田亞娟(廣東松山職業(yè)技術(shù)學(xué)院科研處，廣東 韶關(guān)　512126)

0　引　言

設(shè)計(jì)研發(fā)了一種基于Wifi無線視頻監(jiān)控的移動(dòng)機(jī)器人，機(jī)器人可以直接用筆記本電腦上的無線網(wǎng)卡連接的Wifi網(wǎng)絡(luò)對(duì)機(jī)器人進(jìn)行監(jiān)控。其具有實(shí)時(shí)性高、成本較低、易于擴(kuò)展、結(jié)構(gòu)緊湊輕巧、移動(dòng)靈活敏捷、通過能力強(qiáng)、適應(yīng)性能力強(qiáng)、有合適的通信距離和支持遠(yuǎn)程監(jiān)控的特點(diǎn)。具有可以通過城市內(nèi)一般障礙、在城市路面以及部分野外路面以較高的速度行走、轉(zhuǎn)向靈活、能在較為惡劣的環(huán)境中進(jìn)行工作、適于城市環(huán)境內(nèi)無線通信并能將采集到的數(shù)據(jù)回傳其監(jiān)控系統(tǒng)的功能。

1　系統(tǒng)的硬件組成

1.1　系統(tǒng)的硬件組成

機(jī)器人系統(tǒng)[1]的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。機(jī)器人系統(tǒng)由五大部分組成，分別為機(jī)械控制部分，環(huán)境信息采集部分，通信部分，功能輔助部分及上位機(jī)部分。

機(jī)械控制主要負(fù)責(zé)舵機(jī)的協(xié)調(diào)組合動(dòng)作，以實(shí)現(xiàn)攝像頭的向上、向下、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)四項(xiàng)基本動(dòng)作、控制土壤濕度計(jì)的插入、拔出，以及控制移動(dòng)機(jī)器人的前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)使其能在陌生的環(huán)境中靈活動(dòng)作。

圖1　系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

環(huán)境信息采集通過傳感器部分能夠檢測(cè)包括溫濕度信息、土壤的濕度信息、紫外線信息、煙霧信息、氣壓信息、經(jīng)緯度信息、海拔信息、振動(dòng)信息、金屬探測(cè)信息、人體熱釋電紅外信息等在內(nèi)的眾多環(huán)境信息參數(shù)，并可根據(jù)具體任務(wù)要求進(jìn)行擴(kuò)展。

通信部分通過Wifi無線數(shù)據(jù)傳輸模塊[2]將采集的信息參數(shù)實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的進(jìn)行傳輸。

功能輔助在本設(shè)計(jì)中主要包括GPS定位、攝像頭圖像數(shù)據(jù)傳輸可使其在復(fù)雜環(huán)境下迅速準(zhǔn)確確定當(dāng)前經(jīng)緯坐標(biāo)，判別運(yùn)動(dòng)方向，查看當(dāng)前所處周圍環(huán)境，以便準(zhǔn)確無誤確定地點(diǎn)完成探測(cè)任務(wù)。

上位機(jī)通過C#設(shè)計(jì)的顯示界面，實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前環(huán)境信息的各項(xiàng)參數(shù)及指標(biāo)，并將某些參數(shù)以圖線的形式形象直觀地顯示。

1.2　主控芯片和數(shù)據(jù)交換芯片的選擇

由于機(jī)器人系統(tǒng)要求能夠在復(fù)雜的環(huán)境下完成相應(yīng)任務(wù)，作為主控芯片，要求具備高速、低功耗、安全性能好等優(yōu)點(diǎn)。因此，主控芯片選擇了STC89C52單片機(jī)[3]。STC89C52是STC公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8 K字節(jié)系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器。STC89C52使用經(jīng)典的MCS-51內(nèi)核，但做了很多的改進(jìn)，使得芯片具有傳統(tǒng)51單片機(jī)不具備的功能。在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU 和在系統(tǒng)可編程Flash，使得STC89C52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。

為了滿足數(shù)據(jù)交換和數(shù)據(jù)處理的需要，選擇AVR的ATmega16單片機(jī)作為數(shù)據(jù)交換和處理芯片。ATmega16單片機(jī)內(nèi)部資源豐富，帶有集成的8路10位ADC轉(zhuǎn)換器、四通道PWM、兩個(gè)可編程的串行USART，可工作于主機(jī)/從機(jī)模式的SPI串行接口和豐富的中斷源等。具有非易失性程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，無需配置Flash存儲(chǔ)器、SRAM和E2PROM，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使外圍電路最小化。

2　系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)方法，通過各功能模塊的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)聯(lián)調(diào)，完成產(chǎn)品的總體軟件設(shè)計(jì)。本產(chǎn)品軟件設(shè)計(jì)包括上位機(jī)程序和下位機(jī)程序。

2.1　上位機(jī)PC控制端程序

上位機(jī)PC控制端程序采用Visual Studio 2012開發(fā)環(huán)境，使用C#語言編程。PC控制端通過TCP向Wifi模塊的相應(yīng)端口發(fā)送控制數(shù)據(jù)[4]，Wifi模塊會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)發(fā)到串口并發(fā)送到控制芯片上，主控芯片將采集到的信息通過Wifi模塊傳輸?shù)絇C控制端并顯示。攝像信息的處理過程是上位機(jī)程序首先根據(jù)攝像頭視頻流的地址從Wifi模塊讀取出第一幀圖像并進(jìn)行解碼，再將圖像幀推送到顯示控制上，然后使用線程循環(huán)的方式進(jìn)行讀取剩余幀，即實(shí)現(xiàn)攝像頭視頻流的讀取。

2.2　下位機(jī)控制程序

下位機(jī)控制程序的主程序設(shè)計(jì)流程圖如圖2所示。

圖2　主程序流程圖

系統(tǒng)的控制方式可分為自主控制模式和無線控制模式。自主控制模式是指機(jī)器人在行進(jìn)過程中自動(dòng)檢測(cè)傳感器信號(hào),獲取行進(jìn)過程中的實(shí)時(shí)路況，判斷周圍障礙物距離等進(jìn)行自主定位，利用電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊輸入信號(hào)的改變來調(diào)節(jié)電機(jī)的方向和轉(zhuǎn)速，從而準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)自動(dòng)行駛和道路避障。無線控制模式是通過移動(dòng)終端軟件設(shè)計(jì)界面，點(diǎn)擊界面控制按鈕可以人為地來控制小車的行進(jìn)、轉(zhuǎn)向。

2.3　Wifi網(wǎng)絡(luò)下的視頻傳輸

通過視頻圖像信息處理系統(tǒng)[5]實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人系統(tǒng)實(shí)時(shí)視頻采集的核心功能，其可以將實(shí)時(shí)采集的視頻信息經(jīng)過壓縮編碼后傳遞給后端控制臺(tái)，最大限度地幫助控制中心做出正確的策略判斷。本產(chǎn)品的視頻傳輸采用Microsoft開發(fā)的VFW軟件開發(fā)工具。通過調(diào)用VFW提供的應(yīng)用程序編程接口(API)，可以方便地實(shí)現(xiàn)預(yù)覽視頻、捕獲當(dāng)前視頻流到文件或緩存、捕獲單幀圖像顯示等操作。VFW中用捕獲類AVICap中提供的多個(gè)函數(shù)實(shí)現(xiàn)了視頻的捕獲操作，如capCaptureWindow()函數(shù)創(chuàng)建捕獲窗口、capDrivercormect()實(shí)現(xiàn)音頻視頻采集設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序與捕獲窗口之間的相互關(guān)聯(lián)等。

3　研發(fā)的機(jī)器人樣品及樣品測(cè)試

3.1　研發(fā)的機(jī)器人樣品

機(jī)器人樣品組成包括車載平臺(tái)、主控制板、各種傳感器、舵機(jī)和攝像頭、電源等部分。其樣品及傳感器分布圖見圖3和圖4。

圖3　樣品及傳感器分布圖1

圖4　樣品及傳感器分布圖2

3.2　樣品測(cè)試

樣品測(cè)試結(jié)果見圖5，圖中顯示的是產(chǎn)品測(cè)試時(shí)的上位機(jī)跟蹤環(huán)節(jié)。其環(huán)境檢測(cè)結(jié)果見表1。產(chǎn)品測(cè)試結(jié)果達(dá)到項(xiàng)目設(shè)計(jì)目標(biāo)要求，實(shí)現(xiàn)預(yù)期控制目標(biāo)。

圖5　樣品測(cè)試

表1　環(huán)境檢測(cè)結(jié)果

4　結(jié)束語

研發(fā)設(shè)計(jì)的樣品以STC89C52為主控芯片、ATmega16為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和處理芯片，設(shè)計(jì)并研發(fā)了基于Wifi無線視頻監(jiān)控的移動(dòng)機(jī)器人。通過樣品測(cè)試，各項(xiàng)測(cè)試結(jié)果符合產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求，實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)機(jī)器人遠(yuǎn)程監(jiān)控、實(shí)時(shí)控制、使用方便快捷、成本較低和易于擴(kuò)展等功能，產(chǎn)品可用于復(fù)雜環(huán)境的偵察和探測(cè)，各項(xiàng)環(huán)境檢測(cè)結(jié)果達(dá)到指標(biāo)要求。

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉晉峰.玩機(jī)器人學(xué)單片機(jī)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2013.

[2] 彭柳，方彥軍.基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)機(jī)器人通信研究[J].通信技術(shù)，2008，41(2):108-110.

[3] 田亞娟.單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)(C語言版)[M].大連：大連理工大學(xué)出版社，2014.

[4] 任智.無線自組織網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議及應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2015.

[5] 李健.視頻質(zhì)量的主客觀評(píng)估方法研究[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2009.