基于3D打印的室內視頻巡檢車設計

陳亞楠 王思媛 張育鳳 馮沖 肖瑛

摘要：針對兒童滯留游樂室的情況，本文設計了一款手機遙控的視頻巡檢車，該車的運動狀態可受使用者手機控制并將巡檢車所在位置的視頻信息傳到手機屏幕顯示。巡檢車外形結構采用3D打印技術設計并加工。視頻巡檢車控制系統基于STM32F407微控制器設計，巡檢車與手機通過WiFi進行數據通信。經測試，巡檢車可實現手機遙控功能，并實現對所處位置360°無死角視頻監控功能。

關鍵詞： 3D打印; STM32F407; 遠程監控

【Abstract】 In view of the situation of children retention in the amusement room，this paper designs a mobile phone remote control video patrol car. The motion state of the car can be controlled by the user's mobile phone and the video information of the location of the patrol car can be transmitted to the mobile phone screen for display. The external structure of the inspection vehicle is designed and processed by 3D printing technology. Video patrol car control system is designed based on STM32F407 micro controller. The data between patrol car and the mobile phone is communicated through WiFi. After testing， the patrol car can realize the remote control function of the mobile phone， and realize the 360 degree no dead angle video monitoring function of the position.

【Key words】 ?3D printing; STM32F407; long-range control

0 引 言

隨著中國經濟水平的提高，使不少家庭對于家中幼童的休閑娛樂場所上有了更多的選擇。但隨之而來地，兒童滯留游樂場所的現象也在日顯突出，并引發了社會各界的高度關注。

本文針對這一問題擬設計一款室內視頻巡檢車，在游樂場或商場關門前代替人力去巡視一圈場內環境，察看是否有滯留的小孩。這款視頻巡檢車可以進行遠程實時通訊、小車運動方向控制、視頻監控以及視頻無線傳輸。視頻巡檢車在日常生活中扮演“智能管理員”的角色。這款車的關鍵技術包括3D打印技術、WiFi信號與視頻傳輸技術、手機遠程操控技術等。在這項研究中，巡檢車可以很容易地和手機連接網絡并通過手機控制小車運動，此外該車還能夠安全到達目標位置，并實時監控當前環境下的游樂場或商場兒童滯留情況。該車還可以作為智能機器人后續研究的平臺。視頻巡檢車的設計原則是：小車結構簡單，易于實現，操作簡單，便于使用。

1 總體設計方案

根據系統功能需求，基于嵌入式技術系統設計方案，本文所研發的系統由手機上的App控制，用戶在手機App的控制面板發出指令后，通過串口發送指令到STM32中，在STM32中對獲取的命令進行解析，根據指令的不同，做出相應的動作處理，控制巡檢車運動及舵機旋轉。攝像頭采集圖像后，通過WiFi將視頻傳輸給手機，用戶可以通過手機操作面板對圖像進行截取保存處理。該系統以STM32為核心控制芯片，系統框圖如圖1所示。

2 硬件技術設計

2.1 微控制器最小系統資源分配

微控制器STM32F407為Contex-M4內核，集成FPU和DSP指令，內部有1 M Flash，192 KB SRAM[1]。該微控制器在本系統中主要執行視頻讀取、PWM信號輸出等操作，設計單片機核心系統完成上述功能。具體包括：電源電路設計、IO設計、晶振電路設計等。其中，供電部分采用IO口連接從L298P電機驅動板上電源口引出的5 V電壓工作，視頻傳輸連接STM32的A10、A9接口，PWM輸出由STM32的A7端口輸出，L298P電機驅動板連接STM32的引腳F9和F10，如圖2所示。

2.2 WiFi攝像頭模塊

本次研究將攝像頭與WIFI模塊封裝在一起，在其內部規定了固定的通信協議，通過手機連接WiFi實現視頻傳輸功能。使用者可通過手機操控面板發送指令控制舵機轉換角度，同時攝像頭將采集到的圖像通過WiFi傳輸到手機顯示，因此使用者可實時全方位采集到巡檢車所在場地的圖像信息。WiFi攝像頭模塊如圖3所示。

2.3 巡檢車運動控制系統設計

2.3.1 L298P電機驅動模塊原理

ST公司的L298P是典型雙H橋直流電機驅動芯片，可用于驅動直流電機或雙極性步進電機，此驅動板體積小，重量輕，具有強大的驅動能力。研究后可得到，H橋電路驅動電機順時針轉動示意如圖4所示。要想通過驅動模塊使電機運轉，必須使圖4中對角線上的一對三極管導通，電流由電源正極從Q1管流入，從左到右經過電機，再從Q4管流出至電源負極（按圖4中所指示的箭頭來流動），從而驅使電機正轉;而當電流由Q2和Q3流動時，此刻電機完成反轉。

此驅動在使用時，一定要保證H橋同側三極管不會同時導通。假設Q1和Q2同時導通，電流直接由正極流入，負極流出，并不會驅動電機，且此時的三極管沒有任何其他負載，所以電路上電流就可能會達到最大值，甚至會燒毀三極管。因此，驅動電路要使用硬件電路控制三極管的開關。

驅動板上設有電流反饋檢測接口、內邏輯取電選擇端、路直流電機接口和四線兩相步進電機接口、控制電機方向指示燈、4個標準固定安裝孔;2 A的峰值電流和46 V的峰值電壓;外加續流二極管可防止電機線圈在斷電時的反電動勢損壞芯片，安裝散熱片使芯片溫度降低讓驅動性能更加穩定[2]。

2.3.2 L298P的邏輯控制功能

在本次研發的程序中，初始就設定了使能端為高電平，由于這里選用的L298P板內有一個74HG1G04芯片，該芯片的功能就是一塊小的“非門”，所以L298P在連接時只需要改變IN1和IN3輸入的高低電平，即可控制電機的正反轉。當輸入端IN1為高電平，IN3也為高電平時，小車是前進狀態，按此類推小車的每個運行狀態。L298P邏輯功能見表1。

2.3.3 L298P模塊接口

L298P模塊的設計接口如圖5所示。該模塊包括2部分，即：模塊供電和電機驅動輸出接口、模塊邏輯控制接口。對此可做闡釋分述如下。

（1）供電接口設計

① 本設計使用的L298P驅動板需要另接電源供電，則需要進行單片機和驅動板的共地連接，即如圖5中的供地GND 接口需與單片機GND 接口共同連接，如此一來單片機傳輸的邏輯信號才有參考零點，電機才能正常工作。

② 本設計中該驅動板需外接7.4 V電源為其供電，即如圖5中的供電接口與外接7.4 V電源連接。當供電口接入7.4 V鋰電池的時候，此時這塊電源并不為整塊驅動板供電，只給予其中一個5 V電源的接頭供電，故而需要一根杜邦線就可將電源引入整塊驅動板。

（2）電機接口設計。本設計中，將L298N輸出端口OUT1、OUT2（即圖5中的輸出A通道）分別與電機的正負極相連接。L298P可同時驅動2個直流電機[4]。本次設計中選用的電機為直流減速電機，型號為GA12-N20，其電壓規格為6 V直流電壓，電機轉速為100 r/min。

2.4 3D打印外觀

3D打印是一種與普通打印機工作原理基本相同的快速成型技術。這項技術在生活中的應用便是3D打印機。3D打印機內裝有塑料等可粘合材料，通過計算機軟件設計出三維立體程序，再運用多層打印方式，從而把計算機上的藍圖變成實物[5]。本次設計中，先通過計算機輔助設計（CAD）建模，接下來將建成的三維模型“分區”成逐層的截面，再指導打印機逐層打印。設計軟件和打印機之間協作的標準文件格式是STL文件格式，用Z-Suite軟件將其打印下來。各部件3D打印設計圖如圖6所示，組裝完成后的完整模型如圖7所示。

3 系統程序設計及系統調試

3.1 程序設計

在系統硬件的研究設計后，即需進行軟件研發，本文選用了嵌入式C語言。具體包括IO定義、IO初始化、IO映射，PWM輸出設計、中斷函數設計、通信協議設計等。本設計中實現通過無線及串口控制小車運動及舵機旋轉的功能，為此設計了main函數、中斷函數和 PWM脈沖產生函數及其他相關函數，該系統主程序流程圖如圖8所示。由圖8可知，主函數中對串口接收到的數據進行分析，根據通信協議中所規定的命令格式，執行相應命令。而串口的數據接收，則需要通過中斷進行，當中斷到來時，根據定制的數據包格式，判斷串口接收到的數據是否符合通信協議格式，中斷處理流程如圖9所示。

3.2 系統調試

本系統以STM32F407為控制核心，經調試，通過手機連接WiFi來控制小車進行前、后、左、右和停止的運動，同時攝像頭也能通過WiFi將所拍攝圖像實時傳輸到手機上顯示，在小車運動過程中，轉動舵機，即可全方位地巡視到周圍環境。系統調試實物如圖10所示，手機操控面板調試圖如圖11所示。

4 結束語

本設計中利用微控制器STM32F407為核心控制器，通過WiFi模塊接收手機操控面板的輸入信號、輸出電機以及舵機驅動信號，完成了小車的運動功能和舵機轉動功能，并通過3D打印技術制作了小車外殼，在電機驅動下小車正常運動。該室內視頻巡檢車可應用于日常生活中，使用者無需親自巡檢，即能全方位監控到商場或游樂園的各個角落，節省人力的同時又可有效地防止兒童滯留在娛樂場所的事件隱患發生。此款室內視頻巡檢車展現了機械與智能的完美結合，增加了巡檢車設計的實用性和科技感，給使用者帶來了更多的便利。

參考文獻

[1]瘋殼（深圳）科技有限公司. 32位ARM單片機STM32F407整板資源介紹[EB/OL]. [2016-03-16]. https：//wenku.baidu.com/view/f23de09c6429647d27284b73f24 2336c1eb9301d.html？from=searc.

[2] 潘錫淀. 直流電機的驅動電路原理及其在自動切紙刀上的應用[J]. 科技信息（科學·教研），2017（12）：114.

[3]L298P 引腳圖片[EB/OL]. http：//jmaker.banner.tw/blog/l298p.jpg.

[4]網絡作者. L298P中文資料[EB/OL]. [2019-04-14]. https：//www.docin.com/p-2191346740.html.

[5]網絡作者. 3D打印技術的原理及應用前景[EB/OL]. [2016-03-16]. https：//wenku.baidu.com/view/3857afe6376baf1ffd4fad7f.html？sxts=1571235036029.