盧 娜,李海濤
(商丘職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系,河南 商丘 476100)
傳統(tǒng)的智能小車只有循跡、避障和超聲波測距等簡單功能且實(shí)際應(yīng)用效果并不理想,本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種高效的無線視頻監(jiān)控智能小車.小車采用STM32主控芯片,集成多種高性能傳感器,可以有效實(shí)現(xiàn)前后左右運(yùn)動(dòng)、紅外避障、視頻采集、無線通信等多種功能.日常生活中智能手機(jī)已經(jīng)必不可少,基于智能手機(jī)的電子控制終端產(chǎn)品已經(jīng)成為未來發(fā)展的趨勢.本項(xiàng)目中小車帶有WIFI模塊,可以利用Android手機(jī)客戶端來實(shí)現(xiàn)小車的無線控制.試驗(yàn)表明,客戶端采集到的視頻畫面較清晰,視頻流傳輸速度較快,可以滿足實(shí)時(shí)監(jiān)控的要求.
以手機(jī)為控制終端,無線WIFI作為傳輸介質(zhì),通過主控制器的直流電機(jī)控制汽車的各種行駛狀態(tài),同時(shí)帶動(dòng)攝像頭采集視頻信息.智能車上的攝像頭拍攝的視頻通過無線WIFI信號(hào)傳送給手機(jī),界面將實(shí)時(shí)顯示.手機(jī)發(fā)出的控制信號(hào)通過無線WIFI傳輸介質(zhì)發(fā)送給主控制器,從而達(dá)到通過手機(jī)控制汽車的目的.
本項(xiàng)目的總體設(shè)計(jì)分為硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)[1]39-41,硬件設(shè)計(jì)基于STM32作為主控開發(fā)芯片,包括視頻采集模塊、紅外避障模塊和無線通信模塊等.軟件設(shè)計(jì)主要是在手機(jī)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)小車的各種控制[2]126-129,是以Android系統(tǒng)的手機(jī)為主要控制終端,以Android Studio為開發(fā)環(huán)境,編寫程序、設(shè)計(jì)界面及按鈕,如圖1所示.
圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
智能車采用STM32系列單片機(jī)(型號(hào)為STM32F103ZET6)為核心,512KB SRAM存儲(chǔ)器,帶4個(gè)片選的靜態(tài)存儲(chǔ)器控制器,3個(gè)12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器,1μs轉(zhuǎn)換時(shí)間(多達(dá)21個(gè)輸入通道);2通道12位D/A轉(zhuǎn)換器;12通道DMA控制器;多達(dá)112個(gè)快速I/O端口;多達(dá)11個(gè)定時(shí)器;13個(gè)通信接口.STM32具有功耗低、性能高、體積小、處理速度快、價(jià)格經(jīng)濟(jì)、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn).
電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用微型集成電路電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L298N,芯片使用標(biāo)準(zhǔn)的邏輯電平控制信號(hào),具有2個(gè)使能控制信號(hào),可以檢測外部電阻的變化,并將這種變化量反饋到控制電路.這種芯片的最高工作電壓為46V,最大輸出電流高達(dá)3A,穩(wěn)定電流保持為2A,額定功率25 W,具有15引腳封裝結(jié)構(gòu)[3]103-106.小車車速的控制采用PWM(Pulse Width Modulation,脈沖寬度調(diào)制)技術(shù)[4]47-50,通過調(diào)整直流電機(jī)電樞兩端電壓,改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速,從而改變小車的車速.電路設(shè)計(jì)如圖2所示:
圖2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電路
在該系統(tǒng)中,紅外傳感器主要用于對車輛行駛過程中的障礙物進(jìn)行感知,并向主控制器發(fā)送相應(yīng)的信號(hào),實(shí)現(xiàn)車輛的避障功能.如果小車在行進(jìn)過程中遇到障礙物,紅外線把碰到障礙物的信號(hào)反射到傳感器探測頭,傳感器檢測到信號(hào),就說明發(fā)現(xiàn)前方有障礙物,把接收到的信號(hào)轉(zhuǎn)換成高低電平,然后發(fā)送給微控制器,微控制器就會(huì)對這個(gè)信號(hào)進(jìn)行處理,從而實(shí)現(xiàn)避障的功能[5]26-30.
無線傳輸模塊的功能是實(shí)現(xiàn)小車和各控制界面之間的通信.無線傳輸模塊可以把智能車收集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送到控制終端,同時(shí),短距離的無線通信具有相對比較穩(wěn)定,抗干擾能力強(qiáng)、不受地域方面限制的優(yōu)點(diǎn).
本模塊使用由慧凈電子定制的智能小車專用WIFI,本模塊供電口為5V電源,2根TTL線,1條GND線,USB接口是連接攝像頭的,通過上位機(jī)發(fā)送指令給單片機(jī)串口,經(jīng)由單片機(jī)串口控制IO口電平驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng).無線網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)在使用比較普遍,其傳輸速度非??欤琖iFi最主要的優(yōu)勢在于不需要布線,非常適合本項(xiàng)目的通信.
智能小車采用的電源模塊是AMS公司生產(chǎn)的AMS1117-3.3. AMS1117-3.3是一種輸出電壓為3.3V的正向低壓降穩(wěn)壓器[6]66-69,智能小車需要5V和3.3V電壓,5V電壓是路由器和紅外傳感器的電壓,它可以直接從驅(qū)動(dòng)模塊中引出;3.3V電壓是微控制器的電壓,需要通過AMS1117-3.3將5V電壓轉(zhuǎn)換為3.3V電壓[7]24-25.
主控制器STM32F103ZET6以ARM 32位CortexM3作為CPU,其開發(fā)環(huán)境為常用的ARM開發(fā)環(huán)境,本系統(tǒng)采用Keil μVision4 作為開發(fā)工具.ARM公司在2011年發(fā)布的集成開發(fā)環(huán)境RealView MDK集成了最新版本的Keil μVision4,其編譯器、調(diào)試工具實(shí)現(xiàn)與ARM器件的最完美匹配,用C語言完成編程.利用一個(gè)switch語句實(shí)現(xiàn)小車的停止、前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn),部分程序如下:
停止:
case 0
speed_right=0;
speed_left=0;
break;
前進(jìn):
case 1
speed_right=4;
speed_left=4;
break;
后退:
case2:
speed_right=-4;
speed_left=-4;
break;
右轉(zhuǎn):
case3:
speed_right=4;
speed_left=-2;
break;
左轉(zhuǎn):
case4:
speed_right=-2;
speed_left=4;
break;
本設(shè)計(jì)釆用Android Studio作為系統(tǒng)開發(fā)軟件.Android Studio提供了用于開發(fā)和調(diào)試的集成Android開發(fā)工具,功能比Eclipse更強(qiáng)大.雖然安卓手機(jī)或者平板具有很多種尺寸的屏幕與分辨率,但開發(fā)人員應(yīng)用集成Android開發(fā)工具都能夠比較輕松的調(diào)整每個(gè)分辨率設(shè)備上的應(yīng)用程序.開發(fā)人員能夠一邊寫和調(diào)試程序并能夠看到這個(gè)程序在不同屏幕里的外觀.小車的視頻控制界面如圖3所示,控制小車的前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)運(yùn)行狀態(tài)以及視頻的顯示.
圖3 小車視頻控制界面
手機(jī)設(shè)置界面如圖4所示:
圖4 手機(jī)設(shè)置界面
本項(xiàng)目設(shè)計(jì)了一個(gè)以STM32為核心的智能視頻小車,通過測試,基本實(shí)現(xiàn)了用手機(jī)通過WIFI控制小車前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)等轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng),并具有自動(dòng)避障的功能,可以實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控,整體效果達(dá)到預(yù)期,小車成本低,穩(wěn)定性好,在人們的生產(chǎn)、生活中具有非常好的應(yīng)用前景.