采用Cortex-M3單片機設計的WiFi物聯(lián)網(wǎng)小車(chē)

　　WiFi物聯(lián)網(wǎng)小車(chē)設計方案，采用電腦上位機軟件通過(guò)無(wú)線(xiàn)WiFi 控制小車(chē)的運動(dòng)，采集小車(chē)的信息。與傳統的“智能小車(chē)”相比，主要特點(diǎn)在于使用32 位高性能單片機控制、互聯(lián)網(wǎng)通信機制和電腦上位機軟件控制。此方案融合了電腦軟件、網(wǎng)絡(luò )通信、圖像處理、圖形顯示、運動(dòng)控制、速度采集和溫度采集等技術(shù)，具有“物聯(lián)網(wǎng)”的相關(guān)特點(diǎn)。傳統的小車(chē)控制大多使用紅外通信，使用遙控器進(jìn)行控制，不但受到距離的限制，而且遠沒(méi)有電腦軟件直觀(guān)美觀(guān)?；ヂ?lián)網(wǎng)通信使小車(chē)具備遠程控制的能力，這是紅外通信望塵莫及的。此外，本方案小車(chē)控制芯片采用Cortex-M3單片機，該單片機具有極豐富的外設，這給小車(chē)以后功能升級和擴展奠定了基礎。

　　1 總體設計方案

　　WiFi 物聯(lián)網(wǎng)小車(chē)設計方案需要達到的目的是使用電腦軟件(簡(jiǎn)稱(chēng)上位機)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)與小車(chē)控制端(簡(jiǎn)稱(chēng)下位機) 進(jìn)行通信，從而控制小車(chē)的運動(dòng)，采集小車(chē)的速度、溫度以及視頻監控等功能?？傮w設計方案如圖1 所示。圖中有2 種通信模式可選，其中“WiFi 局域網(wǎng)小車(chē)控制”是采用局域網(wǎng)的方式，將上位機、無(wú)線(xiàn)路由器和小車(chē)組成一個(gè)局域網(wǎng)，實(shí)現上位機控制小車(chē)的目的?！盎ヂ?lián)網(wǎng)遠程小車(chē)控制方案”是采用遠程互聯(lián)網(wǎng)的方式，將上位機與小車(chē)組成一個(gè)互聯(lián)網(wǎng)，從而實(shí)現遠程控制小車(chē)的目的。2 種方案的技術(shù)類(lèi)似，由于受到實(shí)驗條件的限制，本設計以局域網(wǎng)小車(chē)控制為例進(jìn)行講解說(shuō)明。

　　圖1 總體方案設計

　　從通信的角度來(lái)講，無(wú)線(xiàn)路由器是上位機和下位機的數據中心，上位機通過(guò)Winsocket 套接字編程創(chuàng )建一個(gè)網(wǎng)絡(luò )接口與路由器進(jìn)行連接，小車(chē)端通過(guò)一個(gè)串口轉WiFi 模塊，將串口數據通過(guò)WiFi 模塊轉換成WiFi 信號與路由器交互。此過(guò)程中，上位機和下位機WiFi 模塊均有一個(gè)獨立的局域網(wǎng)IP 地址。通過(guò)這個(gè)IP 地址上位機和下位機便可以實(shí)現網(wǎng)絡(luò )通信。

　　從控制的角度來(lái)講，上位機是小車(chē)的控制中心，上位機通過(guò)“按鍵”發(fā)出指令給小車(chē)，小車(chē)收到指令后回傳相關(guān)數據給上位機，上位機收到小車(chē)回傳的數據，經(jīng)過(guò)解析，將其顯示出來(lái)。

　　1.1 上位機軟件設計

　　上位機主要功能是控制小車(chē)運動(dòng)，顯示小車(chē)的速度、周?chē)臏囟纫约靶≤?chē)采集的攝像。如圖2 所示，這些功能由2 個(gè)線(xiàn)程來(lái)完成分別是“圖像、聲音處理線(xiàn)程”和“小車(chē)運動(dòng)控制，速度、溫度采集線(xiàn)程”等。前一個(gè)線(xiàn)程主要負責接收并處理有小車(chē)WiFi攝像頭傳過(guò)來(lái)的圖像信息和音頻信息，此部分主要涉及到DirectShow 相關(guān)技術(shù)。后一個(gè)線(xiàn)程主要負責小車(chē)運動(dòng)的控制，包括“前進(jìn)、后退、左轉、右轉、停止、加速、減速、轉向燈和喇叭”以及接收處理小車(chē)回傳的溫度和速度信息等，并用虛擬圖表顯示出來(lái)。上位機軟件2 個(gè)線(xiàn)程都創(chuàng )建了一個(gè)互不相干的套接字，前者用于與小車(chē)WiFi 攝像頭進(jìn)行數據交互，后者用于與小車(chē)串口轉WiFi 模塊進(jìn)行數據交互。

　　圖2 上位機軟件設計方案

　　1.2 下位機軟件設計

　　下位機軟件設計，即Cortex-M3 核心處理器的程序設計，如圖3 所示。設計方案主要包括：攝像的控制、小車(chē)4 個(gè)電機的控制、DS18B20 溫度數據的采集、紅外對管速度模塊數據的采集以及采集到數據后數據的處理打包發(fā)送等內容。其中攝像的控制、電機控制以及溫度和速度的采集均以函數的形式獲取，當下位機收到上位機的相關(guān)命令后，便調用相應的函數獲取到結果后用固定的格式發(fā)送給上位機。

　　圖3 下位機軟件方案

　　下位機實(shí)現WiFi 與無(wú)線(xiàn)路由器通信的核心是串口轉WiFi 模塊，通過(guò)這個(gè)模塊可以將下位機發(fā)送的串口數據直接轉換成WiFi 信號發(fā)射出去。在使用此模塊之前可以通過(guò)多種方式進(jìn)行配置，只要配置好了，便可以與制定的WiFi 接入點(diǎn)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )通信。

　　2 設計方案特點(diǎn)及擴展說(shuō)明

　　2.1 特點(diǎn)介紹

　　本方案是基于將電腦軟件、互聯(lián)網(wǎng)通信以及單片機技術(shù)相結合的理念構想設計的。從單片機的選型、通信方案的確定以及上位機軟件的設計等都與傳統的“智能小車(chē)”有很大的特別之處。以下是本設計方案的3 大特色：

　?、?小車(chē)的控制芯片采用功能強大的Cortex-M332 位高性能、低功耗的處理器，該芯片具有豐富的外設，芯片還支持ARM 公司提供的RLTx 實(shí)時(shí)操作系統，使用起來(lái)非常方便;

　?、?通信方式采用TCP / IP 通信協(xié)議，使用無(wú)線(xiàn)WiFi 技術(shù)，實(shí)現對小車(chē)的控制。此通信方案(如圖1)，在具有私有IP 的情況下可以連接遠程網(wǎng)絡(luò )，可以通過(guò)遠程網(wǎng)絡(luò )遙控小車(chē)，這在“智能家居”和“遠程醫療”等領(lǐng)域將會(huì )有不錯的使用價(jià)值;

　?、?利用電腦上位機管理軟件，使單片機控制、網(wǎng)絡(luò )通信和計算機軟件有效地結合。此方案設計上位機軟件來(lái)管理小車(chē)，符合將復雜的控制簡(jiǎn)單化、界面化的設計理念。　　2.2 擴展說(shuō)明

　　Cortex-M3 單片機強大豐富的外設資源為本設計的擴展奠定了強大的基礎。除了已實(shí)現的功能外，單片機還剩下2 個(gè)串口未用，這使小車(chē)還可以添加如下功能：GPS 導航功能、語(yǔ)音功能以及GSM/GPRS 發(fā)短信、打電話(huà)和無(wú)線(xiàn)上網(wǎng)功能。

　　3 方案難點(diǎn)及關(guān)鍵技術(shù)

　　方案難點(diǎn)有：

　?、?上位機控制小車(chē)的運動(dòng)對實(shí)時(shí)性的要求很高，而采集小車(chē)的速度并用表盤(pán)顯示出來(lái)，這對通信的穩定性又提出了要求，而對于本來(lái)就存在延時(shí)的TCP / IP 通信來(lái)說(shuō)更是難上加難;

　?、?圖像處理主要是借鑒網(wǎng)上DirectShow 開(kāi)發(fā)指南中提供的技術(shù)，很多內部的處理機制和信號過(guò)濾器的使用是難點(diǎn);

　?、?上位機速度表盤(pán)顯示速度不連貫，偶爾還有“卡死”的現象。

　　關(guān)鍵技術(shù)有：① 通信協(xié)議的制定;② 下位機采集并處理信息的方法;③ 上位機套接字編程，速度表盤(pán)動(dòng)態(tài)顯示速度;④ 上位機顯示小車(chē)監控視屏;⑤ 小車(chē)作為WiFi 接入點(diǎn)接入網(wǎng)絡(luò )。

　　4 系統仿真結果分析

　　4.1 WiFi 物聯(lián)網(wǎng)小車(chē)整體外觀(guān)

　　小車(chē)整體外觀(guān)如圖4 和圖5 所示，系統由上位機和小車(chē)組成，小車(chē)控制電路放在小車(chē)上。小車(chē)控制器主要包括：電機控制、測速、測溫、通信、圖像采集和無(wú)線(xiàn)路由等。

　　圖4 WiFi 物聯(lián)網(wǎng)小車(chē)

　　圖5 小車(chē)俯視圖

　　4.2 系統整體調試

　　WiFi 物聯(lián)網(wǎng)小車(chē)控制系統上位機界面主要包括：網(wǎng)絡(luò )設置、功能設置、視屏監控區、運動(dòng)控制區、速度顯示區、溫度顯示區以及調試窗口。網(wǎng)絡(luò )設置用于上位機與小車(chē)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )連接，輸入小車(chē)IP 地址，點(diǎn)擊“連接”即可。視頻監控功能需要小車(chē)端安裝WiFi攝像頭，通過(guò)點(diǎn)擊視頻顯示框下面的“Call”按鈕可以連接WiFi 攝像頭的IP 地址，連接成功即可獲取攝像頭采集到的圖像。運動(dòng)控制區用于控制小車(chē)的運動(dòng)和顯示小車(chē)的轉向燈、喇叭等。速度顯示區是一個(gè)速度表盤(pán)用于顯示小車(chē)的實(shí)時(shí)速度。溫度顯示區是一個(gè)溫度計的圖形界面，可以顯示小車(chē)上DS18B20 傳感器的溫度值。通信調試窗口在調試程序時(shí)使用。

　　4.2.1 網(wǎng)絡(luò )連接

　　網(wǎng)絡(luò )連接調試使用網(wǎng)上下載的TCP網(wǎng)絡(luò )調試助手，首先設置TCP調試助手為服務(wù)器模式，設置服務(wù)器監聽(tīng)IP為192.168.16.110,端口設為345，連接網(wǎng)絡(luò )，此IP 地址和端口號是UART 轉WiFi 模塊的IP地址和端口號，通過(guò)單片機用AT 指令設定。網(wǎng)絡(luò )連接成功后，小車(chē)上位機會(huì )不斷的發(fā)送“014,SR1,TE1,029.6”,表示小車(chē)端當前的溫度是29.6 ℃。

　　4.2.2 小車(chē)運動(dòng)

　　小車(chē)運動(dòng)控制部分的調試同樣采用上位機和TCP 網(wǎng)絡(luò )調試助手進(jìn)行調試。連接好網(wǎng)絡(luò )后，在上位機上分別點(diǎn)擊“↑”,“↓”,“←”,“→”,“█”,“加速”,“減速”。在調試助手接收窗口上依次接收到“:014,SG1,UP1,;” 、“:014,SG1,DO1,;”、“:014,SG1, LE1,;”、“: 014, SG1, RI1,;”、“: 014, SG1,ST1,;”、“: 014, SG1, AD1,;” 和“: 014, SG1,SU1,;”,分別表示“前進(jìn)”,“后退”,“左轉”,“右轉”,“停止”,“加速”和“減速”。

　　4.2.3 溫度和速度的顯示

　　溫度和速度的測試直接在小車(chē)的實(shí)際運動(dòng)過(guò)程中進(jìn)行測試。打開(kāi)小車(chē)，連接上位機，用手捂住小車(chē)上的DS18B20,觀(guān)察上位機上溫度顯示區模擬溫度計的度數變化，然后用手轉動(dòng)小車(chē)的輪子觀(guān)察上位機速度顯示區速度表盤(pán)指針的變化，改變溫度和速度的大小，發(fā)現速度表盤(pán)指針和溫度指示相應發(fā)生變化，因此可以判斷溫度和速度的傳輸沒(méi)有問(wèn)題。

　　5 結束語(yǔ)

　　通過(guò)反復調試和修改代碼，可以實(shí)現預想的功能。通信穩定，小車(chē)的控制可靠，數據采集的準確度和靈敏度達到要求。在不涉及到遠程聯(lián)網(wǎng)控制的情況下，系統的穩定性和可靠性已經(jīng)遠遠超過(guò)普通的紅外遙控小車(chē)和無(wú)線(xiàn)射頻遙控小車(chē)。方案的意義在于將電腦軟件技術(shù)、網(wǎng)絡(luò )技術(shù)和單片機技術(shù)有效結合，突出體現并且深化了“物聯(lián)網(wǎng)”的含義，未來(lái)必將廣泛應用于社會(huì )生活和生產(chǎn)中。方案的應用領(lǐng)域主要有無(wú)人駕駛、遠程監控和智能家居等。