摘  要: 設(shè)計(jì)了一種基于Android手機(jī)平臺(tái)控制、以單片機(jī)為驅(qū)動(dòng)核心處理器、利用無(wú)線WiFi進(jìn)行視頻傳輸與接收、能實(shí)時(shí)地將攝像頭拍攝到的圖像傳輸至手機(jī)的通信終端，并能對(duì)環(huán)境溫度、濕度等多項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行時(shí)探測(cè)、存儲(chǔ)和顯示的多功能探測(cè)車(chē)。該探測(cè)車(chē)能替代人工工作,應(yīng)用在坑道探測(cè)、救援、搜捕、排雷、輻射等有害與危險(xiǎn)場(chǎng)合,能有效地防止二次傷害的發(fā)生。
關(guān)鍵詞： Andorid控制端； WiFi； 單片機(jī)； 視頻傳輸； 傳感檢測(cè)

    Android是由谷歌公司開(kāi)發(fā)的移動(dòng)智能終端操作系統(tǒng)，與其他系統(tǒng)相比具有真正開(kāi)放、應(yīng)用程序相互平等和應(yīng)用程序之間溝通無(wú)界限等無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。在Android平臺(tái)下開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序,不僅能較方便地實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序間的數(shù)據(jù)共享,還可通過(guò)移動(dòng)通信連接到網(wǎng)絡(luò)上，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)、應(yīng)用等資源共享[1]。
    WiFi作為一種無(wú)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[2]。WiFi技術(shù)與探測(cè)車(chē)的有機(jī)結(jié)合產(chǎn)生了集無(wú)線通信、視頻傳輸、燈光照明控制、環(huán)境檢測(cè)等功能為一體的多功能智能遙感探測(cè)車(chē)。該車(chē)以WiFi網(wǎng)絡(luò)為視頻傳輸平臺(tái)，以高速M(fèi)CU為數(shù)據(jù)處理中心，通過(guò)Andorid手機(jī)等設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制和顯示，并能對(duì)其功能實(shí)現(xiàn)拓展[3-4]。
1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)
　為實(shí)現(xiàn)通過(guò)嵌入式手機(jī)平臺(tái)遠(yuǎn)程控制智能探測(cè)車(chē)，并把視頻信號(hào)通過(guò)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)傳回手機(jī)，在手機(jī)屏幕上實(shí)時(shí)顯示，直觀地掌握現(xiàn)場(chǎng)信息。同時(shí),多個(gè)傳感檢測(cè)電路能更全面地獲取環(huán)境參數(shù)，所采集的環(huán)境數(shù)據(jù)通過(guò)車(chē)載LCD顯示器顯示,并儲(chǔ)存到存儲(chǔ)器內(nèi)，以便后期進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。本設(shè)計(jì)確立了包括以單片機(jī)為核心的驅(qū)動(dòng)與檢測(cè)系統(tǒng)、車(chē)內(nèi)的無(wú)線信息傳輸系統(tǒng)以及手機(jī)控制端系統(tǒng)三個(gè)主要模塊,其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖設(shè)計(jì)如圖1所示。其中，手機(jī)控制端與無(wú)線路由設(shè)備通信發(fā)送控制信息，接收與顯示視頻信息；無(wú)線路由設(shè)備作為手機(jī)與單片機(jī)的信息傳輸媒介;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)伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)以及檢測(cè)、存儲(chǔ)、顯示環(huán)境參數(shù)。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)
    該探測(cè)車(chē)的硬件主要由車(chē)體部分、驅(qū)動(dòng)模塊、電源模塊、主控制器模塊、傳感器檢測(cè)系統(tǒng)、車(chē)載無(wú)線信息傳輸模塊、手機(jī)控制端以及LCD顯示電路等構(gòu)成。其中,車(chē)體部分主要由4個(gè)車(chē)輪直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)和可充電的鋰電池組構(gòu)成；LCD顯示電路由LPH7366LCD構(gòu)成。本文主要介紹驅(qū)動(dòng)模塊、電源模塊、主控制器模塊、傳感器檢測(cè)系統(tǒng)、車(chē)載無(wú)線信息傳輸模塊等模塊。
2.1 電源模塊
    為防止電機(jī)類負(fù)載對(duì)單片機(jī)及其他集成芯片造成干擾，需要分開(kāi)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2所示。其中直流電機(jī)直接接入鋰電池12 V直流電壓;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5 V電壓供電。為獲得穩(wěn)定的5 V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(kāi)關(guān)型降壓穩(wěn)壓管，其輸出端接一個(gè)68 ?滋H的電感儲(chǔ)能和一個(gè)二極管給電感續(xù)流。

2.2 主控制器模塊
    主控模塊上連無(wú)線路由,下接各驅(qū)動(dòng)與檢測(cè)電路,是系統(tǒng)控制與數(shù)據(jù)處理的核心。本文采用的是高速、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。
2.3 傳感器檢測(cè)模塊
　    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5 V作為工作電壓和加熱電壓。傳感器輸出的0~5 V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)。
    濕度檢測(cè)以HR202型濕度傳感器為核心,其電路設(shè)計(jì)與氣體濃度檢測(cè)電路類似，但無(wú)需加熱清洗,輸出濕度范圍為20 ％RH～95 ％RH。
2.4 車(chē)載無(wú)線信息傳輸模塊
    車(chē)載無(wú)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0°～180°旋轉(zhuǎn)的、可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離打開(kāi)或關(guān)閉的高質(zhì)量高清的天敏S605型攝像頭。通信接口為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5 V的TP-LINK全新推出的TL-WR703N型迷你3G無(wú)線路由器。
2.5 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)
    伺服電機(jī)本身具備驅(qū)動(dòng)電路，只需要通過(guò)單片機(jī)提供PWM信號(hào)以調(diào)節(jié)其角度即可。但直流電機(jī)和大功率LED燈則需要專門(mén)的驅(qū)動(dòng)電路，因單片機(jī)I/O口驅(qū)動(dòng)能力有限，不足以驅(qū)動(dòng)它們。
2.5.1 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)
    為了確保探測(cè)車(chē)能夠在惡劣的環(huán)境下正常工作，選擇了L298N作為直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的驅(qū)動(dòng)核心。本文采用了二路L298N驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)四路直流電機(jī)，下面以一路進(jìn)行分析,如圖3所示。

    為減少在直流電機(jī)啟動(dòng)時(shí)給單片機(jī)、路由器等電路造成干擾，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，L298N驅(qū)動(dòng)電路采用光耦隔離輸入，并對(duì)+5 V和+12 V電源消除高低頻干擾; 而輸出端接整流二極管(D15-D22)以保護(hù)芯片的輸出端不致因反向電壓過(guò)高而被擊穿。
2.5.2 大功率LED燈驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)
    由于探測(cè)車(chē)經(jīng)常會(huì)工作在黑暗或光線較暗的環(huán)境中，所以一個(gè)大功率LED工作燈必不可少。本文采用一個(gè)額定電流為600~700 mA、功率為3 W的LED作為車(chē)載工作燈，對(duì)其驅(qū)動(dòng)采用額定電流為350 mA的AMC7135恒流驅(qū)動(dòng)芯片, 故應(yīng)采用2塊AMC7135并聯(lián)以獲得700 mA左右的恒定電流，如圖4所示。

    為實(shí)現(xiàn)手機(jī)無(wú)線方式控制工作燈的開(kāi)關(guān)，采用繼電器控制方式以連通與斷開(kāi)驅(qū)動(dòng)芯片。在單片機(jī)控制I/O口與繼電器K1間接入一個(gè)ULN2003用于驅(qū)動(dòng)繼電器。
3 軟件設(shè)計(jì)
    軟件部分是探測(cè)車(chē)智能化的體現(xiàn)，它控制智能探測(cè)車(chē)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，此部分在路由器刷機(jī)部分完成，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)控制車(chē)體運(yùn)動(dòng)等;下位機(jī)軟件通過(guò)接收來(lái)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。圖5是未考慮中斷的情況下的數(shù)據(jù)控制流向流程圖，它表明了通過(guò)軟件控制的從手機(jī)控制端到無(wú)線路由器再到單片機(jī)與具體電路的數(shù)據(jù)流向。可見(jiàn)，系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)過(guò)程較為復(fù)雜, 因此本文主要介紹通信協(xié)議和上位機(jī)的開(kāi)發(fā)。

3．1 串口通信協(xié)議
      本設(shè)計(jì)通過(guò)單片機(jī)串口與無(wú)線路由器建立通信。上位機(jī)發(fā)送命令數(shù)據(jù)包到路由器，路由器通過(guò)解包把數(shù)據(jù)包解開(kāi)，通過(guò)串口發(fā)送到單片機(jī)并通過(guò)控制模塊執(zhí)行相關(guān)操作[5]。
      因單字符通信方式干擾較大,上位機(jī)采用數(shù)據(jù)包格式傳送指令。格式如下:包頭標(biāo)志位、功能控制位以及包尾標(biāo)志位。其中包頭為0XFF，包尾用0XFF，無(wú)校驗(yàn)位; 每進(jìn)行一次操作,傳輸一個(gè)數(shù)據(jù)包。單片機(jī)與無(wú)線路由設(shè)備通信的通信協(xié)議如表1所示。

3．3 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)
    下位機(jī)即以單片機(jī)為核心的驅(qū)動(dòng)與檢測(cè)系統(tǒng)，其主要功能是接收來(lái)自路由器轉(zhuǎn)發(fā)的上位機(jī)命令，實(shí)現(xiàn)環(huán)境參數(shù)的探測(cè)、存儲(chǔ)和顯示,控制攝像頭云臺(tái)方位、電機(jī)轉(zhuǎn)向車(chē)燈等。其程序主要包括初始化、定時(shí)器設(shè)置、串口通信與中斷、云臺(tái)方位控制、環(huán)境參數(shù)探測(cè)、存儲(chǔ)和顯示，歷史數(shù)據(jù)的調(diào)用與回放等子程序。限于文章篇幅,這里不再贅述。
4 調(diào)試結(jié)果
　對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的調(diào)試與性能測(cè)試表明,該視頻探測(cè)車(chē)在Andorid手機(jī)終端的控制下能前后左右地運(yùn)動(dòng)；伺服電機(jī)能帶動(dòng)攝像頭左右旋轉(zhuǎn)180°和仰、俯視全方位地采集圖像信息；濃度和濕度檢測(cè)電路也能快速、準(zhǔn)確地獲取環(huán)境參數(shù)信息，并能查看歷史數(shù)據(jù)；大功率LED工作燈在也能按需正常地工作，各項(xiàng)性能完全符合設(shè)計(jì)的要求。
    同時(shí)，該探測(cè)車(chē)穩(wěn)定性良好，無(wú)線交互式操作操控的靈敏度高，獲取的實(shí)時(shí)視頻信息清晰、流暢，檢測(cè)的環(huán)境參數(shù)準(zhǔn)確，其各項(xiàng)性能完全符合設(shè)計(jì)的要求。本設(shè)計(jì)提供的解決方案不僅僅局限于探測(cè)車(chē)，只需要稍做修改便可應(yīng)用于多種遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。
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