摘要：為了在高溫、有毒等特定環(huán)境下進(jìn)行視頻圖像數(shù)據(jù)、氣體參數(shù)等環(huán)境狀態(tài)的檢測，本文設(shè)計一種基于單片機的可實時視頻同傳的探測小車。Windows監(jiān)控端通過DB120無線路由器與單片機STC89C52控制中心通信，發(fā)送控制信號給電機驅(qū)動模塊L298N、LED模塊，實現(xiàn)小車轉(zhuǎn)向、進(jìn)退及燈光的控制;攝像頭模塊、溫度傳感器模塊進(jìn)行視頻數(shù)據(jù)、溫度數(shù)據(jù)的采集，并實時回傳給Windows監(jiān)控端。

引言

隨著自動化技術(shù)的發(fā)展，智能控制廣泛應(yīng)用在軍事、科研、民用領(lǐng)域。無線探測小車集成了電子、機械、通信、傳感器、計算機軟硬件、人工智能及自動控制等多方面的技術(shù)。此外，其成本低、體積小、操作簡單，能較好地應(yīng)用在勘探、環(huán)境監(jiān)測等應(yīng)用。本文旨在設(shè)計一種能在高溫、有毒等特定環(huán)境下，進(jìn)行遠(yuǎn)距離無線遙控以及攝像、測溫探測的單片機小車控制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

本項目設(shè)計的是集單片機控制模塊、攝像模塊、溫度傳感器模塊、照明模塊及路由模塊為一體，可實時視頻傳輸及環(huán)境探測的探測小車，其系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。探測小車以單片機芯片STC89C52為控制中心，電機驅(qū)動模塊L298N進(jìn)行小車直流電機的驅(qū)動控制，溫度傳感器進(jìn)行外部環(huán)境的檢測，攝像頭模塊進(jìn)行視頻圖像的采集，LED模塊進(jìn)行照明，并通過無線WiFi路由模塊實現(xiàn)Windows控制端與小車的無線通信。

2 硬件設(shè)計及選型

硬件部分主要采用市場上比較流行、穩(wěn)定性高且性價比高的模塊，此外，大部分模塊都組裝簡單、升級方便、可移植性強，便于項目的開發(fā)及后續(xù)升級維護(hù)。例如，攝像頭可通過USB接口直接連到路由器上，無需單片機轉(zhuǎn)發(fā)，簡化了視頻流的傳輸。

2.1 電機驅(qū)動模塊

電機驅(qū)動模塊選用L298N，可接收標(biāo)準(zhǔn)的TTL邏輯電平信號，可驅(qū)動46 V/2A以下的電機。其驅(qū)動模塊原理圖如圖2所示，L298N輸入電壓是12V，L298N的OUT1、OUT2和OUT3、OUT4之間分別接2個電機，本項目可直接使用單片機的I/O輸入口Port1～Port4，APWM、B PWM改變L298N的IN1、IN2、IN3、IN4引腳及ENA、ENB使能端，從而分別實現(xiàn)控制電機的正反轉(zhuǎn)及停止功能。

2.2 無線WiFi路由模塊

無線WiFi路由模塊采用的是DB120路由器，此路由器是OpenWRT系統(tǒng)，刷機升級十分簡單。本項目可以通過網(wǎng)絡(luò)下載，在同一網(wǎng)段內(nèi)通過瀏覽器登錄192.168.1.1，選擇“0829-openwrt-rc6-RG100A_DB120-squashfs-cfe.bin”版本的固件進(jìn)行燒錄。固化后，該路由模塊可作為轉(zhuǎn)發(fā)站，實現(xiàn)USB攝像頭的加載及與單片機的串行通信。

2. 3 攝像頭模塊

本項目選用中星微301主控芯片的USB攝像頭模塊，通過簡單的路由設(shè)置就能快速實現(xiàn)攝像頭的掛載。掛載成功后，可通過路由器的WiFi轉(zhuǎn)發(fā)攝像頭的動態(tài)視頻至Windows控制端。

2.4 溫度傳感器模塊

本項目選用DALLAS公司生產(chǎn)DS18B20的一線式溫度傳感器，進(jìn)行外部環(huán)境數(shù)據(jù)的監(jiān)測，其線路簡單，僅有GND、DQ、VDD三個引腳。其中，DQ為數(shù)字信號輸入/輸出端，GND為電源地，VDD為外接供電電源輸入端。

3 軟件設(shè)計

本項目中，用戶監(jiān)控端與探測小車通過WiFi路由進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，因此，開發(fā)人員在軟件設(shè)計與實現(xiàn)過程中需要對小車進(jìn)行控制編程、監(jiān)控視頻動態(tài)顯示、控制界面GUI設(shè)計及網(wǎng)絡(luò)編程(Socket編程)。

項目開發(fā)過程中，選用Keil C51開發(fā)環(huán)境，對探測小車進(jìn)行軟件編程，實現(xiàn)對外部環(huán)境的測溫及小車電機的控制;選用編程簡單靈活、可移植性強的QT開發(fā)環(huán)境，進(jìn)行Wind ows控制端的GUI設(shè)計、Socket編程及視頻動態(tài)顯示。此外，還選用了單片機多功能調(diào)試助手軟件、TCP&UDP—Debug軟件進(jìn)行單片機的通信測試。

3.1 小車電機控制編程

進(jìn)行電機驅(qū)動模塊L298N的電路連線，Port1～Port4分別為P2^0～P2^3，查閱L298N的數(shù)據(jù)手冊，對照其邏輯功能表在Keil C51下進(jìn)行電機前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)和停止的編程。編程樣例如下所示：

3.2 Socket編程

探測小車與路由器通信中，主要用到了QTcpSocket客戶端和QTcpServer服務(wù)器，其中本項目進(jìn)行監(jiān)控端Socket編程。按照通信的交互時序，先創(chuàng)建TcpSocket類，然后建立連接。其關(guān)鍵代碼如下：

3.3 監(jiān)控端GUI設(shè)計及視頻動態(tài)顯示

進(jìn)行監(jiān)控端界面設(shè)計時，需考慮到整個界面的布局及易操作性。本項目選用WebView控件進(jìn)行視頻的顯示;ButtonBox控件作為前后左右等按鈕開關(guān);Label控件顯示溫度值、時間和標(biāo)題;LineEdit控件作為IP和端口號輸入端。

由于WebView控件只能加載路由轉(zhuǎn)發(fā)的靜態(tài)圖像，因此，為了實現(xiàn)監(jiān)控端實時視頻動態(tài)顯示，除了進(jìn)行IP地址及端口號綁定設(shè)置外，還需要多加一個定時器來動態(tài)刷新。以下為關(guān)鍵代碼：

3.4 實驗結(jié)果

通過軟硬件設(shè)計、編程調(diào)試及后期功能測試，探測小車系統(tǒng)能較好地實現(xiàn)小車控制、外部環(huán)境監(jiān)測、視頻實時動態(tài)顯示、LED照明等功能，整個控制過程中，可操作性較強系統(tǒng)啟動后，用戶只需進(jìn)行IP及端口的綁定設(shè)置，然后單擊“連接”按鈕;連接成功后，該按鈕將變成“已連接”狀態(tài)且右邊的紅色標(biāo)識變成綠色，此時，通過監(jiān)控端上的按鈕，用戶可對小車進(jìn)行前后左右的控制、開關(guān)LED燈、獲取實時視頻圖像及外部環(huán)境溫度。Windows監(jiān)控端如圖3所示。

結(jié)語

基于WiFi的實時視頻同傳的探測小車是一個集單片機、路由器、攝像頭、QT等各種軟硬件于一體的智能化探測小車系統(tǒng)。本系統(tǒng)只是一個基礎(chǔ)平臺，包括小車行走控制、燈光控制、測溫、實時視頻傳輸、數(shù)據(jù)回傳功能，其軟硬件設(shè)計簡潔，開發(fā)成本低。在今后的研究中，針對不同的應(yīng)用及環(huán)境特性，項目研發(fā)人員可以在此基礎(chǔ)上增加相關(guān)模塊功能，如云臺舵機、機械手臂、氣體檢測傳感器模塊，可對外部環(huán)境實現(xiàn)全方位的視頻監(jiān)控、危險物品拾取、有毒氣體的預(yù)警等。