作者簡(jiǎn)介：徐迎曦（1976—），女，河南息縣人，講師，碩士，研究方向：計(jì)算機(jī)控制、傳感器技術(shù)（E-mail：yingxixu@sina.com）；李傳鋒（1976—），男，河南鹿邑人，副教授，博士，研究方向：計(jì)算機(jī)控制、智能控制。

摘要：針對(duì)環(huán)境惡劣、空間狹小等人不宜進(jìn)去的地方，以及在化工、火災(zāi)、排雷等存在危險(xiǎn)的地區(qū)，開(kāi)發(fā)一種代替工作人員的無(wú)線圖像智能傳輸偵察系統(tǒng)。首先，利用偵察模塊采集到現(xiàn)場(chǎng)的圖像信息，通過(guò)無(wú)線形式將圖像傳送到手持控制終端進(jìn)行顯示。其次，手持終端搭載的控制器通過(guò)三維加速度傾角傳感器和無(wú)線模塊，進(jìn)行重力感應(yīng)遙控偵察設(shè)備的運(yùn)動(dòng)方向。再次，利用超聲波模塊進(jìn)行避障處理和光電開(kāi)關(guān)傳感器模塊進(jìn)行防掉入懸崖之中；最后，利用無(wú)線圖像傳輸模塊nRF24L01，設(shè)計(jì)了兩種無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸方案，成功解決了無(wú)線傳輸數(shù)據(jù)丟包的問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：無(wú)線圖像傳輸；偵察系統(tǒng)；超聲波避障；STM32；重力感應(yīng)控制

中圖分類(lèi)號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1引言

圖像傳輸已廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，與傳統(tǒng)的有線傳輸相比，圖像無(wú)線傳輸無(wú)需布線，在安裝、監(jiān)控節(jié)點(diǎn)增加和節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)等方面都具有優(yōu)勢(shì)。移動(dòng)偵察機(jī)器人作為一種新型靈活的偵察設(shè)備，在搜索救援、反恐防毒、易燃易爆等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[1-4]，尤其在一些防爆、核化、污染、惡劣環(huán)境及空間狹小等人不宜進(jìn)去的地方應(yīng)用更為突出。針對(duì)未知環(huán)境下偵察機(jī)器人的自主導(dǎo)航問(wèn)題，文獻(xiàn)[5]提出了一種基于視覺(jué)目標(biāo)跟蹤的偵察機(jī)器人導(dǎo)航方法，能夠使偵察機(jī)器人實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地跟蹤視覺(jué)引導(dǎo)目標(biāo)。文獻(xiàn)[6]設(shè)計(jì)具有火災(zāi)識(shí)別、視頻壓縮、通信報(bào)警等功能的消防偵察機(jī)器人的通信系統(tǒng)。文獻(xiàn)[7]為了實(shí)現(xiàn)偵察機(jī)器人對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的跟蹤，開(kāi)發(fā)了一種可以調(diào)節(jié)速度的位置伺服運(yùn)動(dòng)控制器，并安裝于二自由度云臺(tái)上。而一些現(xiàn)實(shí)的偵察系統(tǒng)需要依靠各種傳感器，檢測(cè)到有用圖像信息通過(guò)無(wú)線傳輸?shù)姆绞桨研盘?hào)傳送到監(jiān)測(cè)中心，同時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。因而，如何把圖像信息穩(wěn)定采集并傳輸?shù)斤@示設(shè)備，以及進(jìn)行合理的避障報(bào)警處理等功能的研究具有良好的現(xiàn)實(shí)意義。

本文著重于圖像無(wú)線傳輸功能的搭建和數(shù)據(jù)傳輸方案以及圖像識(shí)別技術(shù)的設(shè)計(jì)，并用偵察車(chē)搭載圖像采集、無(wú)線發(fā)送設(shè)備。系統(tǒng)核心采用STM32和STC系列微處理器，包括圖像采集模塊、無(wú)線傳輸模塊、重力感應(yīng)遠(yuǎn)程控制、超聲波避障模塊和TFT觸摸屏連接；搭載光電開(kāi)關(guān)，防止偵察車(chē)掉入懸崖之中；系統(tǒng)能對(duì)惡劣環(huán)境進(jìn)行偵察，配備照明系統(tǒng)通過(guò)nRF24L01無(wú)線模塊實(shí)時(shí)發(fā)送高清圖像信息，采用重力感應(yīng)無(wú)線遙控設(shè)備；系統(tǒng)采用3.2寸TFT超大屏幕顯示圖像信息，并配備SD卡存儲(chǔ)關(guān)鍵的圖片信息，使得偵察工作更有實(shí)際應(yīng)用意義；系統(tǒng)搭載高精度超聲波模塊，防止撞到障礙物損壞小車(chē)以及圖像采集設(shè)備，使得設(shè)計(jì)更加人性化，同時(shí)也保證了偵察系統(tǒng)的安全可靠性。

2系統(tǒng)主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)集圖像信息采集、無(wú)線傳輸顯示以及圖像識(shí)別于一體，且偵察設(shè)備采用無(wú)線控制。能采集所監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)的圖像信息，通過(guò)無(wú)線射頻模塊將圖像發(fā)送到接收端的同時(shí)，方便做出判斷，能控制搭載著視頻采集裝置的小車(chē)，尋找需要的目標(biāo)后使用無(wú)線的形式發(fā)回信息，并在彩屏上顯示采集到的圖像。手持終端采用重力感應(yīng)控制，在偵察車(chē)行駛時(shí)采用超聲波和光電開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)小車(chē)的測(cè)距避障和防止掉入懸崖，保證圖像采集、發(fā)送設(shè)備的安全。是一種基于嵌入式開(kāi)發(fā)板處理器的低成本圖像無(wú)線傳輸系統(tǒng)，系統(tǒng)的主體結(jié)構(gòu)及實(shí)物圖分別如圖1、圖2所示。

系統(tǒng)核心采用STM32和STC15系列微處理器，STM32系列處理器是由意法半導(dǎo)體ST公司生產(chǎn)、基于ARM公司Cortex-M3內(nèi)核的微控制器，專(zhuān)門(mén)為微控制系統(tǒng)、汽車(chē)控制系統(tǒng)、工業(yè)控制系統(tǒng)和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)等嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域而設(shè)計(jì)，具有高性能、低功耗、高集成度、豐富且性能出眾的片上外設(shè)、編程復(fù)雜度低等優(yōu)點(diǎn)。STC15系列單片機(jī)中包含中央處理器、程序存儲(chǔ)器（Flash）、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM）、EEPROM、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、I/O接口、UART接口和中斷系統(tǒng)、SPI接口、高速A/D轉(zhuǎn)換模塊、PWM（或捕捉/比較單元）以及硬件看門(mén)狗、電源監(jiān)控、片內(nèi)RC振蕩器等模塊等，幾乎包含了數(shù)據(jù)采集和控制中所需的所有單元模塊，完全稱(chēng)得上一個(gè)片上系統(tǒng)（SOC），很容易地構(gòu)成典型的測(cè)控系統(tǒng)。

偵察系統(tǒng)中的直流電機(jī)采用STC15F61S2單片機(jī)的PWM進(jìn)行控制；在偵察設(shè)備前后各裝一個(gè)超聲波模塊，通過(guò)查詢(xún)法測(cè)距進(jìn)行避障的處理；在設(shè)備的前后各裝一個(gè)光電開(kāi)關(guān)，用查詢(xún)法測(cè)距進(jìn)行防止掉入懸崖之中；采用光敏檢測(cè)傳感器模塊檢測(cè)光照的強(qiáng)度，當(dāng)光線較暗時(shí)自動(dòng)打開(kāi)照明設(shè)備；基于nRF24L01無(wú)線模塊，利用中斷法接收數(shù)據(jù)，保證通信的正常運(yùn)行；采用液晶模塊可以實(shí)時(shí)顯示超聲波距離以及光電開(kāi)關(guān)的狀態(tài)。

2.1動(dòng)力驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

電機(jī)和驅(qū)動(dòng)芯片的選擇，通過(guò)數(shù)據(jù)測(cè)定和分析比較，確定最佳的設(shè)計(jì)方案。直流電機(jī)容易控制，只需要正負(fù)兩根線就可以使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，若使電機(jī)反向轉(zhuǎn)動(dòng)，只需要反接正負(fù)極即可。直流電機(jī)可以節(jié)省單片機(jī)的輸出口，為后續(xù)工作提供更多的可操作空間，更便于電路的擴(kuò)展，同時(shí)也可以節(jié)約單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器和中斷資源。該驅(qū)動(dòng)電路既可以用來(lái)驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)，又可以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)以及繼電器線圈等感性負(fù)載；采用標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平信號(hào)控制；具有兩個(gè)使能控制端，在不受輸入信號(hào)影響的情況下允許或禁止器件工作有一個(gè)邏輯電源輸入端，使內(nèi)部邏輯電路部分在低電壓下工作；可以外接檢測(cè)電阻，將變化量反饋給控制電路。動(dòng)力驅(qū)動(dòng)原理如圖3所示。

該驅(qū)動(dòng)電路具有過(guò)電壓和過(guò)電流保護(hù)、可單獨(dú)控制兩臺(tái)直流電機(jī)、具有PWM脈寬平滑調(diào)速、可實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)信號(hào)指示、具有轉(zhuǎn)速可調(diào)及抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。直流電機(jī)采用STC15F61S2單片機(jī)的PWM進(jìn)行控制。

2.2.2超聲波測(cè)距功能實(shí)現(xiàn)

在偵察車(chē)避障功能實(shí)現(xiàn)時(shí)，需要檢測(cè)前方的路況，對(duì)比考慮了紅外對(duì)管與超聲波兩種器件。因?yàn)榧t外對(duì)管價(jià)格較便宜，但是測(cè)量距離太近，當(dāng)檢測(cè)到障礙物，速度過(guò)快就會(huì)撞上，從而損壞圖像采集車(chē)。采用HC-SR04超聲波模塊可提供2cm-400cm的非接觸式距離感測(cè)功能，測(cè)距精度可高達(dá)3mm，本系統(tǒng)采用超聲波模塊實(shí)現(xiàn)障礙物的檢測(cè)，讓運(yùn)動(dòng)中的偵察車(chē)能及時(shí)減速并躲開(kāi)障礙物，從而保護(hù)偵察車(chē)以及圖像采集設(shè)備的安全。模塊主要包括超聲波發(fā)射器、接收器與控制電路。工作時(shí)，保證測(cè)量周期為60ms以上，以防止發(fā)射信號(hào)對(duì)回響信號(hào)的影響。

2.3圖像采集模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用OV7670圖像傳感器，它具有體積小，工作電壓低，提供單片VGA攝像頭和影像處理器的所有功能。采用帶有AL422B高速緩存的OV7670模塊，該模塊內(nèi)部電路已經(jīng)連接好，外部預(yù)留OV7670傳感器的各引腳接口，方便與外電路的連接。OV7670輸出的圖像數(shù)據(jù)先暫存在AL422B中，然后由STM32處理器讀取，因此AL422B的數(shù)據(jù)輸入是OV7670的輸出，AL422B的數(shù)據(jù)輸出是STM32處理器的輸入，AL422B是整個(gè)系統(tǒng)傳輸?shù)年P(guān)鍵，它在圖像采集電路中的連接設(shè)計(jì)最為重要，VGA圖像傳輸速度最高達(dá)到30幀/秒。

由于OV7670輸出的圖像數(shù)據(jù)流頻率較高，為了使得STM32處理器和傳感器之間的速度匹配，在OV7670和STM32F103VET6處理器之間添加AL422B高速緩存，將輸入的高速圖像數(shù)據(jù)流暫存，供STM32處理器讀出，從而實(shí)現(xiàn)完整一幀圖像的采集，其總體結(jié)構(gòu)如圖5所示。

3手持無(wú)線智能終端設(shè)計(jì)

手持終端部分包括重力遙控和LCD液晶顯示，其中集成了SSD1298驅(qū)動(dòng)控制器的LCD作為顯示模塊，nRF24L01無(wú)線作為通信模塊，重力感應(yīng)作為控制模塊，重點(diǎn)對(duì)無(wú)線通信部分進(jìn)行設(shè)計(jì)，圖像數(shù)據(jù)為無(wú)線傳輸方式。重力感應(yīng)系統(tǒng)控制小車(chē)的前進(jìn)，按鍵控制重力感應(yīng)系統(tǒng)是否開(kāi)啟，這樣就能避免重力感應(yīng)的影響。手持終端部分結(jié)構(gòu)圖如圖7所示。

3.1三維加速度傳感器

系統(tǒng)應(yīng)用重力感應(yīng)技術(shù)，通過(guò)對(duì)重力的判斷，控制芯片自動(dòng)的識(shí)別，在方便使用的同時(shí)，還對(duì)其重力感應(yīng)進(jìn)行了優(yōu)化，在使用的時(shí)候才打開(kāi)，這樣，就減少重力對(duì)小車(chē)的影響。設(shè)計(jì)是向后傾斜時(shí)候，小車(chē)就向前移動(dòng)，當(dāng)向前傾斜的時(shí)候就向后移動(dòng)，當(dāng)向左傾斜的時(shí)候就向左拐彎，當(dāng)向右傾斜的時(shí)候就向右拐彎。

MMA845是一款具有12位分辨率的智能低功耗、三軸、電容式微機(jī)械加速度傳感器。這款加速度傳感器具有豐富嵌入式功能，帶有靈活的用戶(hù)可編程選項(xiàng)，可以配置多達(dá)兩個(gè)中斷引腳。嵌入式中斷功能可以節(jié)省整體功耗，解除主處理器不斷輪詢(xún)數(shù)據(jù)的負(fù)擔(dān)。

3.2TFT觸摸屏模塊

彩屏支持240RGBx320點(diǎn)分辨率，支持262，144色的系統(tǒng)單芯片包括720通道的原驅(qū)動(dòng)，320通道的門(mén)驅(qū)動(dòng)器，172800字節(jié)的圖形數(shù)據(jù)和電源電路的RAM驅(qū)動(dòng)。LCD由驅(qū)動(dòng)IC SSD1298控制，SSD1298內(nèi)有172800Byte的圖形顯示數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（GDDRAM），在LCD液晶屏上顯示數(shù)據(jù)時(shí)，通過(guò)LCM和處理器的接口把像素值寫(xiě)入SSD1298的GDDRAM中，其余工作由SSD1298完成與處理器無(wú)關(guān)。LCM和STM32處理器的連接如圖8所示。

4圖像信息無(wú)線傳輸設(shè)計(jì)

在選用無(wú)線模塊時(shí)有nRF24L01無(wú)線和315無(wú)線，考慮到作品需要傳輸大量的圖像信息，且傳輸圖像的時(shí)候容易丟包，而圖像在傳輸過(guò)程中有一個(gè)數(shù)據(jù)包的丟失都會(huì)導(dǎo)致整個(gè)圖像的傳輸失敗，因此采用的比較穩(wěn)定的傳輸模式，無(wú)線nRF24L01則成為了首選。

在NRF24L01無(wú)線模塊通信上，設(shè)計(jì)了兩種無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸方案，成功解決了無(wú)線傳輸數(shù)據(jù)丟包的問(wèn)題。通過(guò)對(duì)兩種方案進(jìn)行了論證，設(shè)計(jì)出適用于本圖像無(wú)線傳輸系統(tǒng)的通信程序，最終實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的無(wú)丟失發(fā)送與接收，并對(duì)無(wú)線傳輸模塊進(jìn)行了接收數(shù)據(jù)的正確性和靜態(tài)數(shù)據(jù)的傳輸速度測(cè)試。

基于NRF24L01模塊，采用了簡(jiǎn)單的圖像壓縮和解壓縮技術(shù)，設(shè)計(jì)并制作了圖像無(wú)線傳輸系統(tǒng)的原理系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了整體性能測(cè)試，得出了系統(tǒng)整體傳輸速率。

要驅(qū)動(dòng)LCD首先要對(duì)LCD進(jìn)行配置，包括FSMC的配置，引腳配置和相應(yīng)的寄存器的配置，這些配置都在初始化中完成，然后就可以對(duì)LCD進(jìn)行操作，程序流程圖如圖9所示。

在視頻顯示部分選擇了可以存儲(chǔ)的觸控彩屏，從而可以更好的收集周邊的信息。以便實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的記錄。靜態(tài)圖像顯示的結(jié)果如圖10所示。

6結(jié)束語(yǔ)

結(jié)合計(jì)算機(jī)控制、無(wú)線圖像傳輸和傳感器檢測(cè)技術(shù)，開(kāi)發(fā)了一種以嵌入式處理器為核心的低成本無(wú)線圖像傳輸智能偵察系統(tǒng)。系統(tǒng)集圖像采集、無(wú)線傳輸顯示以及圖像識(shí)別于一體，能采集所監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)的圖像信息，并通過(guò)無(wú)線射頻模塊將圖像信息發(fā)送到接收端的同時(shí)，方便監(jiān)控人員做出判斷。能夠利用手持終端進(jìn)行控制搭載著視頻采集裝置的偵察車(chē)，偵察到需要的目標(biāo)對(duì)象利用無(wú)線的方式發(fā)回信息，并在彩屏上顯示采集到的圖像。通過(guò)nRF24L01無(wú)線模塊通信，利用重力感應(yīng)來(lái)控制偵察車(chē)的運(yùn)行軌跡，通過(guò)車(chē)載攝像頭來(lái)拍攝偵察車(chē)周?chē)膱D像可以進(jìn)行研究。以后將采用基于RFID和WIFI雙重?zé)o線傳輸設(shè)計(jì)，以及圖像識(shí)別技術(shù)，將采集到的圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)識(shí)別，在觸摸屏上自動(dòng)標(biāo)示目標(biāo)物體，同時(shí)搭載機(jī)械手臂對(duì)目標(biāo)進(jìn)行故障處理，將會(huì)應(yīng)用于一些特殊的場(chǎng)所完成偵察排障任務(wù)。

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