戴澤淼，章　飛，顏世波

(安徽國防科技職業(yè)學院信息工程系，安徽 六安 237011)

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基于WSN嵌入式智能視頻小車的研究與設計

戴澤淼，章飛，顏世波

(安徽國防科技職業(yè)學院信息工程系，安徽 六安 237011)

摘要：以直流電機驅動的小車為載體設計了一種嵌入式車型機器人，使用STC15系列IAP15F2K61S2微控制器作為智能小車的控制核心，采用WiFi無線通信模塊與上位機通信.通過紅外光電傳感器檢測跑道軌跡，電機驅動芯片L298N結合PWM信號控制直流電機前進的速度和方向，超聲波測距模塊則可以檢測障礙物的距離以準確避障.測試結果表明，小車具備了光電循線、超聲波測距、視頻監(jiān)控及無線通信等功能.

關鍵詞：STC15；智能視頻小車；WiFi無線通信；視頻監(jiān)控系統(tǒng)

近年來，隨著智能家居、智能交通和控制技術的發(fā)展，智能車輛的研究已成為一個熱門話題.智能小車是機器人方向的一項重要內容，是一個集感知事件、實時規(guī)劃、活動掌控等多種功用于一體的綜合體系.

在本文中，使用宏水晶公司iap15f2k61s2 STC15系列單片機作為智能車的主控制模塊，采用了增強8051 CPU iap15f2k61s2，內置高精度時鐘、61K Flash、2048字節(jié)SRAM、3 路定時器、2 路 UART、3 路 PWM 等，性能穩(wěn)定，用于接收并處理各傳感器傳回的信息，同時控制小車電機的轉速來實現前行后退、轉向等，利用WiFi無線通信模塊，實現小車與終端移動平臺之間的信息交互，達到控制智能小車前進、后退及狀態(tài)信息采集等功能.

1系統(tǒng)總體設計

圖1　系統(tǒng)總體設計框架圖

本文所設計的嵌入式智能小車不僅可以作為移動實驗室完成日常實訓教學及學生創(chuàng)新設計，而且可用作嵌入式比賽設備，采用雙12.6V直流電源供電，直流電機和其他模塊的電源分為2個通道[1].視頻小車包含的功能主要有：光電控制循跡、碼盤測速、電機驅動、紅外收發(fā)、超聲波測距、無線WIFI通訊、視頻監(jiān)測、二維碼掃描等.功能單元包括一個核心板、任務驅動板、光電編碼器、循跡板和PTZ攝像機.系統(tǒng)設計方案如圖1所示.

1.1微控制器模塊設計

該系統(tǒng)采用iap15f2k61s2單片機作為系統(tǒng)的主控制器，主要完成傳感器數據采集，電機控制，處理WiFi發(fā)送和接收數據.此外，小車和移動終端數據通信模塊選用核心板上配置型號為ETW001的 WiFi通信模塊，同時板載有 USB 轉串口USB 下載和檢測的輸入輸出按鈕及LED指示燈[2].iap15f2k61s2單片機和WiFi通信模塊電路的最小系統(tǒng)電路如圖2、圖3所示：

圖2　51系列單片機最小系統(tǒng)電路圖

圖3　WIFI通信模塊電路

1.2任務板模塊設計

任務板主要用于數據的采集和探測，集合多種傳感器，可以實現超聲波測距、光強度參數采集、紅外發(fā)射信號、感光光敏電阻電路以及 LED指示燈和蜂鳴聲光報警器，是整個小車設計的重點[3].

超聲波測距的原理是利用發(fā)射裝置產生超聲波，即根據空氣中超聲波的傳播速度，由定時器衡量發(fā)射聲波后碰到障礙物反彈回來的總用時，利用發(fā)射和接收的時間差計算障礙物的實際距離.首先，通過控制信號腳監(jiān)管信號的發(fā)射，經由555 定時器發(fā)出40kHz載波，并利用超聲波探頭將接收到的信號發(fā)送出去[4].當接收到超聲波信號后，單片機會產生一個中斷信號，單片機來計算測到的距離.

紅外線發(fā)射是一種短距離無線通信，在一定范圍內，它利用紅外線發(fā)射管發(fā)射出光線，從而達到控制信號的功能，主要用于數據傳輸技術、遠程控制等領域.本設計利用 555 定時器調節(jié)出38kHz 的紅外載波，其頻率調節(jié)可通過RW2實現[5].環(huán)境光照強度檢測使用的是IIC總線的BH1750光照傳感器.

1.3電機驅動模塊設計

驅動板由2路電源輸入到整個模型機器人平臺供電.四個帶測速碼盤的直流電機(Namiki22CL-3501)主要驅動單元為兩組 L298N.電機 L298信號隔離由三個光耦電路實現，防止電機轉動所產生的回流對整個電路產生影響[6].12V 電采用三路芯片穩(wěn)壓成5V穩(wěn)壓模塊，然后分別給核心板、驅動板及攝像機供電[7].由于本設計選用的核心 MCU 內含有 PWM 控制引腳，所以可以直接通過單路引腳來實現對電機速度的調節(jié)，很大程度上簡化了整個程序的設計，使小車的行走更加方便.

1.4循跡模塊設計

循跡板采用 8 路紅外對管，8 個 LM358 電壓比較器，配有 8 個 LED 指示燈.光電對管由光敏三極管和發(fā)光二極管組成，集聚光線可以導通或斷開光敏三極管.其工作原理是振蕩回路將生成的調制脈沖送入反射電路，最后經發(fā)光管衍射出光脈沖[8].在受光器作用范圍內，被測物體所反射出來的光脈沖就被送入光敏三極管中.在接收電路的作用下，光脈沖信號將轉換為電脈沖，然后經過放大器及同步選通放大、整形，采用RC 積分或數字積分光電開關方式來消除干擾信息，最后再由觸發(fā)驅動器將光電開關控制信號發(fā)出去.

利用555 定時器產生 700Hz方波信號來驅動三極管，再由W1～W8 來調節(jié)發(fā)射管功率.當三極管導通時，紅外發(fā)射管開始發(fā)射[9].紅外接收頭接收到信號后，先進行放大，通過控制三極管(增加驅動能力)同參考電壓做比較后輸出.注意，此處標準電壓應根據周圍實時環(huán)境光照強度調整為適量電壓，才能正確實現小車智能循跡.

1.5云臺攝像頭圖像采集模塊

本設計所采用云臺攝像頭如圖4所示，攝像頭的像素300萬，供電5V，水平旋轉約360°，垂直旋轉達180°.根據設計，開機一分鐘內攝像頭會有自檢階段，其他一切操作應在自檢后進行.在自我檢查過程中，攝像機可以水平和垂直旋轉一周，垂直方向為180度[10].云臺可實現圖像抓拍，識別顏色和二維碼，并將拍攝到的圖像通過無線WiFi發(fā)送至上位機.攝像頭的電源是從驅動底板的JP2輸入，由開關S3控制電源的通斷，攝像頭WiFi與小車WiFi相對應，通電后自動連接.

圖4　云臺攝像頭

2智能小車控制系統(tǒng)軟件設計

對小車的智能控制可分為自動控制和自主遙控，即小車在行進過程中自動檢測傳感器信號獲取路面實時狀況，判斷周圍障礙物距離等進行自主定位，利用電機驅動模塊輸入信號的改變來調節(jié)電機的方向和轉速，從而準確實現循線行駛和道路避障.另外，通過移動通信終端軟件設計界面，點擊界面控制按鈕也可以人為地來控制小車的行進、轉向.

2.1下位機驅動程序設計

圖5　下位機軟件程序流程圖

通過Keil C51進行單片機程序的編寫.Keil集編輯、編譯、仿真等于一體，易學易用，在調試程序、軟件仿真方面也有很強大的功能.通過STC ISP燒錄軟件完成單片機程序的下載[11].下位機程序采用脈寬調制信號來控制直流電機的速度和換向，主程序對系統(tǒng)進行初始化，配置寄存器和跟蹤模式，不斷地掃描與紅外探測器連接的單片機端口，將路徑信息進行判斷處理，單片機再將相應的信號發(fā)給電機驅動模塊來糾正小車的運行狀態(tài)，從而實現自動循跡的功能.

2.2上位機安卓程序設計

本系統(tǒng)采用Android軟件作為移動終端開發(fā)平臺.Android開發(fā)的三個工具分別是：開發(fā)工具包JDK、開發(fā)平臺Eclipse和開發(fā)工具包Android SDK.安卓系統(tǒng)的體系結構是四層結構，自上而下分別是應用程序層、應用程序框架層、系統(tǒng)運行庫層、Linux內核層.

上位機可通過WiFi無線通信模塊與小車進行連接，利用在安卓平臺開發(fā)的手機APK軟件向小車發(fā)送控制指令，控制小車的循跡、拍照、掃描二維碼、通信等行為，軟件中的方向鍵分別表示小車的運動方向.此外，還加入了循跡控制指令，當小車進入循跡控制時，小車變?yōu)樽詣涌刂疲敯聪峦Ｖ规I時，小車則退出循跡控制.圖6是小車通過無線網絡與上位機連接成功后顯示的初始化主界面，點擊界面上的按鍵，小車即可做出相應動作.

圖6　安卓界面初始化

3系統(tǒng)測試

表1　系統(tǒng)測試指標

小車采用模塊化電路設計，系統(tǒng)性能穩(wěn)定、響應快、設計簡潔.最后，在白底寬度為30cm、循跡線寬度為30mm的標準賽道上對智能小車的性能指標做了測試，測量小車在各測試點響應時間和循跡準確度.結果表明，該系統(tǒng)所設計的智能小車能夠實現自動循跡、光照強度檢測、目標距離測量、 二維碼掃描、圖像拍攝、顏色識別等功能，成功地實現了各項預期效果.

4結語

本系統(tǒng)以iap15f2k61s2作為主控芯片，設計并研制了一種可遙控或自動循跡的視頻小車.測試結果表明，用戶通過手機APP連接WiFi網絡人為控制小車各項行為動作，系統(tǒng)響應速度快，能準確實現循跡、測距和完成指定任務.另外，小車還能夠由終端軟件一鍵切換為自動模式，設計非常人性化.本系統(tǒng)所設計小車可應用于智能仿真實訓、智能運輸、超市或者家居環(huán)境等.

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(責任編校：晴川)

Embedded Intelligent Video Car Based on WSN

DAI Zemiao, ZHANG Fei, YAN Shibo

(Department of Information Engineering, Anhui Vocational College of Defense Technology,Liu’an Anhui 237011, China)

Abstract：The study designed a robot with embedded modules, which used the DC motor-driven car as the carrier. It used STC15 series IAP15F2K61S2 micro-controller as the core control of the smart car, and WiFi wireless communication module to communicate with the host computer. It detected the trajectory of the track by infrared sensors, used motor-driven chip L298N combined with PWM signal to control the forward speed and direction of the DC motor. The ultrasonic ranging module could detect the exact distance in order to avoid the obstacle. The test results of the smart car prototype showed that the car had functions of following the track photoelectrically, ultrasonic ranging, video surveillance and wireless communications.

Key Words：STC15; intelligent video car; WiFi wireless communication; video surveillance system

中圖分類號:TP368.1

文獻標識碼：A

文章編號：1008-4681(2016)02-0063-04

作者簡介：戴澤淼(1982— )，女，安徽六安人，安徽國防科技職業(yè)學院信息工程系講師，碩士.研究方向：移動互聯技術應用.

基金項目：安徽省2016年高校優(yōu)秀青年人才支持計劃重點項目(批準號：gxyqZD2016459)；安徽省2014年省級質量工程計算機應用技術(移動互聯網方向)專業(yè)綜合改革試點項目(批準號：2014zy121).

收稿日期：2016-01-07