基于無線Wi—Fi控制的可視頻智能避障小車設計

焦振田 謝佳凱 郗艷華 張玉葉

【摘要】本文主要介紹了一種具有智能避障、視頻監控、無線Wi-Fi控制的智能小車的設計。該車以STC90C516RD+單片機為主控芯片，結合超聲波傳感器實現自動避障，并能通過無線Wi-Fi實現控制和實時視頻監控，能有效的實現對陌生和危險環境的探索。經反復測試調整，使該車可以實現110米有效距離的精準控制和實時視頻的穩定傳輸。

【關鍵詞】避障;智能;Wi-Fi

1.總體方案

總體設計方案：

該智能小車由MCU主控電路，Wi-Fi模塊，舵機、避障模塊，攝像模塊和電機驅動模塊組成。

Wi-Fi無線模塊負責用于將視頻信號傳輸給上位機，同時將上位機的控制信號傳給MCU控制芯片。MCU為小車控制的核心，MCU接收控制信號，并將控制信號轉換為小車控制信號，從而控制電機驅動模塊以及超聲避障模塊。電機驅動模塊可以實現小車的前進、后退、左轉、右轉四個動作。超聲避障模塊可以實現小車智能自動探路。整機系統圖如圖1所示。

圖1 整機系統圖

2.單元電路設計

2.1 MCU

MCU接收Wi-Fi模塊傳輸的控制信號，經過內部程序的判斷，來控制電機驅動模塊和避障模塊。由于操控舵機時需要一個時鐘，操控超聲波避障時需要一個時鐘，UAR串行通信時需要一個時鐘，故使用兩片51單片機完成任務。MCU選擇結構簡單，易于操控的宏晶公司生產的STC90C516RD+芯片，其特點是51內核，運算速度快，工作頻帶寬[1]。

2.2 電機驅動模塊

為了增強單片機對電機的驅動能力，利用電極驅動模塊實現對電機的驅動。該模塊是SGS 公司的產品，其內部包含4通道邏輯驅動電路，即內含二個H橋的高電壓大電流雙全橋式驅動器，接收標準TTL邏輯電平信號，可驅動46V、2A以下的電機[2]。一片L298N可以驅動兩個直流電機。電機驅動模塊負責接收單片機控制信號，從而控制電機的運行狀態。同時，在單片機與L298N之間增設隔離光耦，以保證單片機不會被浪涌電流燒毀。電機驅動模塊是單片機控制小車運行狀態的中間橋梁。其電路圖如圖2所示。

2.3 無線Wi-Fi模塊與攝像頭模塊

Wi-Fi模塊關系到智能小車與上位機的通訊。Wi-Fi全稱Wireless Fidelity，實質上是一種商業認證，具有Wi-Fi認證的產品符合IEEE 802.11a/b/g/n無線網絡規范，它是當前應用最為廣泛的WLAN 標準，一般工作在2.4Ghz 頻段[3]，是當今使用最廣的一種無線網絡傳輸技術，它可以把有線信號轉換成無線保真信號，供支持其技術的電腦，手機，PDA等接受。Wi-Fi模塊主要是將有線硬件方面接收到的TTL電平轉換為Wi-Fi無線信號。Wi-Fi模塊的發射端與接收端，需要有共同的通信協議。通過通信協議的轉換，接收設備將會把Wi-Fi無線信號重新翻譯成TTL電信號，從而達到遠距離的通信。

Wi-Fi模塊不僅用于實現控制端與小車的通信，同時還負責將采集的視頻信號傳回控制端。Wi-Fi通信板或無線路由器實現該功能。但如果考慮到無線Wi-Fi通信部設備的兼容與配合性能，還應繼續考慮各個外設模塊。

與Wi-Fi模塊的通信最直接相關的是單片機與攝像頭。由于Wi-Fi通信板僅支持串行通信協議，因此Wi-Fi模塊與單片機之間的通信很容易實現。而對于攝像頭與Wi-Fi模塊之間的通信則相對復雜。而且對于攝像頭的選用，為保證視頻傳輸的流暢性，必須選擇速度快，畫面質量好，易于驅動，故障率低，性價比高的攝像頭。用于試驗開發的Wi-Fi通信板與外部只能實現串行通信。而串口攝像頭的傳輸速度慢，驅動復雜，不能滿足選擇攝像頭的。若采用無線路由器與USB攝像頭的連接，則可以較完整的完成通信與攝像任務。并選用市場上常見的大亞DB 120 wg路由器與免驅動攝像頭。

2.4 舵機模塊

舵機是一種位置伺服的驅動器，適用于那些需要角度不斷變化并能夠保持的控制系統。能夠在微機電系統和航模中作為基本的輸出執行機構，其簡單的控制和輸出使得單片機系統很容易與之接口[4]。為了實現小車自動避障，需要對小車前方180°范圍內障礙進行檢測，所以選擇小型舵機，通過改變PWM波使舵機旋轉從而帶動超聲波模塊檢測周圍障礙物情況。舵機內部驅動電路如圖3所示。

圖3 舵機模塊內部電路

2.5 超聲避障模塊

在探測周圍障礙物時應盡量采用反射式非接觸檢測，其中超聲波測距模塊可提供2cm-400cm的非接觸式距離感測功能，測距精度可達高到3mm;通過超聲波模塊配合舵機來檢測小車周圍的障礙情況，其中模塊包括超聲波發射器、接收器與控制電路。基本工作原理：（1）采用IO口TRIG觸發測距，給至少10us的高電平信號;（2）模塊自動發8個40khz的方波，自動檢測是否有信號返回;（3）有信號返回，通過IO口ECHO輸出一個高電平，高電平持續的時間就是超聲波從發射到返回的時間。超聲波接收器接收到第一個反射波后，定時器停止計時。定時器所計的數據就是超聲波所經歷的時間，通過公式換算就可以得到傳感器與障礙物之間的距離[5]。測試距離=（高電平時間*聲速（340M/S））/2。超聲波系統原理圖如圖4所示。

2.6 USB轉串口通信模塊

USB轉串口模塊主要是用來實現無線路由器與單片機之間的通信。該模塊使用PL2303芯片構成下載器。PL2303 是Prolific 公司生產的一種高度集成的RS232-USB接口轉換器[6]，可提供一個RS232全雙工異步串行通信裝置與USB功能接口便利連接的解決方案。該器件內置USB功能控制器，USB收發器，振蕩器和帶有全部調制解調器控制信號的UART。該器件作為USB/RS232雙向轉換器，另一方面從RS232外設接收數據轉換為USB數據格式傳送回主機。

2.7 電源模塊

該系統需要12V、6V、5V三種工作電壓。12V電壓由蓄電池產生，供給無線路由器。6V電壓由12V電壓降壓斬波產生，降壓斬波電路使用TI公司生產的LM2596芯片。5V電壓由路由器的USB接口產生。其中降壓斬波電路如圖5所示。

圖5 降壓斬波電路

3.軟件設計

3.1 Wifi模塊軟件設置

路由器使用的是嵌入式系統，具體的系統配置，以及軟件安裝結構示意圖（下轉第139頁）（上接第137頁）如圖6所示。

圖6 路由器系統結構圖

將電腦的網口連接在路由器的LAN口，進入路由器設置界面。刷新固件，更新文件為db120-openwrt.org.cn-10.03.396.bin。

更新好路由器的系統后，在路由器的USB接口上插上買來的免驅USB攝像頭。使用電腦連接路由器，在電腦上使用SecureCRTPortable.exe軟件登陸路由器，登陸后輸入命令，來檢查攝像頭是否可以被路由器識別。

在OpenWrt官方網站上下載mjpg-streamer-r63網頁例程。使用WinSCP.exe軟件將網頁例程中的camwww文件夾復制到路由器的中，以便可以配置路由器的圖像服務器。

使用SecureCRTPortable.exe軟件，啟動路由器的圖像服務器，并設置圖像服務器為開機啟動，使之能在開機時驅動攝像頭。保存后并退出，在瀏覽器中輸入http：//192.168.1.1：8080。可瀏覽視頻。

路由器與單片機之間的通信使用PL2303（USB轉串行通信）芯片通信，為實現路由器與PL2303芯片之間的通信功能，要為路由器安裝PL2303的驅動。在OpenWrt的官網上下載kmod-usb-serial-pl2303_2.6.32.10-1_brcm63xx.ipk、libncurses_5.7-2_brcm63xx.ipk和minicom_2.3-1_brcm63xx.ipk，然后進入SecureCRTPortable.exe軟件，將軟件安裝于路由器中。安裝完成后，使用minicom命令進入minicom軟件。在命令窗口中輸入字符值，路由器就可以向外傳輸字符的ASCII碼值。

為了實現將命令嵌入到網頁中，需要為OpenWrt安裝lua以及liblua，這樣，就可以將網頁嵌入到路由器當中，并實現minicom軟件與網頁件的數據交換。

3.2 單片機程序

程序主要分為兩部分，一部分為Wi-Fi模塊信號的接受與小車控制信號的發送，一部分為控制信號的接收與小車的控制。整體系統圖如圖7所示。

圖7 軟件系統結構圖

系統設計為兩片單片機，第一片單片機用來進行串口通信，接受電腦發送來的Wi-Fi控制信號，并進行處理，發送給第二片單片機。第二片單片機用來接受第一片單片機的控制信號，選擇小車的工作模式，控制小車運動。對電機驅動和超聲波、舵機的操控。

3.3 操作界面設計

該系統的上位機可以是電腦或手機，因此通過網絡可實現對小車控制，并且觀看攝像頭返回的視頻。小車的操控界面采用網頁，主要基于HTML以及Javascript語言。并在網頁中嵌入按鈕，并且使用按鈕發送腳本控制信息，并通過路由器傳輸給單片機。視頻信號由攝像頭捕捉后通過路由器返回給網頁。網頁中使用靜態圖片刷新方式對視頻信號進行處理，將視頻顯示出來，這樣視頻既可以在電腦上觀看，又可以在手機上進行觀看。

4.結論

該小車的控制是通過手機和電腦實現，而不單是電腦控制，從而使用更加方便，利用Wi-Fi技術對小車進行遙控控制，包括小車前進、后退、轉彎等功能，而且可以實時監控小車所處環境圖像。基于Wi-Fi的控制系統不僅可以控制小車，稍做改動就可用來控制電腦、家用電器甚至探測、排爆機器人等，同時也可用于地質檢測設備的手持終端。如果加以并網，就可以實現實時監控。因此，該項目的成果將不僅僅局限于一個遙控小車，更具有價值的是遠程控制系統，具有很好的實用價值。

參考文獻

[1]姚永平.STC90C51RC+系列單片機器件手冊[Z].http：//www.stcmcu.com/：姚永平，2014.

[2]韓志榮，黃鄉生，李躍忠.AT89C51單片機在直流電機閉環調速系統中的應用[J].華東地質學院學報，2002，25（1）：70-74.

[3]李曉陽.WiFi技術及其應用與發展[J].信息技術，2012（2）：

196-198.

[4]遠飛.基于AT89S52單片機的舵機控制系統設計[J].電子元器件應用，2011（12）：26-28.

[5]張波，王朋亮.基于STC89C51單片機超聲波測距系統的設計[J].機床與液壓，2010（18）：56-58.

[6]Prolific Technology Inc.PL2303 DataSheet[EB/OL].2004.http：//www.prolific.com.tw/support/files//IO%20Cable/PL-2303X/Documents/Datasheet/ds_pl2303XA_v15F.pdf.

基金項目：陜西省大學生創新訓練計劃項目（編號：1826）;咸陽師范學院大學生創新訓練計劃項目（編號：XSYCX2013043）;咸陽師范學院專項科研基金項目（編號：12XSYK019）。

作者簡介：

焦振田（1991—），男，河北滄州人，大學本科，現就讀于咸陽師范學院電氣工程及其自動化專業。

謝佳凱（1992—），男，陜西富平人，大學本科，現就讀于咸陽師范學院電氣工程及其自動化專業。

郗艷華（1974—），女，陜西蒲城人，咸陽師范學院副教授，研究方向：電子技術和數字圖像處理。

張玉葉（1979—），陜西咸陽人，咸陽師范學院講師，研究方向：控制理論與控制技術。