基于WiFi的可實(shí)時(shí)視頻同傳的探測小車(chē)

摘要：為了在高溫、有毒等特定環(huán)境下進(jìn)行視頻圖像數據、氣體參數等環(huán)境狀態(tài)的檢測，本文設計一種基于單片機的可實(shí)時(shí)視頻同傳的探測小車(chē)。Windows監控端通過(guò)DB120無(wú)線(xiàn)路由器與單片機STC89C52控制中心通信，發(fā)送控制信號給電機驅動(dòng)模塊L298N、LED模塊，實(shí)現小車(chē)轉向、進(jìn)退及燈光的控制;攝像頭模塊、溫度傳感器模塊進(jìn)行視頻數據、溫度數據的采集，并實(shí)時(shí)回傳給Windows監控端。

引言

隨著(zhù)自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，智能控制廣泛應用在軍事、科研、民用領(lǐng)域。無(wú)線(xiàn)探測小車(chē)集成了電子、機械、通信、傳感器、計算機軟硬件、人工智能及自動(dòng)控制等多方面的技術(shù)。此外，其成本低、體積小、操作簡(jiǎn)單，能較好地應用在勘探、環(huán)境監測等應用。本文旨在設計一種能在高溫、有毒等特定環(huán)境下，進(jìn)行遠距離無(wú)線(xiàn)遙控以及攝像、測溫探測的單片機小車(chē)控制系統。

1 系統總體方案設計

本項目設計的是集單片機控制模塊、攝像模塊、溫度傳感器模塊、照明模塊及路由模塊為一體，可實(shí)時(shí)視頻傳輸及環(huán)境探測的探測小車(chē)，其系統硬件結構框圖如圖1 所示。探測小車(chē)以單片機芯片STC89C52為控制中心，電機驅動(dòng)模塊L298N進(jìn)行小車(chē)直流電機的驅動(dòng)控制，溫度傳感器進(jìn)行外部環(huán)境的檢測，攝像頭模塊進(jìn)行視頻圖像的采集，LED模塊進(jìn)行照明，并通過(guò)無(wú)線(xiàn)WiFi路由模塊實(shí)現Windows控制端與小車(chē)的無(wú)線(xiàn)通信。

2 硬件設計及選型

硬件部分主要采用市場(chǎng)上比較流行、穩定性高且性?xún)r(jià)比高的模塊，此外，大部分模塊都組裝簡(jiǎn)單、升級方便、可移植性強，便于項目的開(kāi)發(fā)及后續升級維護。例如，攝像頭可通過(guò)USB接口直接連到路由器上，無(wú)需單片機轉發(fā)，簡(jiǎn)化了視頻流的傳輸。

2.1 電機驅動(dòng)模塊

電機驅動(dòng)模塊選用L298N，可接收標準的TTL邏輯電平信號，可驅動(dòng)46 V/2A以下的電機。其驅動(dòng)模塊原理圖如圖2所示，L298N輸入電壓是12V，L298N的OUT1、OUT2和OUT3、OUT4之間分別接2個(gè)電機，本項目可直接使用單片機的I/O輸入口Port1～Port4，APWM、B PWM改變L298N的IN1、IN2、IN3、IN4引腳及ENA、ENB使能端，從而分別實(shí)現控制電機的正反轉及停止功能。

2.2 無(wú)線(xiàn)WiFi路由模塊

無(wú)線(xiàn)WiFi路由模塊采用的是DB120路由器，此路由器是OpenWRT系統，刷機升級十分簡(jiǎn)單。本項目可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò )下載，在同一網(wǎng)段內通過(guò)瀏覽器登錄192.168.1.1，選擇“0829-openwrt-rc6-RG100A_DB120-squashfs-cfe.bin”版本的固件進(jìn)行燒錄。固化后，該路由模塊可作為轉發(fā)站，實(shí)現USB攝像頭的加載及與單片機的串行通信。

2. 3 攝像頭模塊

本項目選用中星微301主控芯片的USB攝像頭模塊，通過(guò)簡(jiǎn)單的路由設置就能快速實(shí)現攝像頭的掛載。掛載成功后，可通過(guò)路由器的WiFi轉發(fā)攝像頭的動(dòng)態(tài)視頻至Windows控制端。

2.4 溫度傳感器模塊

本項目選用DALLAS公司生產(chǎn)DS18B20的一線(xiàn)式溫度傳感器，進(jìn)行外部環(huán)境數據的監測，其線(xiàn)路簡(jiǎn)單，僅有GND、DQ、VDD三個(gè)引腳。其中，DQ為數字信號輸入/輸出端，GND為電源地，VDD為外接供電電源輸入端。

3 軟件設計

本項目中，用戶(hù)監控端與探測小車(chē)通過(guò)WiFi路由進(jìn)行數據傳輸，因此，開(kāi)發(fā)人員在軟件設計與實(shí)現過(guò)程中需要對小車(chē)進(jìn)行控制編程、監控視頻動(dòng)態(tài)顯示、控制界面GUI設計及網(wǎng)絡(luò )編程(Socket編程)。

項目開(kāi)發(fā)過(guò)程中，選用Keil C51開(kāi)發(fā)環(huán)境，對探測小車(chē)進(jìn)行軟件編程，實(shí)現對外部環(huán)境的測溫及小車(chē)電機的控制;選用編程簡(jiǎn)單靈活、可移植性強的QT開(kāi)發(fā)環(huán)境，進(jìn)行Wind ows控制端的GUI設計、Socket編程及視頻動(dòng)態(tài)顯示。此外，還選用了單片機多功能調試助手軟件、TCPUDP—Debug軟件進(jìn)行單片機的通信測試。

3.1 小車(chē)電機控制編程

進(jìn)行電機驅動(dòng)模塊L298N的電路連線(xiàn)，Port1～Port4分別為P2^0～P2^3，查閱L298N的數據手冊，對照其邏輯功能表在Keil C51下進(jìn)行電機前進(jìn)、后退、左轉、右轉和停止的編程。編程樣例如下所示：

3.2 Socket編程

探測小車(chē)與路由器通信中，主要用到了QTcpSocket客戶(hù)端和QTcpServer服務(wù)器，其中本項目進(jìn)行監控端Socket編程。按照通信的交互時(shí)序，先創(chuàng )建TcpSocket類(lèi)，然后建立連接。其關(guān)鍵代碼如下：

3.3 監控端GUI設計及視頻動(dòng)態(tài)顯示

進(jìn)行監控端界面設計時(shí)，需考慮到整個(gè)界面的布局及易操作性。本項目選用WebView控件進(jìn)行視頻的顯示;ButtonBox控件作為前后左右等按鈕開(kāi)關(guān);Label控件顯示溫度值、時(shí)間和標題;LineEdit控件作為IP和端口號輸入端。

由于WebView控件只能加載路由轉發(fā)的靜態(tài)圖像，因此，為了實(shí)現監控端實(shí)時(shí)視頻動(dòng)態(tài)顯示，除了進(jìn)行IP地址及端口號綁定設置外，還需要多加一個(gè)定時(shí)器來(lái)動(dòng)態(tài)刷新。以下為關(guān)鍵代碼：

3.4 實(shí)驗結果

通過(guò)軟硬件設計、編程調試及后期功能測試，探測小車(chē)系統能較好地實(shí)現小車(chē)控制、外部環(huán)境監測、視頻實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示、LED照明等功能，整個(gè)控制過(guò)程中，可操作性較強系統啟動(dòng)后，用戶(hù)只需進(jìn)行IP及端口的綁定設置，然后單擊“連接”按鈕;連接成功后，該按鈕將變成“已連接”狀態(tài)且右邊的紅色標識變成綠色，此時(shí)，通過(guò)監控端上的按鈕，用戶(hù)可對小車(chē)進(jìn)行前后左右的控制、開(kāi)關(guān)LED燈、獲取實(shí)時(shí)視頻圖像及外部環(huán)境溫度。Windows監控端如圖3所示。

結語(yǔ)

基于WiFi的實(shí)時(shí)視頻同傳的探測小車(chē)是一個(gè)集單片機、路由器、攝像頭、QT等各種軟硬件于一體的智能化探測小車(chē)系統。本系統只是一個(gè)基礎平臺，包括小車(chē)行走控制、燈光控制、測溫、實(shí)時(shí)視頻傳輸、數據回傳功能，其軟硬件設計簡(jiǎn)潔，開(kāi)發(fā)成本低。在今后的研究中，針對不同的應用及環(huán)境特性，項目研發(fā)人員可以在此基礎上增加相關(guān)模塊功能，如云臺舵機、機械手臂、氣體檢測傳感器模塊，可對外部環(huán)境實(shí)現全方位的視頻監控、危險物品拾取、有毒氣體的預警等。