，優(yōu)化我們的生活方式。而智能產(chǎn)品在國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家更為普遍，因?yàn)槠浣?jīng)濟(jì)能力和對(duì)計(jì)算機(jī)研究能力更強(qiáng)勁，研究智能控制也更為久遠(yuǎn)。國(guó)內(nèi)智能產(chǎn)品的使用雖然較晚，不過(guò)我們國(guó)家的發(fā)展勢(shì)頭不可小覷，各種智能產(chǎn)品的生產(chǎn)廠家也逐年增加，人工智能也逐漸成為學(xué)生選擇專(zhuān)業(yè)的熱門(mén)選項(xiàng)。

智能車(chē)是目前世界車(chē)輛工程領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)和汽車(chē)工業(yè)發(fā)展的新方向，且已經(jīng)在許多工業(yè)部門(mén)獲得廣泛應(yīng)用。因此智能小車(chē)也是無(wú)數(shù)大學(xué)生創(chuàng)新的熱門(mén)選項(xiàng)。本項(xiàng)目利用WiFi無(wú)線技術(shù)通過(guò)樹(shù)莓派控制小車(chē)以及舵機(jī)的移動(dòng)，攝像頭采集圖像信息后傳輸至客戶端，傳感器采集數(shù)據(jù)信息后傳輸?shù)皆破脚_(tái)的數(shù)據(jù)庫(kù)，編寫(xiě)網(wǎng)頁(yè)連接云平臺(tái)的數(shù)據(jù)庫(kù)獲取數(shù)據(jù)，因此我們可以在網(wǎng)頁(yè)觀看到小車(chē)進(jìn)行路面監(jiān)測(cè)的結(jié)果。

2 項(xiàng)目方案設(shè)計(jì)

舵機(jī)模塊，攝像模塊，傳感器模塊與主控模塊相連，主控模塊以樹(shù)莓派4B為核心，發(fā)布的指令通過(guò)樹(shù)莓派傳輸至舵機(jī)和小車(chē)，操控二者上下（前后）左右移動(dòng)。小車(chē)使用7.4V電池進(jìn)行供電。傳感器模塊分為三部分，分別為MQ-5液化氣傳感、MQ-9可燃?xì)鈧鞲衅饕约笆褂肈HT11溫濕度傳感器，用來(lái)收集環(huán)境中的液化氣可燃?xì)夂蜏貪穸鹊臄?shù)據(jù)。攝像頭安裝在舵機(jī)上，采集周?chē)鷪D像信息后傳輸至網(wǎng)頁(yè)端。數(shù)據(jù)通過(guò)WiFi模塊上傳到阿里云平臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)，再編寫(xiě)網(wǎng)頁(yè)連接云平臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)獲取數(shù)據(jù)，使得小車(chē)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控路面圖像且檢測(cè)數(shù)據(jù)，達(dá)到監(jiān)控探測(cè)道路的目的。

因此主要內(nèi)容有：

(1)編寫(xiě)小車(chē)和舵機(jī)模塊的控制程序，使得小車(chē)完成網(wǎng)頁(yè)控制端通過(guò)樹(shù)莓派傳輸過(guò)去的指令，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)。

(2)編寫(xiě)攝像頭獲取圖像流的程序，接收處理信息。

(3)編寫(xiě)傳感器探測(cè)溫濕度，可燃?xì)饧耙夯瘹獾某绦?，并將探測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆破脚_(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)顯示。

(4)編寫(xiě)網(wǎng)頁(yè)，顯示攝像頭的圖像信息和傳感器的數(shù)據(jù)信息，以及操控小車(chē)和舵機(jī)的按鍵。

(5)在組裝完成后進(jìn)行包裝，使產(chǎn)品更完整，同時(shí)具有觀賞性和實(shí)用性。

圖1 各系統(tǒng)模塊圖

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 主控模塊、WiFi模塊

小車(chē)采用鋁合金底盤(pán)，配備可調(diào)減震器，輪胎為麥克納姆輪，便于前后左右全方位移動(dòng)，電機(jī)為JGA25-370霍爾測(cè)速電機(jī)，利用一組7.4V的電池為電機(jī)供電。且其主控模塊以樹(shù)莓派4B為核心，性能更優(yōu)化，散熱性良好，通過(guò)樹(shù)莓派進(jìn)行處理傳輸?shù)闹噶钜约靶畔?。小?chē)?yán)檬謾C(jī)或者電腦的網(wǎng)頁(yè)作為控制端，小車(chē)和控制端所處的手機(jī)或電腦處于同一個(gè)WiFi下，以此實(shí)現(xiàn)同網(wǎng)段下不同IP主機(jī)的連接。WiFi模塊接收控制端發(fā)送的信號(hào)傳輸給樹(shù)莓派后分析轉(zhuǎn)化為控制指令，發(fā)送給小車(chē)和舵機(jī)，以實(shí)現(xiàn)小車(chē)的前進(jìn)，后退，左轉(zhuǎn)，右轉(zhuǎn)，停止以及舵機(jī)的上下左右移動(dòng)。

3.2 攝像模塊、舵機(jī)模塊

攝像頭采用USB2.0直插接口，可使用USB直接連接使用，簡(jiǎn)單方便。攝像頭30萬(wàn)像素，480P分辨率，可手動(dòng)調(diào)節(jié)焦距。舵機(jī)為二自由度攝像頭云臺(tái)，可旋轉(zhuǎn)至左右180°，上下180°。將攝像頭安裝在舵機(jī)上，隨舵機(jī)移動(dòng)實(shí)時(shí)收集圖像信息。

圖2 樹(shù)莓派接口圖

3.3 傳感器模塊

本模塊使用了三個(gè)傳感器，分別為MQ-5液化氣傳感、MQ-9可燃?xì)鈧鞲衅饕约癉HT11溫濕度傳感器。MQ系列氣體傳感器使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導(dǎo)率較低的二氧化錫。當(dāng)傳感器所處環(huán)境中存在可燃?xì)怏w時(shí)，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中可燃?xì)怏w濃度的增加而增大。MQ系列氣體傳感器對(duì)甲烷的靈敏度高，對(duì)丙烷，丁烷也有較高的靈敏度，可檢測(cè)多種氣體且成本較低。因此MQ系列氣體傳感器是檢測(cè)液化氣和可燃?xì)獾囊环N選擇。DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，可一體檢測(cè)周?chē)鷾囟群蜐穸?。溫度測(cè)量范圍為0℃～50℃，誤差不超過(guò)±2℃，濕度測(cè)量范圍為20%～90%，誤差不超過(guò)±5%。其成本低，可靠性高，穩(wěn)定性強(qiáng)，抗干擾能力強(qiáng)，信號(hào)傳輸距離長(zhǎng)。

圖3 電機(jī)圖

圖4 MQ系列傳感器圖

圖5 DHT11傳感器圖

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 小車(chē)和舵機(jī)轉(zhuǎn)向

樹(shù)莓派接入網(wǎng)絡(luò)，PC機(jī)遠(yuǎn)程登錄樹(shù)莓派進(jìn)行后續(xù)開(kāi)發(fā)操作。小車(chē)樹(shù)莓派主板與網(wǎng)頁(yè)的連接均基于局域網(wǎng)IP鏈接，以此控制主板的GPIO口來(lái)實(shí)現(xiàn)控制電機(jī)和舵機(jī)的目的。利用Python語(yǔ)言，使用了GPIO庫(kù)，向樹(shù)莓派引腳發(fā)送高低電平可控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)。利用角度對(duì)應(yīng)的占空比定義舵機(jī)位置。網(wǎng)頁(yè)上每一個(gè)按鈕都已自主賦予唯一標(biāo)識(shí)符，按下按鈕將對(duì)應(yīng)標(biāo)識(shí)符傳入主板，通過(guò)此標(biāo)識(shí)符運(yùn)行對(duì)應(yīng)的函數(shù)代碼，即可控制電機(jī)及舵機(jī)的活動(dòng)。

4.2 攝像頭圖像接收

攝像頭在局域網(wǎng)內(nèi)進(jìn)行視頻流實(shí)時(shí)傳輸。確認(rèn)攝像頭成功連接后，利用MJPG_Streamer,實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控。注意修改分辨率及幀率。Mjpg_streamer.c 主程序主要運(yùn)行如下幾個(gè)部分:

input_init() 輸入相關(guān)的初始化

output_init() 輸出相關(guān)的初始化

input_run() 運(yùn)行輸入函數(shù)，采集輸入數(shù)據(jù)

output_run() 輸出初函數(shù)，把數(shù)據(jù)收集起來(lái)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)socket發(fā)送出去

接著成功啟動(dòng)MJPG_Streamer即可，我們可以直接輸入網(wǎng)址http//樹(shù)莓派IP+8081即可觀看到攝像頭拍攝的圖像信息，完成實(shí)時(shí)視頻接收。

圖6 流程圖

4.3 傳感器數(shù)據(jù)采集

三個(gè)傳感器分別對(duì)應(yīng)插到樹(shù)莓派針腳，編寫(xiě)Python程序，根據(jù)針腳編號(hào)，樹(shù)莓派讀取傳感器數(shù)據(jù)，保存本地文件。

4.4 數(shù)據(jù)傳輸及網(wǎng)頁(yè)顯示

將所測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)在阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)創(chuàng)建產(chǎn)品功能來(lái)顯示，創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫(kù)和存放上傳數(shù)據(jù)的表后，編寫(xiě)SQL轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在云數(shù)據(jù)庫(kù)后調(diào)試即可。

當(dāng)數(shù)據(jù)傳到阿里云的數(shù)據(jù)庫(kù)之后，新建JavaScript文件，使用require引入mysql模塊，然后連接MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)，編寫(xiě)一個(gè)查詢語(yǔ)句SQL，以字符串形式賦值給變量sql，調(diào)用查詢方法返回即可。

5 調(diào)試和結(jié)果

5.1 網(wǎng)頁(yè)控制端控制舵機(jī)和小車(chē)

用戶通過(guò)網(wǎng)頁(yè)控制端控制舵機(jī)和小車(chē)移動(dòng)，按下小車(chē)對(duì)應(yīng)行進(jìn)按鍵后小車(chē)可進(jìn)行前進(jìn)，后退，左轉(zhuǎn)，右轉(zhuǎn)的操作。按下舵機(jī)對(duì)應(yīng)移動(dòng)按鍵后，舵機(jī)可以進(jìn)行上下左右每次15°的移動(dòng)，理論移動(dòng)范圍在上下180°，左右180°，但因?qū)嶋H角度和給定數(shù)值非線性關(guān)系，角度范圍較小。

5.2 觀看攝像頭采集的圖像

攝像頭固定在舵機(jī)上，隨舵機(jī)移動(dòng)變換拍攝角度。攝像頭可以實(shí)時(shí)拍攝周邊情況，并進(jìn)行圖像接收傳輸。直接打開(kāi)網(wǎng)址http//樹(shù)莓派IP+8081即可觀看到攝像頭拍攝的圖像信息。

圖7 網(wǎng)頁(yè)控制圖

5.3 查看傳感器所測(cè)數(shù)據(jù)

傳感器模塊中，液化氣、可燃?xì)?、溫濕度這三個(gè)傳感器可檢測(cè)小車(chē)附近環(huán)境中液化氣、可燃?xì)夂蜏貪穸鹊臄?shù)值。但是由于檢測(cè)環(huán)境液化氣和可燃?xì)鉂舛葮O低，數(shù)據(jù)基本為零，所以我們利用打火機(jī)，放置在傳感器附近，便可以檢測(cè)出液化氣和可燃?xì)獾臐舛?。?shù)莓派抓取傳感器的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，并且傳輸?shù)桨⒗镌破脚_(tái)的數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)編寫(xiě)的網(wǎng)頁(yè)連接數(shù)據(jù)庫(kù)，可以在網(wǎng)頁(yè)顯示檢測(cè)的數(shù)據(jù)信息。由此在網(wǎng)頁(yè)和云平臺(tái)都可以看到所測(cè)數(shù)據(jù)。

圖8 數(shù)據(jù)測(cè)試圖

6 總結(jié)

本文主要介紹了基于樹(shù)莓派的交互式WiFi控制小車(chē)。用戶在手機(jī)或者電腦上通過(guò)網(wǎng)頁(yè)按下指令鍵，用戶發(fā)送的信號(hào)被樹(shù)莓派接收并轉(zhuǎn)化為指令傳送給小車(chē)和舵機(jī)，從而進(jìn)行對(duì)應(yīng)的前后（上下）左右移動(dòng)。攝像頭隨舵機(jī)轉(zhuǎn)變角度，實(shí)時(shí)傳輸圖像信息，我們可輸入網(wǎng)址直接觀看到。同時(shí)，傳感器一直探測(cè)液化氣，可燃?xì)夂蜏貪穸鹊臄?shù)據(jù)信息，被樹(shù)莓派抓取并傳送至阿里云平臺(tái)的數(shù)據(jù)庫(kù)，網(wǎng)頁(yè)連接數(shù)據(jù)庫(kù)顯示探測(cè)的數(shù)據(jù)信息。用戶操控小車(chē)行進(jìn)方向，在網(wǎng)頁(yè)端觀看到實(shí)時(shí)圖像視頻，可根據(jù)實(shí)況改變角度觀察全方位道路情況，實(shí)現(xiàn)小車(chē)道路監(jiān)控。還可以觀察傳輸顯示的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)小車(chē)道路探測(cè)。