基于Android系統(tǒng)的Arduino智能車設(shè)計

辛光紅

（三亞學(xué)院理工學(xué)院，海南 三亞 572022）

基于Android系統(tǒng)的Arduino智能車設(shè)計

辛光紅

（三亞學(xué)院理工學(xué)院，海南 三亞 572022）

Arduino是一款便捷靈活、方便上手的開源電子原型平臺，包含硬件（各種型號的arduino板）和軟件（Arduino IDE)，是歐美國家應(yīng)用非常廣泛的電子設(shè)計實訓(xùn)平臺。GOOGLE公司在2011年I/O年會上發(fā)布了基于Arduino開發(fā)板的Android平臺下的SDK，使得Arduino應(yīng)用更加廣泛，發(fā)展空間更加廣闊。本文基于Android平臺，設(shè)計了一款通過wifi通信控制的Arduino智能車，可以完成測距、運(yùn)動控制、無線圖像傳輸?shù)裙δ堋?/p>

Andriod；Arduino；WIFI；路由器；ECLIPS

1．引言

通過智能車的研究，鍛煉學(xué)生動手實踐能力已是國內(nèi)外非常普遍的手段，著名的飛思卡爾公司便是其中之一，并在中國內(nèi)地舉辦了多屆智能小車大賽。可以說智能小車無論是在國內(nèi)還是國外都是一個非常熱門的項目，歷屆的國際機(jī)器人大賽中都少不了智能小車平臺的項目。Arduino平臺中使用的AVR中ATMEGA168或是328的芯片，雖然還只是8位芯片，但是卻是采用了RISC指令，并且采用了各種先進(jìn)技術(shù)，使得芯片的技術(shù)大幅提升，其作為智能小車控制平臺有非常大的開發(fā)空間。Arduino作為軟硬件開源平臺，在智能車的研究中更具活力。隨著智能手機(jī)的普及應(yīng)用，GOOGLE公司在2011年I/O年會上發(fā)布了基于Arduino開發(fā)板的Android系統(tǒng)下的SDK，本文就是在此背景下通過wifi通信控制進(jìn)行Arduino驅(qū)動智能車的設(shè)計。

2．智能車硬件設(shè)計

智能小車作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要由以下幾部分組成：Arduino開發(fā)板、傳感器擴(kuò)展板、L298電機(jī)驅(qū)動模塊、電源、LED指示燈、超聲波模塊、路由器、攝像頭、降壓模塊。小車?yán)肁ndroid手機(jī)與加載到Arduino串口上的wifi路由器進(jìn)行通信，并通過手機(jī)軟件控制小車運(yùn)動，小車上的攝像頭采集視頻信號，再通過wifi路由器傳輸圖像到Andriod手機(jī)。[1]

2．1 Arduino控制器

Arduino UNO是Arduino USB接口系列的最新版本，作為Arduino平臺的參考標(biāo)準(zhǔn)模板。UNO的處理器核心是AT-mega328，同時具有14路數(shù)字輸入/輸出口（其中6路可作為PWM輸出），6路模擬輸入，一個16MHz晶體振蕩器，一個USB口，一個電源插座，一個ICSP header和一個復(fù)位按鈕。UNO已經(jīng)發(fā)布到第三版，與前兩版相比有以下新的特點：在AREF處增加了兩個管腳SDA和SCL，支持I2C接口；增加IOREF和一個預(yù)留管腳，將來擴(kuò)展板將能兼容5V和3.3V核心板。這樣改進(jìn)了復(fù)位電路設(shè)計，USB接口芯片由AT-mega16U2替代了ATmega8U2[2]。

2．2 wifi路由器選型與刷機(jī)

路由器可以選擇體積小巧的的GL-iNet路由器，150M無線速率，迷你外觀（尺寸：58x58x22單位：mm），方便安裝、攜帶。雙網(wǎng)口，有線無線連接都完美支持。支持連接USB攝像頭，實現(xiàn)高清(HD)無線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控，通過手機(jī)APP可以隨時隨地輕松訪問。加強(qiáng)安全策略，硬件身份認(rèn)證，對網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控及個人數(shù)據(jù)給予充分的安全保護(hù)。操作界面簡潔友好，不像其它路由器要進(jìn)行繁雜的設(shè)置，支持一鍵更新固件。內(nèi)置DNS，為每位用戶免費(fèi)提供獨(dú)立訪問域名，不需要再另外申請。64M內(nèi)存，8M Flash，支持OPENWRT系統(tǒng)刷機(jī)，自帶Uboot，Uart調(diào)試接口已焊好，另預(yù)留5個GPIO接口，充分滿足而二次開發(fā)的需要。接口：1WAN、1Lan、1USB2.0、1MicroUSB（電源接口），無線開關(guān)/復(fù)位按鍵。

為了實現(xiàn)視頻圖像通過wifi連接傳輸?shù)紸ndroid手機(jī)端，需要對路由器刷新系統(tǒng)，系統(tǒng)采用Openwrt。刷機(jī)步驟如下：

(1)先按住Reset鍵，然后加電，等到綠燈閃三次的時候，紅燈會亮，這個時候放開Reset鍵，會發(fā)現(xiàn)燈變?yōu)殚偌t色；

(2)用網(wǎng)線連接路由器的LAN口與自己的電腦，電腦IP設(shè)置為192.168.1.2/255.255.255.0/192.168.1.1；

(3)通過瀏覽器打開192.168.1.1，點擊Choose File，選擇你的刷機(jī)包中的factory.bin，然后點擊Upload，等待大約3分鐘左右，搜索無線網(wǎng)，會發(fā)現(xiàn)本機(jī)多了個無線網(wǎng)，點擊連接，一般第一次可能連接不成功，可以斷開連接，然后再次連接；

(4)連接好無線網(wǎng)之后通過瀏覽器打開192.168.1.1默認(rèn)用戶名密碼：root/admin，進(jìn)入系統(tǒng)目錄下的備份升級。點擊選擇文件，選中刷機(jī)包中的sysupgrade．bin文件，然后刷寫固件，等待大約三分鐘然后搜索看看能否搜到無線信號；

(5)連接路由器的無線網(wǎng)，打開192.168.1.1，修改密碼。默認(rèn)密碼是admin，我們進(jìn)入密碼修改界面，也要修改為admin，就是說一定要確保密碼是admin；

(6)下載xshell或CRT或winscp或putty等軟件，打開軟件選擇ssh協(xié)議，點擊連接，輸入密碼admin，進(jìn)入linux界面，執(zhí)行cd/etc，然后回車。

(7)執(zhí)行vi rc.local，出現(xiàn)如下界面：

使用電腦的下鍵，將光標(biāo)移動到motion這一行，然后按下兩次d，也就是刪除這一行，按一下ESC鍵，然后輸入：wq，然后回車，重啟路由器，刷機(jī)結(jié)束[1]。

2．3 PWM調(diào)制電機(jī)驅(qū)動

驅(qū)動電路采用L298N芯片設(shè)計，電路見整體方案電路（如圖5）。脈沖寬度調(diào)制（PWM）是一種對模擬信號電平進(jìn)行數(shù)字編碼的方法。通過高分辨率計數(shù)器的使用，方波的占空比被調(diào)制用來對一個具體模擬信號的電平進(jìn)行編碼。PWM信號仍然是數(shù)字的，因為在給定的任何時刻，滿幅值的直流供電要么完全有（ON），要么完全無（OFF）。電壓或電流源是以一種通（ON）或斷（OFF）的重復(fù)脈沖序列被加到模擬負(fù)載上去的。通的時候即是直流供電被加到負(fù)載上的時候，斷的時候即是供電被斷開的時候。只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用PWM進(jìn)行編碼。在Arduino的UNO開發(fā)板上正好有6組PWM輸出，所以我們可以非常方便地進(jìn)行使用。而在Arduino中使用PWM是用的analogWrite(pin，value)這個函數(shù)，pin是指的引腳，必須在支持PWM的引腳上使用這個函數(shù)，value則是控制電壓，即控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)范圍是0-255，其次還有一個函數(shù)digitalWrite(pin，state)pin一樣是指引腳，state則是指的電機(jī)狀態(tài)是正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)，當(dāng)state是1時正轉(zhuǎn)，是0時則反轉(zhuǎn)。

2．4 超聲測距與攝像頭選型

超聲波測距模塊能提供2cm-450cm非接觸式感測距離，測距的精度可高達(dá)3mm，能很好地滿足我們正常的要求。該模塊包括超聲波發(fā)送器、接收器和相應(yīng)的控制電路。

圖4 工作時序

工作原理：

(1)先拉低TRIG，然后至少給10us的高電平信號去觸發(fā)；(2)觸發(fā)后，模塊會自動發(fā)射8個40KHZ的方波，并自動檢測是否有信號返回。(3)如果有信號返回，通過ECHO輸出一個高電平，高電平持續(xù)的時間便是超聲波從發(fā)射到接收的時間。那么測試距離=高電平持續(xù)時間*340m/s*0.5。在Arduino下使用只要控制Trig和Echo兩端口接到兩個數(shù)字端口[3]，攝像頭只要符合openwrt MJPG格式即可。本方案選擇東芝HD攝像頭。

2．5 整體方案電路仿真

3．智能車軟件設(shè)計

小車終端控制器Ardunio開發(fā)板采用Ardunio IDE進(jìn)行程序設(shè)計，版本號為：V1.101。Ardunio IDE為綠色開源軟件，無需安裝，可在Ardunio官網(wǎng)下載使用。Ardunio IDE內(nèi)置庫程序極大地提高了軟件的開發(fā)效率。手機(jī)端上位機(jī)軟件采用Esclipse For Android開發(fā)。Eclipse是著名的跨平臺的自由集成開發(fā)環(huán)境（IDE）。最初主要用Java語言開發(fā)，通過安裝不同的插件，Eclipse可以支持不同的計算機(jī)語言，比如C++和Python等開發(fā)工具。Eclipse的本身只是一個框架平臺，但是眾多插件的支持使得Eclipse擁有其它功能相對固定的IDE軟件很難具有的靈活性。許多軟件開發(fā)商以Eclipse為框架開發(fā)自己的IDE。在Eclipse中解壓android sdk，并進(jìn)行相關(guān)配置后，即可在Eclipse下進(jìn)行Android的應(yīng)用程序開發(fā)。

小車超聲測距和避障的程序演示：

int inputPin=4；//define ultrasonic signal receiver pin ECHO to D4

int outputPin=5；//define ultrasonic signal transmitter pin TRIG to D5

void setup()

{

Serial．begin(9600)；

pinMode(inputPin，INPUT)；

pinMode(outputPin，OUTPUT)；

}

void loop()

{

digitalWrite(outputPin，LOW)；

delayMicroseconds(2)；

digitalWrite(outputPin，HIGH)；//Pulse for 10μs to trigger ultrasonic

detection

delayMicroseconds(10)；

digitalWrite(outputPin，LOW)；

int distance=pulseIn(inputPin，HIGH)；//Read receiver pulse time

distance=distance/58；//Transform pulse time to distance

Serial.println(distance)；//Output distance

delay(50)；

}

4．調(diào)試及總結(jié)

軟件的調(diào)試與運(yùn)行是非常重要的一個環(huán)節(jié)。經(jīng)過對小車的每個功能進(jìn)行調(diào)試，還有如下幾項需要改進(jìn)：超聲波避障中，返回新數(shù)值的刷新時間不宜太快，否則會導(dǎo)致定時器中斷不斷響應(yīng)，使串口無法正常接受指令。超聲波測距的距離和精度有限，選擇2cm作為小車檢測障礙距離，小車運(yùn)動控制較為理想。圖像采集傳輸模塊功耗較高，需做散熱處理。

[1]張傳真，android無線視頻監(jiān)控小車設(shè)計[J]．電子測量技術(shù)，2013，36(10)：19-22．

[2]程晨，Arduino開發(fā)實戰(zhàn)指南[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012．

[3]劉君華，傳感器技術(shù)及應(yīng)用實例[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2008．

[4]班茲，愛上Arduino[M]．北京：人民郵電出版社，2012．

Arduino Intelligent Vehicle Design Based onAndriod

Xin Guanghong
(Sanya University,Sanya 572022,Hainan)

tract】Arduino is a flexible open source electronic prototype,including hardware(Arduino plates of various types)and software(ArduinoIDE).It is an electronic design training platform widely used in Europe and US.In 2011 GOOGLE I/O annual meeting,SDK under Android platform based on Arduino development board is published,making Arduino is used more widely.Based on Android platform,this paper designes a Arduino intelligent vehicle communicated with wifi.It has functions of ranging,motion control,wireless image transmission and so on.

words】 Andriod；Arduino；WIFI；router；ECLIPS

辛光紅，男，甘肅金昌人，本科，助理實驗師，研究方向：單片機(jī)系統(tǒng)開發(fā)。