遠(yuǎn)程視頻探測(cè)小車(chē)機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

胡興梅，鄒奇朋，楊文任，李子樺

（天津科技大學(xué)，天津 300222）

遠(yuǎn)程視頻探測(cè)小車(chē)機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

胡興梅，鄒奇朋，楊文任，李子樺

（天津科技大學(xué)，天津 300222）

文章設(shè)計(jì)了一種基于STC11F32XE的無(wú)線遠(yuǎn)程視頻智能小車(chē)機(jī)器人—WiFiRobot。它集環(huán)境感知、信息反饋、遠(yuǎn)程控制等功能為一體，并力圖利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)一個(gè)廉價(jià)、靈活、開(kāi)放、可擴(kuò)展的互交系統(tǒng)。

WiFiRobot；STC11F32XE；遠(yuǎn)程控制

WiFi是一種可以將個(gè)人電腦、手機(jī)設(shè)備等終端以無(wú)線方式相互連接的技術(shù)，它具有組網(wǎng)方便、易于擴(kuò)展、傳輸速度快等特點(diǎn)，有很廣闊的發(fā)展前景［1］。WiFiRobot是一種基于WiFi的無(wú)線遠(yuǎn)程智能機(jī)器人，利用WiFi無(wú)線網(wǎng)絡(luò)作為數(shù)據(jù)載體，實(shí)現(xiàn)控制數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)傳送從而實(shí)現(xiàn)控制小車(chē)和視頻監(jiān)控等功能，它是集遠(yuǎn)程無(wú)線通訊、視頻傳輸、數(shù)據(jù)采集、多向機(jī)械云臺(tái)、燈光控制、動(dòng)力四驅(qū)、攝像頭云臺(tái)等功能為一體的多功能智能遙感機(jī)器人，以高速M(fèi)CU為數(shù)據(jù)處理中心，可通過(guò)電腦、智能手機(jī)等設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，可實(shí)現(xiàn)多種擴(kuò)展功能［2］。

1 基本原理

該機(jī)器人的工作過(guò)程為：操作員利用電腦端上位機(jī)C#編程，并且C#可移植性好，通過(guò)上位機(jī)編寫(xiě)的程序通過(guò)WiFi無(wú)線網(wǎng)絡(luò)連接到小車(chē)的WiFi路由模塊上，路由器通過(guò)ser2net把數(shù)據(jù)包解開(kāi)，然后轉(zhuǎn)發(fā)到路由器串口，該系統(tǒng)采用STC11F32XE單片機(jī)作為處理器，通過(guò)STC11F32XE單片機(jī)與路由器建立串行通信，便能利用路由器的串口數(shù)據(jù)進(jìn)行控制電機(jī)的工作狀態(tài)。同時(shí)，安裝在機(jī)器人上的傳感器和攝像頭可以通過(guò) WiFi 路由將采集到的數(shù)據(jù)反向傳遞給上位機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和下位機(jī)之間的雙向通信，以便操作員實(shí)時(shí)了解機(jī)器人周?chē)沫h(huán)境，并根據(jù)環(huán)境情況發(fā)出指令控制機(jī)器人執(zhí)行相應(yīng)的任務(wù)，實(shí)現(xiàn)交互式操作。

2 硬件設(shè)計(jì)

硬件框架主要分成下位機(jī)平臺(tái)和WiFi模塊兩部分。

下位機(jī)平臺(tái)是利用MCU最小系統(tǒng)通過(guò)控制板來(lái)控制攝像頭、4路電機(jī)、視頻云臺(tái)、超聲波雷達(dá)、溫濕度傳感器以及各種模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)指令功能。其中攝像頭采用的是高清晰度的攝像頭進(jìn)行探測(cè)，可以滿足0°～180°旋轉(zhuǎn)，并且能夠通過(guò)遠(yuǎn)程操作關(guān)閉或打開(kāi)，通訊接口為USB接口協(xié)議，云臺(tái)由兩個(gè)S3003數(shù)字舵機(jī)及其他輔助材料構(gòu)成。采用的超聲波雷達(dá)方向性好，穿透能力強(qiáng)，易于獲得較集中的性能，可以很好地用于測(cè)距。

另一部分的WiFi模塊，此WiFi智能小車(chē)機(jī)器人使用操作系統(tǒng)為OpenWrt的無(wú)線路由器作為通訊，它提供了一個(gè)完全可寫(xiě)的文件系統(tǒng)，從應(yīng)用程序供應(yīng)商提供的選擇和配置，并允許自定義的設(shè)備，以適應(yīng)任何應(yīng)用程序，它使得信號(hào)覆蓋范圍可以做到很廣，并且攝像頭可以直接掛載到路由器上，也就是可以通過(guò)路由器直接驅(qū)動(dòng)，十分方便。該無(wú)線路由器具有尺寸較小，供電電壓低，攜帶方便等特點(diǎn)，它的供電電壓只有5V。OpenWrt路由器選擇OpenWrt作為操作系統(tǒng)，把攝像頭采集的現(xiàn)場(chǎng)照片通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給遠(yuǎn)端的上位機(jī)，同時(shí)也可將上位機(jī)發(fā)出的指令通過(guò)串口轉(zhuǎn)發(fā)給MCU單片機(jī)控制系統(tǒng)。硬件系統(tǒng)圖如圖1所示。

圖1 硬件系統(tǒng)圖

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件部分是機(jī)器人智能化的體現(xiàn)，主要完成視頻采集、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?。上位機(jī)軟件實(shí)時(shí)控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，下位機(jī)軟件通過(guò)接收來(lái)自上位機(jī)的命令，從而執(zhí)行相應(yīng)操作，而連接上位機(jī)和下位機(jī)之間的紐帶就是通信協(xié)議。軟件部分包括通信協(xié)議，客戶(hù)端控制軟件和下位機(jī)軟件。在此主要介紹通信協(xié)議和上位機(jī)的開(kāi)發(fā)。

3.1 通信協(xié)議

為了防止通信干擾過(guò)大，上位機(jī)采用數(shù)據(jù)格式傳送指令，格式包括包頭、類(lèi)型位、命令位、數(shù)據(jù)位和包尾，不含校驗(yàn)位，其通信協(xié)議規(guī)定如表1所示。

表1 通信協(xié)議規(guī)定表

3.2 上位機(jī)軟件

關(guān)于控制平臺(tái)，我們使用C#語(yǔ)言編寫(xiě)上位機(jī)客戶(hù)端界面，并利用TCP/IP提供Socket編程接口，實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)和路由器之間的數(shù)據(jù)通信［3-4］。客戶(hù)端包括了一個(gè)主窗口和配置對(duì)話框。主窗口中包括了視頻顯示部分、按鈕控制部分及雷達(dá)掃描部分，作用分別是顯示實(shí)時(shí)回傳視頻、控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)及顯示周?chē)系K物；配置對(duì)話框用來(lái)完成WiFi參數(shù)設(shè)置和控制指令設(shè)置。上位機(jī)通過(guò)Socket以字節(jié)的方式向小車(chē)機(jī)器人發(fā)送控制指令，同時(shí)接收攝像頭回傳的視頻流并在主窗口的視頻顯示區(qū)中實(shí)時(shí)顯示出來(lái)。另外，控制指令只需配置一次即可，無(wú)須重復(fù)操作。我們還定義了10個(gè)基本控制指令，用于檢測(cè)控制指令是否執(zhí)行，這樣就可以在主窗口中直接通過(guò)鍵盤(pán)觸發(fā)，控制了電機(jī)各個(gè)方向的驅(qū)動(dòng)，并且增加了車(chē)燈的亮滅功能，經(jīng)過(guò)測(cè)試，上位機(jī)軟件運(yùn)行順利。

3.3 下位機(jī)軟件

關(guān)于下位機(jī)，我們采用的是STC公司超強(qiáng)抗干擾、高速、低功耗的STC11F32XE芯片，并與8051系列單片機(jī)的指令代碼兼容。因此，我們采用Keil uVision4編寫(xiě)下位機(jī)程序。下位機(jī)程序主要包括：電機(jī)的驅(qū)動(dòng)、舵機(jī)控制及定時(shí)器中斷等。路由器接收到來(lái)自上位機(jī)的指令，并轉(zhuǎn)發(fā)給下位機(jī)。下位機(jī)接收并執(zhí)行相應(yīng)的指令，最終實(shí)現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)、攝像頭舵機(jī)控制、車(chē)燈控制等功能。

4 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)測(cè)試和實(shí)際運(yùn)行結(jié)果顯示，遠(yuǎn)程視頻探測(cè)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了利用上位機(jī)對(duì)其進(jìn)行遠(yuǎn)程操作與控制，運(yùn)行穩(wěn)定，并能及時(shí)通過(guò)WiFi路由網(wǎng)絡(luò)向上位機(jī)機(jī)發(fā)送采集到的數(shù)據(jù)或圖像。探測(cè)機(jī)器人各項(xiàng)功能的實(shí)現(xiàn)證明了系統(tǒng)軟、硬件設(shè)計(jì)的可行性。使用STC11F32XE微處理器和OPenWrt操作系統(tǒng)增強(qiáng)了探測(cè)機(jī)器人的智能化水平，確保了對(duì)機(jī)器人運(yùn)行速度和轉(zhuǎn)向控制的精確性［4］。這種小車(chē)機(jī)器人的研發(fā)能夠廣泛地應(yīng)用在校園安全防護(hù)、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域，對(duì)我們未來(lái)的生活意義重大。智能機(jī)器人的發(fā)展和先進(jìn)的檢測(cè)技術(shù)之間有著密切的聯(lián)系，具有廣闊的發(fā)展前景。

［1］HSUM L，WEIYAN W，SHUNFENG S，et al.A merged fuzzy neural network and its application in battery state of charge estimation［J］.Energy Conversion，2007（3）：697-708.

［2］張學(xué)武，何玉鈞.基于WiFi的遠(yuǎn)程視頻傳輸智能機(jī)器人設(shè)計(jì)［D］.保定：華北電力大學(xué)，2013.

［3］ION L，POL L.Texas Instruments Incorporated-Battery Gas Gauge IC for（bq27210）［M］.Texas：Texas Instruments，2012.

［4］Texas Instruments Incorporated.Mixed signal microcontroller（MSP430G2x01）［M］.Texas：Texas Instruments，2011.

Design of remote video detection car robot system

Hu Xingmei，Zou Qipeng，Yang Wenren，Li Zihua

（Tianjin University of Science and Technology，Tianjing 300222，China）

A wireless remote video intelligent car robot—WiFiRobot based on STC11F32XE MCU is presented in the paper.It integrates the functions of environment perception，information feedback，remote control and so on，and tries to realize an inexpensive，flexible，open and extensible interaction system through computer network.

WiFiRobot；STC11F32XE；remote control

2015年天津市大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目結(jié)題項(xiàng)目；項(xiàng)目編號(hào)：201510057110。

胡興梅（1993—），女，陜西安康。