基于W IFI的混合動(dòng)力多功能智能探測(cè)器的設(shè)計(jì)

桂玲

（中南林業(yè)科技大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，湖南 長沙 410004）

基于W IFI的混合動(dòng)力多功能智能探測(cè)器的設(shè)計(jì)

桂玲

（中南林業(yè)科技大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，湖南 長沙 410004）

基于WIFI的混合動(dòng)力多功能智能探測(cè)器是一種基于Android手機(jī)平臺(tái)、以單片機(jī)為驅(qū)動(dòng)核心處理器、利用無線WIFI進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸與接收，能實(shí)時(shí)地將探測(cè)器周圍環(huán)境視頻信息、溫濕度、有害氣體濃度等文本參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)探測(cè)、存儲(chǔ)和傳輸至手機(jī)控制端，可由太陽能和電力供電的混合動(dòng)力多功能探測(cè)系統(tǒng)。

Andorid手機(jī)；WIFI；混合動(dòng)力；單片機(jī)；智能探測(cè)系統(tǒng)

移動(dòng)探測(cè)器作為物聯(lián)網(wǎng)感知層的重要一種方式，廣泛應(yīng)用在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防、服務(wù)等各個(gè)行業(yè)，特別是在探測(cè)、救援、搜捕、輻射等有害與危險(xiǎn)場(chǎng)合起到不可替代的作用，能最大限度地避免這些危險(xiǎn)給探測(cè)、救援人工員帶來二次危害。

WIFI作為一種無線局域網(wǎng)運(yùn)用技術(shù)，憑借其組網(wǎng)方便、易于擴(kuò)展以及高速傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)，得到廣泛應(yīng)用，智能手機(jī)已成為WIFI最常用的接入設(shè)備。當(dāng)前，基于Android操作系統(tǒng)的手機(jī)已成為大眾生活中不可或缺的工具，對(duì)其二次開發(fā)，將給本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來巨大的方便。而太陽能作為可再生能源和無污染能源，在能源、環(huán)境和人類社會(huì)未來發(fā)展中占據(jù)越來越重要的地位。

1 設(shè)計(jì)方案

基于WIFI的混合動(dòng)力多功能智能探測(cè)器從功能上看，由以下四個(gè)部分組成：電機(jī)驅(qū)動(dòng)與檢測(cè)系統(tǒng)、無線信息傳輸系統(tǒng)、控制端以及電源系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖設(shè)計(jì)如圖1所示。手機(jī)控制端由Android智能手機(jī)搭建，通過無線路由設(shè)備與單片機(jī)開展信息傳輸：發(fā)送控制信息、接收與顯示視頻和文本信息；以單片機(jī)為核心的驅(qū)動(dòng)與檢測(cè)系統(tǒng)則根據(jù)控制信息驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)以及檢測(cè)、存儲(chǔ)、顯示環(huán)境參數(shù)；電源系統(tǒng)采用混合動(dòng)力，當(dāng)有太陽時(shí)，該探測(cè)器采用太陽能板通過開關(guān)電源穩(wěn)壓電路對(duì)12V的可充電鋰電池充電，以實(shí)現(xiàn)給探測(cè)器提供工作電源。當(dāng)沒有太陽，且當(dāng)12V鋰電池的電量基本用完時(shí)，為在急需時(shí)保證其正常工作，則采用電力充電器充電。采用此方案可靈活地操控探測(cè)器進(jìn)行各類工作，高速地獲取視頻信息，準(zhǔn)確地檢測(cè)環(huán)境參數(shù)，極大地延長連續(xù)探測(cè)能力。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

（1）太陽能充電電路的設(shè)計(jì)。鋰電池的額定充電電壓為12V，由太陽能板所提供的電能經(jīng)4700u電解電容和0.1u瓷片電容濾波，送到穩(wěn)壓塊輸入端，進(jìn)行穩(wěn)壓，其輸出直流電再經(jīng)濾波，便可得到十分穩(wěn)定的12V直流輸出電壓給鋰電池充電，電路設(shè)計(jì)如圖2所示。

由于太陽能板的輸出電壓受多種因素的影響其穩(wěn)定性較差。為此，太陽能充電電路部分，增加了7812三端穩(wěn)壓IC來提供12V電源。為防止太陽能電池在強(qiáng)光下由于遮擋受損,在太陽能電池組件輸出端的兩極并聯(lián)一個(gè)旁路二極管,防止電池組在得不到光照而成為負(fù)載產(chǎn)生嚴(yán)重發(fā)熱,旁路二極管的電流值不能低于該塊太陽能組件的電流值。太陽能電池的額定輸出電壓要比蓄電池高1.3～1.5倍,那么一個(gè)額定12V電壓的蓄電池應(yīng)當(dāng)選配的太陽能電池的電壓應(yīng)該在12V× 1.4=16.8V左右的太陽能電池。

圖2 太陽能充電電路

（2）電源模塊。由于探測(cè)器需要驅(qū)動(dòng)四路直流電機(jī)、二路伺服電機(jī)以及一個(gè)大功率LED燈，而且探測(cè)器會(huì)在一些不平的路面進(jìn)行探測(cè)工作，所以選擇一個(gè)大容量的可由太陽能和電能等充電的鋰電池，其輸出電壓為12V。

為防止電機(jī)類負(fù)載對(duì)單片機(jī)及其它集成芯片造成干擾，需要分開供電，并要加大容量的濾波電容以及必要的電感等儲(chǔ)能元件,電源設(shè)計(jì)如圖3所示。其中直流電機(jī)直接接入鋰電池12V直流電壓；而驅(qū)動(dòng)攝像頭的MG995型伺服電機(jī)，選用LM7805穩(wěn)壓芯片輸出的5V電壓。為獲得穩(wěn)定的5V電壓，在LM7805輸入、輸出端分別并聯(lián)一個(gè)極性電容和一個(gè)陶瓷電容用于濾除高低頻干擾；對(duì)集成電路的供電選用了LM2596開關(guān)型降壓穩(wěn)壓管，其輸出端接一個(gè)68uH的電感儲(chǔ)能和一個(gè)二極管給電感續(xù)流。

圖3 電源模塊設(shè)計(jì)框圖

（3）主控制器模塊。主控模塊上連無線路由，下接各驅(qū)動(dòng)與檢測(cè)電路，是探測(cè)器控制與數(shù)據(jù)處理的核心。文章采用的是高速、低功耗、抗干擾能力強(qiáng)的STC12C5608AD單片機(jī)，其內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路、4路PWM和8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換，十分適用于電機(jī)控制、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、強(qiáng)干擾的場(chǎng)合。對(duì)它的設(shè)計(jì)主要包括電源電路、復(fù)位電路和時(shí)鐘電路。

（4）傳感器檢測(cè)模塊。傳感器檢測(cè)系統(tǒng)包括溫濕度、氣體濃度和紅外測(cè)距傳感器等構(gòu)成以實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的獲取探測(cè)器周圍環(huán)境的各種參數(shù)。氣體濃度檢測(cè)采用MQ-2型可燃性氣體濃度傳感器,電路采用5V作為工作電壓和加熱電壓。傳感器輸出的0～5V模擬信號(hào)接單片機(jī)P1.7口，經(jīng)單片機(jī)內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。溫濕度檢測(cè)以DHT11數(shù)字溫濕度傳感器為核心,其電路設(shè)計(jì)與氣體濃度檢測(cè)電路類似，傳感器內(nèi)部在檢測(cè)信號(hào)的處理過程中要調(diào)用這些校準(zhǔn)系數(shù)。紅外測(cè)距檢測(cè)以E18-D80NK-N為核心，它能實(shí)時(shí)檢測(cè)障礙物，當(dāng)小于安全距離(如8cm)時(shí)實(shí)現(xiàn)探測(cè)器自動(dòng)避障。

（5）無線信息傳輸模塊。無線信息傳輸模塊主要由攝像頭、路由器和云臺(tái)構(gòu)成。攝像頭選擇能滿足上下左右00～900旋轉(zhuǎn)的、可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離打開或關(guān)閉的高質(zhì)量高清的天敏S605型攝像頭。通訊接口為USB協(xié)議。云臺(tái)由兩個(gè)MG995型舵機(jī)及其他輔助電路構(gòu)成。路由器采用支持OpenWrt、工作電壓為5V的TP-LINK全新推出的TL-WR703N型迷你3G無線路由器。

（6）驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)。驅(qū)動(dòng)模塊由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、直流電機(jī)和大功率LED工作燈驅(qū)動(dòng)電路三部分構(gòu)成。伺服電機(jī)本身具備驅(qū)動(dòng)電路，只需要通過單片機(jī)提供PWM信號(hào)并通過軟件編程設(shè)置其占空比就可調(diào)節(jié)其角度旋轉(zhuǎn)。而直流電機(jī)和大功率LED燈則需要專門的驅(qū)動(dòng)電路，因?yàn)閱纹瑱C(jī)I/O口驅(qū)動(dòng)能力有限，不足以大功率LED的正常發(fā)亮。

直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊以內(nèi)含兩個(gè)H橋的高電壓、大電流全橋式電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片為核心，通過光電隔離、濾波器、整流保護(hù)電路輸出驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)。本研究擬采用了二路驅(qū)動(dòng)電路來驅(qū)動(dòng)四路直流電機(jī)，如圖4所示；所述的大功率LED燈驅(qū)動(dòng)模塊采用恒流驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)LED，如圖5所示。

圖4 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)框圖

圖5 大功率LED燈驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)框圖

（7）LCD顯示電路設(shè)計(jì)。為了能夠方便的讀取環(huán)境參數(shù)，這里采用了一塊LPH7336用于顯示參數(shù)，同時(shí)可以通過按鍵調(diào)出存儲(chǔ)的歷史參數(shù)顯示在LCD上，以便對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。其中，單片機(jī)I/O口P2.1與RST連接，P2.4-P2.7分別與液晶模塊的CE、DC、DIN、CLK連接，便可實(shí)現(xiàn)LCD顯示。

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件控制智能探測(cè)器所有的運(yùn)行狀態(tài),主要包括通信協(xié)議，客戶端控制軟件(上位機(jī))和下位機(jī)軟件。其中,路由操作系統(tǒng)采用OpenWrt，主要完成視頻采集與傳輸?shù)裙δ?上位機(jī)軟件控制燈光、拍照、實(shí)時(shí)控制探測(cè)器運(yùn)動(dòng)等;下位機(jī)軟件通過接收來自上位機(jī)的命令，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?；诒咎綔y(cè)器軟件設(shè)計(jì)的復(fù)雜,故文章只對(duì)上下位機(jī)程序設(shè)計(jì)的總體做簡要說明。

（1）上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)?？刂贫薝I主界面用于顯示視頻信息和接受到的數(shù)據(jù)信息，通過兩個(gè)虛擬按鍵區(qū)實(shí)現(xiàn)對(duì)探測(cè)器的操作。在控制端軟件中，將Raw InputEvent（原輸入事件）轉(zhuǎn)換成KeyEvent（按鍵事件）以實(shí)現(xiàn)虛擬按鍵操作。主界面左下方的前、后、左、右四個(gè)虛擬按鍵用于操控探測(cè)器的移動(dòng)以及大功率LED燈的開啟與關(guān)閉，右下方四個(gè)鍵用于操作兩個(gè)伺服電機(jī)的90°旋轉(zhuǎn)以及中間一個(gè)攝像頭復(fù)位鍵。同時(shí)，重力感應(yīng)虛擬選項(xiàng)用于開啟與關(guān)閉重力感應(yīng)功能來操控探測(cè)器的運(yùn)行。

本設(shè)計(jì)選擇Android2.3.3版本的操作系統(tǒng)，以IBM公司的Eclipse為平臺(tái)。開發(fā)時(shí)先使用AVD在電腦上模擬一個(gè)虛擬的手機(jī)設(shè)備，然后通過Jave應(yīng)用類設(shè)置相應(yīng)的硬件配置，

以選擇開發(fā)的版本、設(shè)備的屏幕尺寸大小等。并通過Eclipse插件ADT創(chuàng)建一個(gè)Android控制端應(yīng)用軟件，設(shè)計(jì)過程如圖6所示。

圖6 控制端軟件簡單流圖

而上位通信則采用Socket的網(wǎng)絡(luò)，Socket通信是采用客戶機(jī)/服務(wù)器（Client/Server）的工作模式，利用Socket網(wǎng)絡(luò)通信接口來實(shí)現(xiàn)客戶機(jī)和服務(wù)器的通信。本設(shè)計(jì)采用的是面向連接的方式。Android中提供了Socket和ServerSocket2個(gè)類，并實(shí)現(xiàn)了所有的Socket客戶端和服務(wù)器雙向連接。

圖7 單片機(jī)系統(tǒng)程序總體流程圖

（2）下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)。下位機(jī)以單片機(jī)作為核心，與其它各個(gè)功能模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)信息交換,以實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)控制。主要完成驅(qū)動(dòng)、檢測(cè)、顯示等工作。通過編寫單片機(jī)程序，以達(dá)到控制各個(gè)功能模塊的作用。下位機(jī)軟件的研發(fā)主要是四個(gè)：一是串口通訊軟件設(shè)計(jì),在單片機(jī)串口與無線路由器建立通信；二是基于伺服電機(jī)控制的PWM軟件設(shè)計(jì),通過設(shè)置PWM信號(hào)的占空比來實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服電機(jī)轉(zhuǎn)角的控制；三是驅(qū)動(dòng)傳感器模塊工作的程序；四是按鍵及EEPROM軟件設(shè)計(jì),以實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)環(huán)境參數(shù)和調(diào)出存儲(chǔ)內(nèi)的環(huán)境參數(shù)。其整體流程圖如圖7所示。

4 調(diào)試結(jié)果

圖8 正面圖

經(jīng)過對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的聯(lián)調(diào)與測(cè)試，該探測(cè)器在手機(jī)的控制下能各方位地靈活運(yùn)行；伺服電機(jī)能帶動(dòng)攝像頭左右旋轉(zhuǎn)和仰、俯視90°的全方位地采集圖像信息，大功率LED工作燈在手機(jī)控制端的控制下能按需正常地工作和復(fù)位；傳感器檢測(cè)電路能快速、準(zhǔn)確地獲取環(huán)境參數(shù)信息，并把圖像和文本數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地傳輸給手機(jī)；且能通過器上的LCD查看歷史數(shù)據(jù)；各項(xiàng)性能完全符合設(shè)計(jì)的要求。調(diào)試結(jié)果如圖8所示。

［1］杜敏，譚亮君.Android嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)驗(yàn)開發(fā)策略研究［J］.電子世界，2012，（7）：57-58.

［2］孫弋，徐瑞華.基于WIFI技術(shù)的井下多功能便攜終端的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.工礦自動(dòng)化，2007，（3）：3-7.

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［4］陳益德.基于嵌入式單片機(jī)的電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.計(jì)算機(jī)仿真，2011，（1）：395-399.

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Design of Hybrid M ultifunctional Intelligent Detector based on W IFI

GUI Ling
（Computer and Information Engineering College，Central South Forestry Science and Technology University，Changsha，Hunan 410004，China）

Hybridmultifunctional intelligentdetectorbased onWIFIisamobile phone platform based on Android，driven by the single chip processor as the core processor，transmitting and receiving data through wirelessWIFI，which can timely detect surrounding video information，environment temperatureand humidity，the concentration ofharmfulgases，and other textparameters，and then store and transmit the parameters tomobile phone，which can be powered by solarenergy and electric power.

androidmobilephones；WIFI；hybrid；single chipmicrocomputer；intelligentdetection system

TN92

A

2095-980X（2016）11-0042-03

2016-09-28

湖南省教育廳科學(xué)研究項(xiàng)目：基于WIFI的混合動(dòng)力多功能智能探測(cè)系統(tǒng)的研究（項(xiàng)目編號(hào)：14C11665）。

桂玲（1974-），女，江西鷹潭人，碩士，講師，主要研究方向：檢測(cè)技術(shù)與自動(dòng)化控制。