基于WIFI的四旋翼微型勘測飛行器手機控制端設計

桂玲+李路+周黃晴+張為民+黃明飛+王雙雙

【摘 要】本文所設計的控制平臺以Android手機為基礎，以WIFI為通信網絡，從如何搭建Android開發(fā)環(huán)境入手，通過對界面布局、視頻流獲取、信息交互、異常捕獲、權限控制等幾個方面的應用設計，實現對四旋翼微型勘測器飛行等的控制，并能實時準確地對高清攝像頭、環(huán)境檢測傳感器所采集的圖像和文本數據進行傳輸與顯示，調試結果表明設計結果完全符合設計要求。

【關鍵詞】無線WIFI；Android手機；應用程序設計

0 引言

我國是一個資源大國，野外資源豐富，對野外資源實地勘測任務艱巨。由于野外資源分布廣，加之地形復雜惡劣、森林覆蓋率大、未知區(qū)域居多等這些不利條件都給野外工作人員帶來了極大不便。

本系統通過嵌入式Android手機平臺遠程控制四旋翼微型勘測飛行器，該平臺利用高清攝像頭來采集作業(yè)面環(huán)境圖像，利用多種環(huán)境探測器和GPS定位，探測環(huán)境實情；并通過WIFI將視頻和勘測信息實時回傳給手機，以便直觀地掌握當前的勘測情況。

為實現上述功能，整個勘測平臺搭載于四旋翼飛行器上，為保證整個平臺的穩(wěn)定，每個重要功能由單獨的處理器處理，整個系統構架如圖1所示：

其中，飛控主要解算姿態(tài)傳感器數據以獲得當前飛行器的姿態(tài)信息并調整電機轉速，保持飛行器的平穩(wěn)和飛行方向控制；主控，主要保證飛行器和控制端的連接穩(wěn)定，解析和創(chuàng)建數據包，并傳遞控制指令給飛控。WIFI是建立手持控制端與主控間通信的媒介。手持控制端是控制整個勘測飛行器的工作，在整個系統的大腦，本文將具體對它的設計做闡述。

1 系統分析

現在的智能手機一般有WiFi、藍牙、移動網絡三種通信方式，相比而言WiFi是最合適做控制的短距離通信協議。通信平臺通過寫入OpenWRT系統的TP-LINKWR703N路由器和手機無線連接。OpenWRT是嵌入式設備上運行的linux系統，附帶3000左右的軟件包，開發(fā)者無需在每一次修改后重新編譯，且用戶可以方便的自定義功能來制作固件。也可以方便的移植各類功能到openwrt下[1]。而Android操作系統是基于Linux系統研發(fā)的一款開源的手機操作系統，由操作系統、中間件、用戶界面和應用軟件組成。由于Android提供了豐富的封裝庫，編程時無需在意系統底層設計和兼容性，現已然在現今智能手機操作系統市場占有率為首位。

路由器里的OpenWRT系統帶有Mjpeg stream插件，可以把從USB攝像頭采集的圖像轉換成流媒體輸出，可以通過文件或者HTTP形式得到視頻。路由器帶有調試用串口引腳，通過配置系統文件可以讓路由器將網絡端口（TCP/IP協議）的數據經串口輸出，同樣也可以把串口的數據傳送的到網絡端口上。從而下位機（主控）通過串口便可以和上位機（手持控制端，如手機）的網絡端口實現信息的透傳。由此，手機端需要打開兩個連接端口，一個從Mjpeg-stream中獲得圖像信息，另一個和下位機通信。系統設計流程如圖2所示：

2 系統實現

2.1 搭建Android開發(fā)環(huán)境

2.1.1 安裝JDK

根據電腦的操作系統從Oracle公司官網下載對應的JDK；下載完成后根據安裝向導提示完成JDK的安裝。

2.1.2 環(huán)境配置

JDK安裝完成后，打開Windows系統的命令窗口，在其中輸入“java-version”，若在下面顯示了Java的版本號說明已經安裝成功；否則要手動配置系統環(huán)境。配置過程如下：按如下步驟打開系統環(huán)境變量設置窗口，計算機->屬性->更改設置->高級->環(huán)境變量，然后在系統變量處新建，變量名為“JAVA_HOME”，變量值中填剛才JDK安裝的路徑，如“C：＼Program Files＼Java＼jdk1.8.0_25”；點擊確定后，再新建一個變量名為classpath，變量值為“.；%JAVA_HOME%/lib/rt.jar；%JAVA_HOME%/lib/tools.jar”；點擊確定后，找到變量Path，在變量值后加”；%HAVA_HOME%/bin“；最后通過命令窗口驗證JDK是否成功安裝。

2.1.3 開發(fā)工具

從Android下載適合電腦系統的集成ADT的Eclipse開發(fā)工具，解壓后便可直接打開Eclipse開發(fā)平臺。

2.2 新建Android應用程序

在Eclipse項目管理窗口點擊右鍵，依次New->Android Application Project->Next，根據新建工程向導設置應用名、工程名、包名和應用程序圖標等，所有需要設置的設置完成之后點擊Finish完成，至此應用程序的新建已經完成。

2.3 界面布局

顯示和控制是人機交互的重要環(huán)節(jié)。上位機UI操作界面包括攝像頭舵機俯仰左右轉動、飛行器前后左右飛行、傳感器數據顯示和圖像畫面顯示。前三項分別用Button（按鍵）、TextView（文本）、ImageView（圖片）控件即可實現；視頻圖像即通過繼承SurfaceView類在屏幕上顯示實時圖像。

整個布局以RelativeLayout（相對布局）為父本，在其中分別放置子控件Button（按鍵控件）、ImageView（圖片控件）和TextView（文本控件），設置控件大小、添加控件ID和其在父控件的位置。新建MySurfaceView.class繼承SurfaceView類，添加自定義的控件到布局文件里，設置高度和寬度為“fill_parent”（填充父本）并添加ID。

添加控制按鍵：

android：id="@+id/button_front"

android：layout_width="wrap_content"

android：layout_height="wrap_content"

android：layout_alignParentLeft="true"

android：layout_alignParentTop="true"

android：layout_marginLeft="20dp"

android：layout_marginTop="70dp" />

第1行添加控件ID，ID號為32位的常量，通常由編譯工具自動生成存于R.java里；第2行、3行分別設置控件寬高，余下4行設置控件在父本中的位置。

添加自定義的控件：

android：id="@+id/mySurfaceViewVideo"

android：layout_width="fill_parent"

android：layout_height="fill_parent" />

至此，界面布局已經基本完成，在Activity中加載布局文件即完成了整個布局的設置[2-3]。

2.4 視頻流獲取

在對路由器進行開發(fā)時，本文在OpenWRT系統中裝了mjpg-streamer應用，這樣便能方便地把攝像頭所采集的數據轉換為視頻流[2]。mjpg-streamer可以通過文件或者是HTTP方式訪問linux UVC兼容攝像頭。為此，要在MySurfaceView.class里新建線程用于接收圖像數據，在接收之前需要建立一塊緩存區(qū)，用于存放接收到的數據。以URL發(fā)起請求，然后等待服務器（路由器）返回應答。新建單獨的線程完成視頻流的獲取與圖像顯示[4]。

主要代碼如下：

url = new URL（urlstr）；

urlConn = （HttpURLConnection） url.openConnection（）；

read = urlConn.getInputStream（）.read（buffer， 0， readSize）；

以上代碼必須捕獲異常。

服務器應答后，接下來就要解析出圖片數據并顯示到屏幕上。由于服務器應答是HTTP超文本傳輸協議，我們需要解析出圖像數據。JPEG圖像每個標記都是由兩個字節(jié)組成，其中，前一個字節(jié)固定值0xFF，0xFF 0xD8標記圖像開始，0xFF 0xD9標記圖像結束。截取中間段即為圖像信息，然后通過轉碼轉成Bitmap圖像，轉換圖像大小，繪制圖像，主要代碼如下：

Canvascanvas = surfaceHolder.lockCanvas（） ； //獲得canvas對象

Bitmap bmp = BitmapFactory.decodeStream（new ByteArrayInputStream（jpg_buf））；

mBitmap = Bitmap.createScaledBitmap（bmp， width， height， false）；

canvas.drawBitmap（mBitmap，（mScreenWidth-width）/2，（mScreenHeight-height）/2， null）；

surfaceHolder.unlockCanvasAndPost（canvas）； //釋放canvas鎖，并且顯示視圖

2.5 信息交互

Activity生命周期里，啟動Activity時系統會先調用onCreate方法，Activity退出時會調用onDestroy方法。通常在onCreate方法里進行按鍵綁定、變量初始化等一系列Activity初始化操作，而在onDestroy方法里釋放資源。

2.5.1 綁定按鍵

在MainActivity.class的onCreate方法里為控件綁定監(jiān)聽器，這樣當這個按鍵被按下時系統會調用這個監(jiān)聽函數，便可以在按鍵被按下時做出相應的反應。

按鍵綁定監(jiān)聽器：

findViewById（R.id. button_front）.

setOnClickListener（new View.OnClickListener（） {

@Override

public void onClick（View arg0） {

// TODO Auto-generated method stub

sendfrontData（）；

}

}）；

在onClick方法里寫按鍵操作的代碼，當綁定的按鍵被按下此段代碼將會被調用。

2.5.2 獲取輸入流和輸出流

新建一個Socket連接，此連接用來和下位機串口間數據透傳。依據OpenWRT里設置的地址和端口打開Secket連接，并獲得Socket的輸入流和輸出流，主要代碼如下：

mSocketClient = new Socket（CtrlIp， CtrlPort）；

inStream = mSocketClient.getInputStream（）；

outStream = mSocketClient.getOutputStream（）；

打開Socket連接，獲得當前Socket的輸入輸出流。以上代碼必須捕獲異常。新建接收線程，接收下位機發(fā)來的數據，并解析和更新UI。

new Thread（）{

@Override

public void run（） {

// TODO Auto-generated method stub

super.run（）；

while（true） {

inStream.read（buffer）；

parseData（buffer）；

}

}

}.start（）；

只有在run方法里寫入自己的代碼，當線程運行后會直接調用run方法，整個代碼在循環(huán)體內，Socket接收到數據后，在線程調用數據解析方法解析數據并更新到UI界面。

2.5.3 UI更新

下位機發(fā)來的數據有狀態(tài)信息和其他數據信息，主要顯示方式為文本顯示。Android系統里，文本顯示由TextView控件實現，若要顯示文本到屏幕，首先需要獲得文本控件的ID號，然后再設置控件顯示的文本內容以及字體大小和字體類型、排列方式等，同樣TextView的屬性可以在layout布局文件里設置。

顯示文本到屏幕：

TextViewbt = （TextView） findViewById（R.id.textv）；

bt.setText（str）；

第一句獲得文本控件textv的ID，第二句，通過setText（）為此控件設置文本內容。

2.6 異常捕獲

當退出應用時用戶需要釋放掉之前使用的資源，在MainActivity.class里復寫onDestroy方法，在onDestroy方法里斷開Socket連接和關閉輸入輸出流：

try {

if（mSocketClient！=null）

{

mSocketClient.close（）；

inStream.close（）；

outStream.close（）；

mSocketClient = null；

}

} catch （IOException e） {

e.printStackTrace（）；

}

mThreadClient.interrupt（）；

2.7 權限控制

Android 提供了豐富的 SDK（Software development kit），開發(fā)人員在對 Android 系統資源的訪問需要有相應的訪問權限，這個權限就稱為 Android 應用程序權限，由AndroidManifest.xml文件管理，它在應用程序設計時設定，在 Android 系統中初次安裝時即生效。此應用需要以下權限：

<！-- internet -->

STATE"/>

STATE"/>

3 應用調試

筆者把該控制平臺與飛行器一起來檢測其工作性能，打開手機調試功能，連接電腦，并安裝好手機驅動，然后在Eclipse里選中項目右擊，選Run as -> Android Application，直接在手機上運行程序，調試如圖3所示。測試表明該平臺能在Android手機終端的控制下攝像頭上下左右旋轉90°拍攝圖像信息；飛行器能平穩(wěn)地前進、后退和左右旋轉飛行；并對有害可燃氣體濃度檢測和PM2.5等顆粒污染物環(huán)境參數信息檢測快速、準確；GPS定位系統精準，室內精度為2.0m以下而室外為0.5m以下。數據，視頻顯示正常，各項性能完全符合設計的要求并能方便地拓展其功能和應用。

【參考文獻】

[1]向誠，謝峰粹.基于WIFI和Android的智能探測車設計[J].電子技術應用，2013.12：82-85.

[2]張余，編著.Android網絡開發(fā)從入門到精通[M].清華大學出版社，2014.

[3]候國照.基于OpenWrt的無線傳感器網絡協議研究與實現[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學，2009.02：102-105.

[4]王雷，藍箭，陳雪娟.基于Android 平臺的無線WiFi控制方法[J].微型電腦應用，2012，7：58-61.

[責任編輯：王楠]