基于樹莓派的交互式WiFi控制小車

汪冰，曾大興，李魯寧，王愷軒

（東南大學(xué)成賢學(xué)院，江蘇南京，210000）

1 項目背景

隨著時代和科技的發(fā)展，智能產(chǎn)品逐漸深入我們的生活，其使設(shè)備自動化，為我們打造了高效便利的生活方式。智能產(chǎn)品便是利用先進(jìn)的計算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)將各種與日常生活相關(guān)的系統(tǒng)產(chǎn)品有機(jī)結(jié)合在一起，統(tǒng)籌管理，使我們的生活更加高效便捷，優(yōu)化我們的生活方式。而智能產(chǎn)品在國外發(fā)達(dá)國家更為普遍，因?yàn)槠浣?jīng)濟(jì)能力和對計算機(jī)研究能力更強(qiáng)勁，研究智能控制也更為久遠(yuǎn)。國內(nèi)智能產(chǎn)品的使用雖然較晚，不過我們國家的發(fā)展勢頭不可小覷，各種智能產(chǎn)品的生產(chǎn)廠家也逐年增加，人工智能也逐漸成為學(xué)生選擇專業(yè)的熱門選項。

智能車是目前世界車輛工程領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)和汽車工業(yè)發(fā)展的新方向，且已經(jīng)在許多工業(yè)部門獲得廣泛應(yīng)用。因此智能小車也是無數(shù)大學(xué)生創(chuàng)新的熱門選項。本項目利用WiFi無線技術(shù)通過樹莓派控制小車以及舵機(jī)的移動，攝像頭采集圖像信息后傳輸至客戶端，傳感器采集數(shù)據(jù)信息后傳輸?shù)皆破脚_的數(shù)據(jù)庫，編寫網(wǎng)頁連接云平臺的數(shù)據(jù)庫獲取數(shù)據(jù)，因此我們可以在網(wǎng)頁觀看到小車進(jìn)行路面監(jiān)測的結(jié)果。

2 項目方案設(shè)計

舵機(jī)模塊，攝像模塊，傳感器模塊與主控模塊相連，主控模塊以樹莓派4B為核心，發(fā)布的指令通過樹莓派傳輸至舵機(jī)和小車，操控二者上下（前后）左右移動。小車使用7.4V電池進(jìn)行供電。傳感器模塊分為三部分，分別為MQ-5液化氣傳感、MQ-9可燃?xì)鈧鞲衅饕约笆褂肈HT11溫濕度傳感器，用來收集環(huán)境中的液化氣可燃?xì)夂蜏貪穸鹊臄?shù)據(jù)。攝像頭安裝在舵機(jī)上，采集周圍圖像信息后傳輸至網(wǎng)頁端。數(shù)據(jù)通過WiFi模塊上傳到阿里云平臺數(shù)據(jù)庫，再編寫網(wǎng)頁連接云平臺數(shù)據(jù)庫獲取數(shù)據(jù)，使得小車能夠?qū)崟r監(jiān)控路面圖像且檢測數(shù)據(jù)，達(dá)到監(jiān)控探測道路的目的。

因此主要內(nèi)容有：

(1)編寫小車和舵機(jī)模塊的控制程序，使得小車完成網(wǎng)頁控制端通過樹莓派傳輸過去的指令，實(shí)現(xiàn)移動。

(2)編寫攝像頭獲取圖像流的程序，接收處理信息。

(3)編寫傳感器探測溫濕度，可燃?xì)饧耙夯瘹獾某绦颍⑻綔y結(jié)果數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆破脚_數(shù)據(jù)庫顯示。

(4)編寫網(wǎng)頁，顯示攝像頭的圖像信息和傳感器的數(shù)據(jù)信息，以及操控小車和舵機(jī)的按鍵。

(5)在組裝完成后進(jìn)行包裝，使產(chǎn)品更完整，同時具有觀賞性和實(shí)用性。

圖1 各系統(tǒng)模塊圖

3 硬件設(shè)計

3.1 主控模塊、WiFi模塊

小車采用鋁合金底盤，配備可調(diào)減震器，輪胎為麥克納姆輪，便于前后左右全方位移動，電機(jī)為JGA25-370霍爾測速電機(jī)，利用一組7.4V的電池為電機(jī)供電。且其主控模塊以樹莓派4B為核心，性能更優(yōu)化，散熱性良好，通過樹莓派進(jìn)行處理傳輸?shù)闹噶钜约靶畔ⅰＰ≤嚴(yán)檬謾C(jī)或者電腦的網(wǎng)頁作為控制端，小車和控制端所處的手機(jī)或電腦處于同一個WiFi下，以此實(shí)現(xiàn)同網(wǎng)段下不同IP主機(jī)的連接。WiFi模塊接收控制端發(fā)送的信號傳輸給樹莓派后分析轉(zhuǎn)化為控制指令，發(fā)送給小車和舵機(jī)，以實(shí)現(xiàn)小車的前進(jìn)，后退，左轉(zhuǎn)，右轉(zhuǎn)，停止以及舵機(jī)的上下左右移動。

3.2 攝像模塊、舵機(jī)模塊

攝像頭采用USB2.0直插接口，可使用USB直接連接使用，簡單方便。攝像頭30萬像素，480P分辨率，可手動調(diào)節(jié)焦距。舵機(jī)為二自由度攝像頭云臺，可旋轉(zhuǎn)至左右180°，上下180°。將攝像頭安裝在舵機(jī)上，隨舵機(jī)移動實(shí)時收集圖像信息。

圖2 樹莓派接口圖

3.3 傳感器模塊

本模塊使用了三個傳感器，分別為MQ-5液化氣傳感、MQ-9可燃?xì)鈧鞲衅饕约癉HT11溫濕度傳感器。MQ系列氣體傳感器使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導(dǎo)率較低的二氧化錫。當(dāng)傳感器所處環(huán)境中存在可燃?xì)怏w時，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中可燃?xì)怏w濃度的增加而增大。MQ系列氣體傳感器對甲烷的靈敏度高，對丙烷，丁烷也有較高的靈敏度，可檢測多種氣體且成本較低。因此MQ系列氣體傳感器是檢測液化氣和可燃?xì)獾囊环N選擇。DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，可一體檢測周圍溫度和濕度。溫度測量范圍為0℃～50℃，誤差不超過±2℃，濕度測量范圍為20%～90%，誤差不超過±5%。其成本低，可靠性高，穩(wěn)定性強(qiáng)，抗干擾能力強(qiáng)，信號傳輸距離長。

圖3 電機(jī)圖

圖4 MQ系列傳感器圖

圖5 DHT11傳感器圖

4 軟件設(shè)計

4.1 小車和舵機(jī)轉(zhuǎn)向

樹莓派接入網(wǎng)絡(luò)，PC機(jī)遠(yuǎn)程登錄樹莓派進(jìn)行后續(xù)開發(fā)操作。小車樹莓派主板與網(wǎng)頁的連接均基于局域網(wǎng)IP鏈接，以此控制主板的GPIO口來實(shí)現(xiàn)控制電機(jī)和舵機(jī)的目的。利用Python語言，使用了GPIO庫，向樹莓派引腳發(fā)送高低電平可控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)。利用角度對應(yīng)的占空比定義舵機(jī)位置。網(wǎng)頁上每一個按鈕都已自主賦予唯一標(biāo)識符，按下按鈕將對應(yīng)標(biāo)識符傳入主板，通過此標(biāo)識符運(yùn)行對應(yīng)的函數(shù)代碼，即可控制電機(jī)及舵機(jī)的活動。

4.2 攝像頭圖像接收

攝像頭在局域網(wǎng)內(nèi)進(jìn)行視頻流實(shí)時傳輸。確認(rèn)攝像頭成功連接后，利用MJPG_Streamer,實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控。注意修改分辨率及幀率。Mjpg_streamer.c 主程序主要運(yùn)行如下幾個部分:

input_init() 輸入相關(guān)的初始化

output_init() 輸出相關(guān)的初始化

input_run() 運(yùn)行輸入函數(shù)，采集輸入數(shù)據(jù)

output_run() 輸出初函數(shù)，把數(shù)據(jù)收集起來通過網(wǎng)絡(luò)socket發(fā)送出去

接著成功啟動MJPG_Streamer即可，我們可以直接輸入網(wǎng)址http//樹莓派IP+8081即可觀看到攝像頭拍攝的圖像信息，完成實(shí)時視頻接收。

圖6 流程圖

4.3 傳感器數(shù)據(jù)采集

三個傳感器分別對應(yīng)插到樹莓派針腳，編寫Python程序，根據(jù)針腳編號，樹莓派讀取傳感器數(shù)據(jù)，保存本地文件。

4.4 數(shù)據(jù)傳輸及網(wǎng)頁顯示

將所測數(shù)據(jù)通過在阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺創(chuàng)建產(chǎn)品功能來顯示，創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫和存放上傳數(shù)據(jù)的表后，編寫SQL轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)存儲在云數(shù)據(jù)庫后調(diào)試即可。

當(dāng)數(shù)據(jù)傳到阿里云的數(shù)據(jù)庫之后，新建JavaScript文件，使用require引入mysql模塊，然后連接MySQL數(shù)據(jù)庫，編寫一個查詢語句SQL，以字符串形式賦值給變量sql，調(diào)用查詢方法返回即可。

5 調(diào)試和結(jié)果

5.1 網(wǎng)頁控制端控制舵機(jī)和小車

用戶通過網(wǎng)頁控制端控制舵機(jī)和小車移動，按下小車對應(yīng)行進(jìn)按鍵后小車可進(jìn)行前進(jìn)，后退，左轉(zhuǎn)，右轉(zhuǎn)的操作。按下舵機(jī)對應(yīng)移動按鍵后，舵機(jī)可以進(jìn)行上下左右每次15°的移動，理論移動范圍在上下180°，左右180°，但因?qū)嶋H角度和給定數(shù)值非線性關(guān)系，角度范圍較小。

5.2 觀看攝像頭采集的圖像

攝像頭固定在舵機(jī)上，隨舵機(jī)移動變換拍攝角度。攝像頭可以實(shí)時拍攝周邊情況，并進(jìn)行圖像接收傳輸。直接打開網(wǎng)址http//樹莓派IP+8081即可觀看到攝像頭拍攝的圖像信息。

圖7 網(wǎng)頁控制圖

5.3 查看傳感器所測數(shù)據(jù)

傳感器模塊中，液化氣、可燃?xì)狻貪穸冗@三個傳感器可檢測小車附近環(huán)境中液化氣、可燃?xì)夂蜏貪穸鹊臄?shù)值。但是由于檢測環(huán)境液化氣和可燃?xì)鉂舛葮O低，數(shù)據(jù)基本為零，所以我們利用打火機(jī)，放置在傳感器附近，便可以檢測出液化氣和可燃?xì)獾臐舛取漭勺ト鞲衅鞯臄?shù)據(jù)存儲，并且傳輸?shù)桨⒗镌破脚_的數(shù)據(jù)庫，通過編寫的網(wǎng)頁連接數(shù)據(jù)庫，可以在網(wǎng)頁顯示檢測的數(shù)據(jù)信息。由此在網(wǎng)頁和云平臺都可以看到所測數(shù)據(jù)。

圖8 數(shù)據(jù)測試圖

6 總結(jié)

本文主要介紹了基于樹莓派的交互式WiFi控制小車。用戶在手機(jī)或者電腦上通過網(wǎng)頁按下指令鍵，用戶發(fā)送的信號被樹莓派接收并轉(zhuǎn)化為指令傳送給小車和舵機(jī)，從而進(jìn)行對應(yīng)的前后（上下）左右移動。攝像頭隨舵機(jī)轉(zhuǎn)變角度，實(shí)時傳輸圖像信息，我們可輸入網(wǎng)址直接觀看到。同時，傳感器一直探測液化氣，可燃?xì)夂蜏貪穸鹊臄?shù)據(jù)信息，被樹莓派抓取并傳送至阿里云平臺的數(shù)據(jù)庫，網(wǎng)頁連接數(shù)據(jù)庫顯示探測的數(shù)據(jù)信息。用戶操控小車行進(jìn)方向，在網(wǎng)頁端觀看到實(shí)時圖像視頻，可根據(jù)實(shí)況改變角度觀察全方位道路情況，實(shí)現(xiàn)小車道路監(jiān)控。還可以觀察傳輸顯示的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)小車道路探測。