基于LINUX的遠程環境監控小車系統的設計

陳 晨，胡俊才，陳正鵬，鐘 東

(1.湖北科技學院 電子與信息工程學院,湖北 咸寧 437100；2.咸寧市公安局,湖北 咸寧 437100)

當今社會wifi一直被手機控和電腦控們視為珍寶，它是一種可以將電腦、手持設備等終端以無線方式線連接的技術。而物聯網是指各類傳感器和現有的互聯網相互銜接的一個新技術。通過wifi無線傳感器網絡，能夠利用現有的wifi網絡資源來部署和實施物聯網通訊，將能夠節約大量的硬件成本。如果可以將家庭中的家用電器、家具等聯入無線網絡，而通過用一些有第三方客戶端的終端進行遠程控制，那么我們的生活將變得充實方便，豐富多彩。以小車作為控制對象，實現wifi無線通信技術在小車上的智能控制，可以通過終端發送一定的指令讓這個小車代替人去做一些危險性高的、力所不能及的事情。同時支持圖像識別自動駕駛。

本文設計基于ARM A9處理器，移植了LINUX操作系統，具有使用方便、快捷等特點，因此適用于普通人群，只有使用電腦鏈接WIFI輸入視頻流地址即可遠程監控當前環境，同時支持自動駕駛，采用了圖像識別技術可以根據不同顏色不同箭頭方向自動轉向，適用：家庭：無人在家自動開啟環境監控，可以登錄進入視頻流界面，查看智能小車拍攝到的視頻流信息。特定場所：野外，探測比較危險的地形，可以將智能小車放出，遠程控制其傳輸回圖像信息。倉庫管理：可以通過不同顏色的箭頭指示小車行駛的方向，達到自動控制的目的。

一、系統整體設計

本設計主要是基于LINUX和Altera的FPGA芯片設計一個一種基于Linux的低成本遠程環境監控小車系統。系統采用了2塊ALTERA公司DE1低成本開發平臺進行系統開發，采用Linux操作系統，內核版本4.2.0。整個系統首先通過圖像界面進行外設配置檢測，加載操作系統，運行預置程序代碼分析周邊環境，保存數據到系統備份區，開啟外設，可以靈活的選擇不同功能，自動駕駛，環境監控，遠程手動控制，可應用于有任何有環境監控需求的場合.系統設計中充分利用了DE1開發板硬件資源。系統主要包括：DE1_SoC開發板、MT7621開發板、ar9271wifi模塊、2303USB串口芯片、攝像頭D5M以及觸屏液晶顯示器HMI。其中DE1_SoC開發板中使用了FPGA、SDRAM、EPCQ、撥碼開關等。系統運行過程如下：

1.系統初始化，初始化內存區，加載圖形界面，進入開機歡迎界面，點擊進入控制界面，配置相應外設，等待外設配置穩定進入系統。

2.當系統運行成功，進入主控制界面，分為多種控制功能，小車控制界面，板載設置，開發人員，安全備份管理等。選擇對應界面控制不同狀態。

點擊安全備份管理即可查看當前備份狀態安全信息，與備份保存狀況，保證掉電仍可讀取相關配置信息。

點擊板載設置即可設置當前屏幕亮度，傳輸波特率，清除數據緩沖區無效的指令信息，與觸摸校準。

點擊小車控制界面即可選擇小車的不同控制方式，手動控制與自動駕駛，自動駕駛能夠對不同圖像進行識別達到根據圖標方向運行的狀態。

系統整體設計框圖，如圖1所示：

圖1 系統整體設計框圖

二、系統硬件設計

系統主要模塊及其設計電路主要有以下幾個方面：

1.人體探測模塊

人體紅外探測是采用RE200B，RE200B是熱釋電紅外傳感器。該傳感器采用熱釋電材料極化隨溫度變化的特性探測紅外輻射，采用雙靈敏元互補方法抑制溫度變化產生的干擾，提高了傳感器的工作穩定性。

人體紅外接收頭工作原理：這種傳感器是由一種晶體材料做成，當這種晶體表面受到紅外線照射時，會在晶體表面產生電荷。隨著光線對晶體照射的改變，電荷量也會發生改變。這種傳感器對于不同波長的光線照射都能產生不同程度的響應，因此在傳感器前會加入一個濾鏡窗口，這就是我們能看到的RE200B上像玻璃似的小窗。通過這個濾鏡可以限定晶體對特定波長的光線產生響應，一般在7um～14um，這樣就非常接近人體輻射的紅外線波長了。其人體紅外探頭RE200B設計電路如圖2所示，人體紅外處理設計電路如圖3所示。

圖2 人體紅外探頭RE200B電路

圖3 人體紅外處理電路

2.wifi視頻流攝像頭模塊

傳感器是決定手機攝像頭成像品質最為重要的一部分，也經常被手機廠商作為宣傳的重點，廠商也習慣采用傳感器的分類來對手機攝像頭的類型進行分類。常見的攝像頭傳感器類型主要有兩種，一種是CCD傳感器，一種是CMOS傳感器。CCD的優勢在于成像質量好，但是制造工藝復雜，成本居高不下，特別是大型CCD價格非常高昂，且耗電高，并不適合在移動設備上使用。在相同分辨率下，CMOS價格比CCD便宜，但圖像質量相比CCD來說要低。CMOS影像傳感器相對CCD具有耗電低的優勢，加上隨著工藝技術的進步，CMOS的畫質水平也不斷地在提高，所以目前市面上的手機攝像頭都采用CMOS傳感器。

3.控制液晶

在種類方面，觸摸屏液晶包括了電阻式觸摸屏，電容式觸摸屏，紅外線式觸摸屏，表面聲波觸摸屏等幾種。目前應用最多的是電容式觸摸屏，電容式觸摸屏是一塊四層復合玻璃屏，玻璃屏的內表面和夾層各涂有一層ITO，最外層是一薄層矽土玻璃保護層，夾層ITO涂層作為工作面。當手指或者是其他物體觸摸在金屬層上時，就會在觸摸點處形成一個耦合電容，對于高頻電流來說，電容是直接導體，于是手指從接觸點吸走一部分很小的電流。這個電流分別從觸摸屏的四角上的電極中流出，并且流經這四個電極的電流與手指到四角的距離成正比，控制器通過對這四個電流比例的精確計算，得出觸摸點的位置。目前大多數觸摸屏液晶顯示器都采用這種類型，不過由于電容式觸摸屏是一塊四層復合玻璃屏，透光率不均勻，存在色彩失真的問題，并由于光線在各層間的反射，還會造成圖像字符的模糊。可視角度也非常差。

觸摸屏液晶不僅僅是一顯示終端，而且也是輸入設備，其應用范圍非常廣泛。工作時，用戶用手指或其他物體觸摸液晶屏，系統根據觸摸點的位置輸入相應的信息。觸摸屏由觸摸檢測部件和觸摸屏控制器組成；觸摸檢測部件用于檢測用戶觸摸位置，接受后送觸摸屏控制器；而觸摸屏控制器的主要作用是檢測觸摸點的位置信息，并將它轉換成觸點坐標，再送給CPU，它同時能接收CPU發來的命令并加以執行。

4.溫濕度傳感器

DHT11數字溫濕度傳感器是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器。它應用專用的數字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，確保產品具有極高的可靠性與卓越的長期穩定性。傳感器包括一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件。該產品具有品質卓越、超快響應、抗干擾能力強、性價比極高等優點。每個DHT11傳感器都在極為精確的濕度校驗室中進行校準。校準系數以程序的形式儲存在OTP內存中，傳感器內部在檢測信號的處理過程中要調用這些校準系數。單線制串行接口，使系統集成變得簡易快捷。超小的體積、極低的功耗，信號傳輸距離可達20米以上，使其成為各類應用甚至最為苛刻的應用場合的最佳選樣。產品為 4 針單排引腳封裝。

三、系統的實現步驟及方法

本系統設計采用了Altera公司的DE1開發板、DE1開發板、MT7621開發板、ar9271wifi模塊、2303 USB串口芯片、攝像頭D5M、人體紅外傳感器、濕度模塊、溫度模塊以及觸屏液晶顯示器HMI。在 DE1開發板上實現了 Linux操作系統的搭建，用Busybox重新構架了最小linux系統。在DE1開發板上利用mem對外設進行訪問。在HMI觸屏液晶上對按鍵進行設計，減少了硬件按鍵的使用，從而提高了穩定性。在DE1開發板上通過串行口對小車運行狀態實現了控制。通過FPGA部分圖像處理，控制小車進行圖像識別，控制小車的自動行駛方向。系統工作后，軟件不斷的發射wifi視頻信號，接收外部藍牙控制信號。

1.圖像識別

首先從SDRAM讀取緩沖了的圖像數據，對其進行二值化處理，得到如圖4所示圖片，接著計算出X_CNT與Y_CNT的值，通過比較其大小可以先確定箭頭是橫向還是縱向，然后再判斷DIS與Y_CNT/2的大小就可以得出具體方向。

圖4 方向判斷示意圖

2.電源模塊的實現原理

整個系統由一塊12V2 000mA的Ni-Cd電池供電，而單片機的供電為12V。根據以往經驗選取TPS7350和TPS7333為其提供電源。

其穩壓輸出波形波紋較小。但在使用過程中為單片機提供電源的TPS7350出現了嚴重的發燙現象，經過穩壓源測試發現發燙的原因為電流過大。TPS7350和TPS7333數據手冊中記載的輸出的電流為500mA。在使用時切勿將TPS串聯使用，即先用TPS7350穩到5V，再用TPS7333穩到3.3V；后來選取運用LM2596S-12V，LM2596S-5V,分別得到12V和5V的穩定電壓，輸出最高電流可達3A，輸出線性好，負載可調，系統效率高，可以用僅80μA的待機電流，實現外部斷電，具有過流保護功能，帶載能力較強。經過長時間的使用，電路十分穩定。

3.視頻圖像流處理

視頻設備的一般操作流程：

首先打開設備文件。查看設備具有什么功能，命令為VIDIOC_QUERYCAP；然后，選擇視頻輸入，一個視頻設備可以有多個視頻輸入，命令為VIDIOC_S_INPUT；再設置視頻的制式和幀格式，制式包括PAL，NTSC，幀的格式包括寬度和高度等，命令分別為VIDIOC_S_STD,VIDIOC_S_FMT；然后向系統申請幀緩沖，一般不超過5個，命令為VIDIOC_REQBUFS；將申請到的幀緩沖映射到內存。普通文件被映射到進程地址空間后，進程可以像訪問普通內存一樣對文件進行訪問；將申請到的幀緩沖插入隊列，存儲采集到的數據，命令為VIDIOC_QBUF；接著開始視頻采集，命令為VIDIOC_STREAMON；從隊列中取出已采集到數據的幀緩沖，命令為VIDIOC_DQBUF；將幀緩沖重新插入隊尾，這樣可以循環采集，命令為VIDIOC_QBUF；然后停止視頻的采集，命令為VIDIOC_STREAMOFF，最后關閉視頻設備。

4.傳感器外設管理

紅外探頭采用RE200B，當周圍沒人時，探測器的紅外輸出為低電平，一旦感應到周圍有人，就會不斷產生上升沿，當nios接收到這個觸發信號后，發送1給hps，表示檢測到人，否則發送0。感應示意圖如圖5所示。

圖5 傳感器感應示意圖

本文設計的遠程監控小車系統如圖6所示

圖6 遠程環境監控小車系統實物圖

四、結語

本文設計的基于Linux的遠程環境監控小車系統，實現了wifi無線通信技術在小車上的智能控制，可以通過終端發送一定的指令讓這個小車代替人去做一些危險性高的、力所不能及的事情，同時支持圖像識別自動駕駛。本系統的開發具有一定的實踐應用價值。