一種ZigBee無線遙控小車的設計

楊述斌，邱倩文，張陔

武漢工程大學電氣信息學院，湖北 武漢 430205

一種ZigBee無線遙控小車的設計

楊述斌，邱倩文，張陔

武漢工程大學電氣信息學院，湖北 武漢 430205

為了解決傳統小車控制距離受限，信息采集不穩定，數據傳輸速率低，實時性不高等缺點，設計了一種基于ZigBee的遠程無線遙控小車.小車可采集環境參數，并將所測信息實時傳輸給用戶.設計分為三個部分：TFT－LCD輸入控制命令，通過ZigBee發送到小車；小車的單片機控制小車完成測距、溫濕度檢測、檢測移動人體、避障、運動、循跡，并將結果發送給ZigBee；兩個ZigBee通信并將結果發送到遙控器.實驗表明：小車控制信號和傳感器采集數據實現了雙向傳輸；采用多傳感器并發處理技術，獲取的數據精度高.小車反應快速易操作，提高了小車運行的穩定性.

ZigBee；STC12C5A60S2；無線遙控小車

0 引言

隨著智能機器人的快速發展，無線遙控小車逐步成為智能控制領域研究的新熱點.小車隨著無線通信技術的成熟在智能控制方向也取得了飛速的發展.無線遙控小車可實現在特殊環境中處理高危險工作，遠程數據采集，數據無線傳輸，減少了人力，物力，財力資源的投入.由于在各種環境下檢測的同時，必須對其在復雜環境下的運動進行穩定快速的控制，且要盡可能的獲取更多的信息，以往的小車設計功能太簡單，小車的穩定性、靈敏度、實時性都不高，且耗時長，因此需要設計一種無線遙控小車來滿足智能性、穩定性、安全性高的要求.

目前，無線控制小車的通信技術有Bluetooth、WiFi和ZigBee.利用手機Bluetooth［1］去控制小車，通過串口仿真協議進行通信，小車接收手機信號可控制小車前進、倒退、左右轉、停止等功能，但Bluetooth抗干擾能力較弱、傳輸距離很短、信息安全問題等缺點，且操作復雜、小車運動不穩定，方向不易控制.利用WiFi［2］可實現用戶監控端與小車的數據傳輸，建網快速，但需手動輸入IP和端口來連接WiFi，小車反應速度慢，且WiFi不保證通訊服務質量，功耗較大.

本研究采用的ZigBee技術同其他幾種無線通信方式相比，具有低功耗、低成本、網絡時延短、安全性高等優點［3－4］，有效的解決了傳統小車功能簡單、穩定性差、數據傳輸耗時長等缺點，使得小車可實現遠程管理、無線數據傳輸等功能，具有較高的應用價值.

1 系統的總體設計

本設計利用ZigBee技術實現小車端和遙控端之間的雙向通信，控制小車自動循跡，運行穩定，能在1.6m內檢測到移動人體，4m內測量障礙物距離并在30 cm內避障，檢測室內環境溫度誤差控制在±2℃，濕度±5%RH，整個過程控制在30 s內完成.系統總體結構如圖1所示，該系統包括兩個部分即小車端和遙控器端，各配有一個ZigBee模塊，小車端的ZigBee為接收模塊，遙控器端的Zig-Bee為發送模塊.采用STC12C5A60S2作為主控制器，其中小車端還包括各種傳感器模塊，循跡模塊，電機控制模塊.TFT－LCD顯示小車傳輸數據.

2 主要硬件電路設計

2.1 STC單片機最小系統電路

STC12C5A60S2單片機是宏晶科技生產的單時鐘／機器周期的單片機，內部集成2路PWM和8路高速10位A／D轉換［5］.STC單片機最小系統電路如圖2所示.

圖1 系統整體結構Fig.1 Overall structure of system

圖2 STC單片機最小系統電路圖Fig.2 Circuit diagram ofminimum system of STCmicrocontroller

單片機P1口控制小車電機驅動，P2.0－P2.3作輸入引腳接循跡模塊，P2.4分給紅外熱釋電模塊.P3口分配給ZigBee模塊和紅外避障模塊.P0、P1、P2和P3.3－P3.7作為復用引腳控制TFT－LCD.P4.7為紅外發射管輸出引腳.P5.0和P5.1控制超聲波傳感器，P5.2接收溫度傳感器的數據.

2.2 傳感器接口電路

小車的傳感器接口電路如圖3所示，包括了兩個紅外避障傳感器（圖3中的a，b），超聲波傳感器（c），人體紅外熱釋電傳感器（d），溫度傳感器（e）.

避障、測距、檢測移動人體、測溫濕度都作為單片機的中斷事件.其中紅外避障模塊采用555定時器構成多諧振蕩器，脈沖產生電路驅動紅外發射管的開啟與關閉，當檢測到有障礙物時，紅外線接收頭產生一個低電平，指示燈點亮.超聲波模塊采用HC－SR04，利用TRIG觸發測距，給至少10us的高電平信號，模塊自動發送8個40 kHz的方波檢測是否有信號返回，當有信號返回時，通過ECHO輸出一個高電平，根據高電平持續的時間計算出障礙物的距離.人體紅外熱釋電采用HCSR501，利用溫度變化特征探測紅外線輻射，當有人進入其感應范圍時輸出高電平，人離開感應范圍時則自動關閉高電平.小車采用DHT11溫濕度傳感器檢測溫濕度，具有體積小、功耗低、響應速度快等優點.

圖3 傳感器接口電路圖Fig.3 Circuit diagram of sensor interface

2.3 電機驅動模塊電路

STC12C5A60S2單片機控制L298N結合輸出的PWM信號控制小車運動.電機驅動模塊電路如圖4所示，其中OUT1－OUT4分別接小車左右兩路電機，IN1－IN4引腳從單片機接輸入控制電平控制小車左右電機正反轉，通過輸出的PWM對電機調速，從而對拐彎的調整控制.電機控制邏輯如表1所示.

2.4 循跡電路

循跡電路如圖5所示，包含4路紅外發射管和接收管.小車沿黑線前行，當檢測到黑線時，單片機讀“0”，檢測到白線時讀“1”.IR1－IR4控制小車運動，當IR1和IR2同為1時控制小車右轉，用IR3和IR4控制小車右轉角度；當IR3和IR4同時為1時控制小車左轉，用IR1和IR2控制小車左轉角度；當四路控制邏輯同為1時小車保持原運動軌跡；當IR2和IR3同為0，IR1和IR4位與得0時小車停止，IR1和IR4位與得1時小車繼續前進.

圖4 電機驅動模塊電路圖Fig.4 Circuit diagram of drivermodule of motor

表1 電機控制邏輯Table1 Control logic ofmotor

圖5 循跡電路圖Fig.5 Circuit diagram of tracking

2.5 ZigBee模塊電路

ZigBee是一種常用的無線傳輸技術，它具有近距離、低復雜度、低功耗和低成本等特點.本設計使用基于CC2530的ZigBee無線通信模塊進行遠距離數據傳輸［5］.該芯片是ZigBee技術應用方案的最新一代片上系統，它能以極低的成本構建強大的無線網絡，完全符合IEEE802.15.4標準，并結合了RF收發器的優良性能，具備多種運行模式，可適應于超低功耗的系統且設計出來的硬件模塊體積小，非常適應于小型的無線智能小車上.在該設計中小車端和遙控器分別配有一塊ZigBee模塊，可將傳感器采集的信息無線傳輸到遙控器端，遙控器端根據傳回的信息控制小車執行任務.將兩個ZigBee模塊分別設置串口中斷，單片機串口RXD、TXD和ZigBee模塊串口互連，測距、溫濕度檢測、避障、小車運動、循跡都對應一個中斷事件，當TFT屏中對應功能圖標被按下，單片機會向串口發出一條命令觸發ZigBee模塊的串口中斷，遙控端的ZigBee模塊收到的命令傳給小車端ZigBee模塊，并通過串口發給小車端的單片機，小車端單片機串口接收到命令后控制小車執行中斷事件.以相同的方式，小車端將采集的數據通過ZigBee發送到遙控器端并在觸摸屏上顯示.ZigBee模塊電路如圖6所示.

圖6 ZigBee無線模塊電路圖Fig.6 Circuit diagram of ZigBee wirelessmodule

3 系統軟件設計

小車基于μC／OS－II操作系統，采用多任務并發運行機制，使得系統具有良好的實時性.小車的溫濕度檢測、測距、檢測移動人體、避障、小車運動等均單獨成為一個任務，在與ZigBee通信時各任務間分別通過一個消息郵箱傳遞數據并將數據發送給遙控器端.利用消息隊列UARTxQ從ZigBee通信任務接收來自遙控器端發出的控制信號，經過消息郵箱MotoCtrlMbox發送到小車從而控制小車執行相應操作［7］.遙控器端在TFT－LCD上建立系統的控制界面，通過觸摸不同的功能按鈕，實現小車采集環境溫濕度、避障和測距和無線運動等功能.

4 實驗測試結果

本次設計的基于ZigBee無線遙控小車，實物設計如圖7所示，左邊為小車端，右邊為遙控端.圖8控制小車運動和小車自動循跡，通過PWM調速，當小車行駛在拐彎處時轉彎及時且車速平穩，小車可嚴格按黑線循跡.圖9超聲波傳感器測量障礙物距離顯示為23mm，小車測距范圍可從2~ 400 cm.圖10小車采用左右兩個避障模塊檢測小車移動前方的障礙物，準確率高，用HC－SR501模塊檢測移動人體，檢測最大范圍為1.6m.圖11室內實際溫度為23℃，濕度為53%RH，小車采集環境溫度以十六進制形式在3 s內自動繪制出曲線圖顯示在屏幕上，圖中溫度為16 H，濕度為38 H，轉換為十進制形式的溫度為22℃，濕度為56% RH，誤差小，所測數據結果直觀清楚.圖12中用此界面無線控制小車按照傳輸命令運動，小車方向易于控制.測試結果見表2，通過ZigBee無線通信，無需手動搜索和連接服務，操作簡單，傳輸數據不僅精度高且速度快，具有實時性.

圖7 實物設計圖Fig.7 Design diagram of real object

圖10 避障和人體檢測Fig.10 Obstacle avoidance and human detection

圖11 溫濕度采集Fig.11 T emperature and humidity collection

圖12 無線運動界面Fig.12 Interface ofwirelessmoving

表2 測試結果Table 2 Results of test

5 結語

本設計利用ZigBee技術成功實現了對小車的無線控制，具有智能性，但不脫離人的控制.小車可在1 s內測量在400 cm內物體的距離，在1.6m內可檢測到移動人體，30 cm內避障，檢測環境溫度范圍可從0～50℃，濕度范圍可從20%～90%RH，精度高且在3 s內通過曲線圖顯示，小車可嚴格的按黑線循跡且運動角度擴大.小車在整個運行中通信穩定，控制可靠，所測數據精度和傳輸速率高，小車基于嵌入式實時操作系統μC／OS－II，使用多任務機制，使其具有很好的實時性，達到了預想的功能.

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Design of vehiclew ith ZigBeew ireless remote control

YANG Shu－bin，QIU Qian－wen，ZHANG Gai
School of Electrical and Information Engineering，Wuhan Institute of Technology，Wuhan 430205，China

Aimed at the disadvantages of traditional vehicles，such as limited distances，unstable information collection，low efficiency of data transmission and low real-time，we designed a wireless remote control vehicle，which could collect environmental parameters and transmit the measured information to the users.The control command input on the liquid crystal display was sent to the vehicle by ZigBee，and the vehicle controlled bymicro-programmed control unit to accomplish ranging，measure the temperature and humidity，and detect themoving human body，the obstacle avoidance and the automatic tracking，then it sent the results to ZigBee.Two ZigBee communicate with each other to transfer the results to the remote control.The results show that the wireless remote control vehicle can achieve the bidirectional transmission between the control signals and data from sensors，and obtain the high precision data by using themulti-sensor parallel processing technology.The wireless remote control vehicle responses quickly，and the stability and real-time of its operation is improved.

ZigBee；STC12C5A60S2；w ireless remote vehicle

TP23

A

10.3969/j.issn.1674-2869.2015.12.012

1674－2869（2015）12－0053－07

本文編輯：龔曉寧

2015-11-02

智能機器人湖北省重點實驗室開放基金項目（HBIR201406）

楊述斌（1971-），男，湖北武漢人，教授，碩士.研究方向：信號與圖像處理，模型識別及多媒體通信.