基于Wi-Fi技術(shù)的智能控制小車(chē)設計與實(shí)現

　　梁?妍，張天一（鄭州工商學(xué)院，鄭州?450000）

　　摘?要：本文是對Wi-Fi智能電動(dòng)小車(chē)的設計，采用硬件和軟件結合的方式實(shí)現，主要由控制模塊、Wi-Fi信號模塊、驅動(dòng)模塊、攝像模塊等多個(gè)模塊組成。攝像模塊獲取的視頻或圖片信息可以通過(guò)Wi-Fi信號傳送給手機或電腦PC機，而手機或電腦PC端也可以通過(guò)Wi-Fi發(fā)送指令給控制模塊，從而控制驅動(dòng)模塊來(lái)驅使小車(chē)動(dòng)作，最終實(shí)現實(shí)時(shí)監控及精確控制小車(chē)運行的目的。

　　關(guān)鍵詞：Wi-Fi；智能控制；驅動(dòng)模塊；小車(chē)

　　0 引言

　　目前在學(xué)生電子設計競賽中，有關(guān)智能電動(dòng)小車(chē)設計和研究項目非?；馃帷，F在電子市場(chǎng)上的智能小車(chē)，很多是兒童玩具小車(chē)、紅外遙控小車(chē)，或是帶自動(dòng)尋跡、避障功能的小車(chē)，往往存在一些缺陷和漏洞。隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的不斷興起和發(fā)展， Wi-Fi技術(shù)應用愈加廣泛，它是一種無(wú)線(xiàn)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò )傳輸標準，將普通智能小車(chē)加上Wi-Fi技術(shù)是一種綜合性很強的設計。

　　本文是基于Wi-Fi技術(shù)的智能小車(chē)設計，以STM32單片機為控制核心，加裝有攝像頭，可以實(shí)現對小車(chē)的位置、速度、運動(dòng)狀況的實(shí)時(shí)檢測，將檢測的信息通過(guò)Wi-Fi模塊傳送至手機或個(gè)人電腦，可以利用Wi-Fi對小車(chē)控制模塊發(fā)送控制指令，從而控制小車(chē)的運動(dòng)，實(shí)現小車(chē)的智能監測及控制。

　　1 系統總體設計

　　1.1總體設計結構框圖

　　總體設計由嵌入式單片機控制模塊、直流電機驅動(dòng)模塊、路由器模塊、免驅攝像頭模塊等組成，系統結構框圖如圖1所示。

　　Wi-Fi是路由器模塊發(fā)射出的信號，選用wr703n迷你路由器，用于接收手機或電腦發(fā)送的指令，同時(shí)把攝像頭采集的視頻信號傳送到手機或電腦屏幕上；選用嵌入式單片機STM32F103作為控制模塊，是整個(gè)系統的控制核心；4個(gè)直流電機由L298N芯片驅動(dòng)轉動(dòng)，驅動(dòng)芯片可以使直流電機正轉、反轉，進(jìn)而驅動(dòng)智能小車(chē)進(jìn)行前進(jìn)、后退、左轉、右轉等動(dòng)作；攝像頭的安裝為智能小車(chē)提供了視野角度，攝像頭采集的視頻通過(guò)Wi-Fi信號發(fā)送到手機或電腦屏幕上，從而讓智能小車(chē)在復雜的環(huán)境下來(lái)去自如；LED的設計可以用于提示作用，當電源通電以后，LED燈發(fā)出亮光并進(jìn)行花樣閃爍；智能小車(chē)進(jìn)行不同的運動(dòng)，LED燈都有對應的提示，使得小車(chē)的運動(dòng)更加完善；電源模塊為整個(gè)系統提供能量。

　　1.2 整機工作原理

　　智能電動(dòng)小車(chē)的工作原理是手機或電腦上的APP軟件發(fā)布指令控制小車(chē)運動(dòng)。當路由器正常工作并發(fā)射出Wi-Fi信號時(shí)，手機或電腦連接Wi-Fi信號，使得手機或電腦和路由器的IP地址在同一網(wǎng)段并進(jìn)行正常的通信；打開(kāi)手機或電腦上的小車(chē)APP軟件發(fā)送控制指令，控制指令通過(guò)Wi-Fi信號發(fā)給路由器；路由器接收到手機或電腦的控制指令后，通過(guò)串口將信號傳送至單片機，由單片機進(jìn)行分析、處理，而單片機處理后的電平信號轉化成控制指令傳遞給驅動(dòng)模塊，驅動(dòng)模塊做出相應的指令來(lái)驅動(dòng)直流電機的轉動(dòng)，以完成智能電動(dòng)小車(chē)的前進(jìn)、后退、轉彎的功能；當智能小車(chē)轉動(dòng)時(shí)，LED燈根據小車(chē)運動(dòng)的方向做出相應的提示。攝像頭的作用是為小車(chē)運動(dòng)采集信息，攝像頭采集視頻之后通過(guò)Wi-Fi信號發(fā)送到手機或電腦的屏幕上，通過(guò)觀(guān)察屏幕上的視頻讓智能小車(chē)運動(dòng)自如。

　　2 硬件電路設計

　　2.1 主控制模塊

　　主控制模塊選用的芯片為STM32F103C8T6，是一款低功耗的控制器。本次設計用路由器的串口和單片機的串口之間相互通信，路由器將接收到的控制指令通過(guò)串口通信發(fā)送到單片機上，讓單片機做出相應的指令反饋從而實(shí)現智能小車(chē)的運動(dòng)。

　　最小系統是基本的功能單元，由微控制芯片、時(shí)鐘電路、復位電路、電源電路、啟動(dòng)配置電路和程序下載電路組成。電源電路是必不可少的部分。時(shí)鐘電路是單片機必須具備的電路設計，它影響著(zhù)單片機是否正常運行。時(shí)鐘電路為單片機提供時(shí)鐘信號，配合單片機程序，使得單片機有節奏地控制各個(gè)電路部件。單片機的復位就是讓電路恢復到一個(gè)初始狀態(tài)，并確保單片機的穩定性和可靠性。啟動(dòng)模式由BOOT0和BOOT1來(lái)選擇，有3種不同啟動(dòng)模式。程序下載主要用于芯片測試。

　　時(shí)鐘電路采用的是內部時(shí)鐘方式，需要在XTAL1引腳和XTAL2引腳兩端連接一個(gè)8 MHz的晶振和兩個(gè)20pF的電容組成時(shí)鐘電路，為整個(gè)系統提供了穩定的時(shí)鐘信號源。復位電路中，使用10 kΩ的電阻、104 F的電容和一個(gè)按鍵來(lái)實(shí)現。

　　2.2 供電電源模塊

　　電源模塊為整個(gè)設計提供能源。本文設計中控制電路部分使用+3.3 V直流供電，電機驅動(dòng)模塊使用的有+5V和+12 V的直流電源，+12 V的電壓可以由電池組獲得，而+3.3 V和+5 V電源可以由電路轉換得到，設計中的5 V供電電源模塊電路圖如圖2所示，3.3 V電源電路如圖3所示。

　　2.3 路由器Wi-Fi設定模塊

　　本設計應用的Wi-Fi信號是由體積非常小的wr703n迷你路由器提供的。選用的是迷你型3G無(wú)線(xiàn)路由器TL-WR703N，可以輕松將3G網(wǎng)絡(luò )轉為Wi-Fi信號，使筆記本電腦以及智能手機用戶(hù)通過(guò)Wi-Fi共享3G網(wǎng)絡(luò )，使用時(shí)只需將3G上網(wǎng)卡插上TL-WR703N的USB接口，Wi-Fi上網(wǎng)就可以變得輕松自如。

　　本設計無(wú)需使用上網(wǎng)卡，只是借助于無(wú)線(xiàn)路由器的Wi-Fi功能，讓手機或電腦通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )控制小車(chē)；使用方便，只需要進(jìn)行簡(jiǎn)單的路由器刷機和網(wǎng)絡(luò )配置，就可以將一個(gè)穩定視頻信號通過(guò)Wi-Fi傳送到控制終端上。

　　2.3.1 路由器刷機

　　wr703n迷你路由器可以支持Linux操作系統。它的系統就是嵌入在Linux系統上開(kāi)發(fā)的，可以說(shuō)它的底層就是Linux操作系統，而Linux操作系統是一個(gè)開(kāi)源的操作系統，從而使路由器的功能更加強大。本次的設計需要掛載攝像頭，所以wr703n迷你路由器原有的系統要升級為開(kāi)源的、可編譯的操作系統，這樣才能使達到本次設計的可擴展性。

　　2.3.2 刷機過(guò)程

　　wr703n迷你路由器刷機是需要有網(wǎng)絡(luò )和Linux操作系統基礎的。首先，在openwrt官網(wǎng)上下載openwrt-ar71xx-generic-tl-wr703n-v1-squashfs-factory.bin文件；下一步，進(jìn)入路由器管理界面，出廠(chǎng)配置為http://192.168.1.1，用戶(hù)名和密碼均為admin，然后進(jìn)入固件更新，選擇下載的文件，然后更新；升級完之后，對路由器進(jìn)行初始配置，OpenWrt官方的固件是不帶網(wǎng)頁(yè)界面的，所以初始的網(wǎng)絡(luò )設定需要在命令行下完成；網(wǎng)絡(luò )配置完之后，需要在路由器上安裝攝像頭的驅動(dòng)，從而進(jìn)行掛載攝像頭。插上免驅攝像頭，用手機或電腦連上路由器的Wi-Fi，打開(kāi)控制小車(chē)的APP軟件，然后打開(kāi)視頻，這時(shí)可以看到一個(gè)穩定視頻信號通過(guò)Wi-Fi傳送到了控制終端上，至此說(shuō)明路由器刷機及其配置完成。

　　2.3.3 路由器的串口通信

　　串口通信設計部分是通過(guò)路由器的串口和單片機的串口相互通信，進(jìn)而實(shí)現路由器和單片機的數據傳輸。路由器需要引出GND、TX、RX三條串口線(xiàn)，路由器電路板上的TP-IN接到串口線(xiàn)的TX，TP-OUT接到串口線(xiàn)的RX，從USB焊點(diǎn)處引出一條GND線(xiàn)。連接圖如圖4所示。

　　2.4 攝像模塊

　　本設計中需要在路由器上掛載攝像頭，以判斷路況，實(shí)時(shí)檢測小車(chē)的行駛狀態(tài)。

　　攝像頭有數字式的和模擬式的，本次設計選用的是數字攝像頭，重要組成部分是鏡頭、圖像傳感器和DSP控制芯片。它支持OPENWRT系統，為YUV/MJPG動(dòng)態(tài)格式輸出，是一種免驅動(dòng)攝像頭，可以將其連接到所支持的操作系統平臺上。攝像頭在系統上自動(dòng)配置驅動(dòng)，且具有30萬(wàn)像素，640×480分辨率，能夠滿(mǎn)足本設計需要。

　　本設計將攝像頭掛載到路由器上，通過(guò)攝像頭的USB接口連接在路由器上，在路由器上安裝攝像頭所需要的驅動(dòng)軟件，讓攝像頭正常工作，將其采集到的數字圖像信號通過(guò)路由器傳送給單片機進(jìn)行處理，處理后的視頻信號通過(guò)路由器Wi-Fi信號發(fā)送出去，而手機或電腦連上智能小車(chē)的專(zhuān)屬Wi-Fi，并打開(kāi)小車(chē)APP軟件，從而接收到視頻信號，實(shí)現實(shí)時(shí)狀況監測。

　　2.5 電機驅動(dòng)模塊

　　電機驅動(dòng)模塊中的電機選用的是直流電機，采用L298N驅動(dòng)芯片作為電機驅動(dòng)模塊的核心部件。L298N內部有兩個(gè)全雙橋的H型驅動(dòng)電路，是一種二相和四相電機的專(zhuān)用驅動(dòng)集成電路，該芯片驅動(dòng)電流大，抗噪能力強，完全滿(mǎn)足本設計需要。

　　本次設計采用直流電機并聯(lián)的方式，用一個(gè)L298N芯片驅動(dòng)4臺直流電機，其輸入端可以直接和單片機的I/O口相連，實(shí)現對電機轉動(dòng)的方向的控制。驅動(dòng)芯片L298N的使能端ENA和ENB接5 V電源，由IN1～IN4組合控制電機的正轉、反轉和停止。電路中使用8只整流二極管構成保護電路。電機驅動(dòng)電路原理如圖5所示。

　　電機的驅動(dòng)狀態(tài)通過(guò)單片機輸出信號，即L298N的輸入信號來(lái)控制。由使能端ENA、輸入信號IN1和IN2控制電機M1/M3；使能端ENB、IN3和IN4控制電機M2/M4。在設計中ENA和ENB接5 V電源，為高電平，因此只需控制IN1～IN4控制電機的狀態(tài)即可。具體的電機驅動(dòng)狀態(tài)如表1所示。

　　當兩個(gè)控制信號同時(shí)為低電平或同時(shí)為高電平時(shí)，電機都不能轉動(dòng)；只有一個(gè)為高電平，一個(gè)為低電平時(shí)，電機才能轉動(dòng)，并且輸入的低電平和高電平順序不一樣轉動(dòng)的方向也就不一樣，從而實(shí)現小車(chē)的轉向控制。

　　2.6 LED指示電路

　　LED指示電路圖如圖6所示。本次設計LED的作用是當電源通電以后，LED先閃爍3次，然后四排燈依次流水式亮起，既起到電源通電提示作用，又可以實(shí)現流水燈的效果，還可以作為小車(chē)運動(dòng)的指示燈，使得相應的前后左右排燈亮起。

　　3 軟件設計

　　3.1 軟件設計的結構

　　本設計的系統程序包括顯示程序、電機驅動(dòng)程序、串口中斷程序、主程序和小車(chē)運動(dòng)控制程序等?？刂萍帮@示程序流程圖如圖7所示。軟件編程是在Keil平臺應用C語(yǔ)言來(lái)實(shí)現的。

　　3.2 智能小車(chē)APP軟件

　　本設計是用手機控制小車(chē)運動(dòng)，因此在手機端需有APP軟件，設計中采用已有的軟件，通過(guò)手機的控制，最終可以實(shí)現小車(chē)的前后左右的運動(dòng)功能，還可以實(shí)時(shí)查看視頻。手機APP軟件設置如圖8所示，手機APP軟件控制如圖9所示。

　　4 結論

　　本設計是基于STM32單片機的智能電動(dòng)小車(chē)，項目上增加了Wi-Fi模塊，使得智能小車(chē)的控制更加完善。通過(guò)迷你路由器，Wi-Fi的覆蓋面積增大，使得手機或電腦控制性能增強。安裝攝像頭讓小車(chē)的運動(dòng)具有實(shí)時(shí)監控性，讓小車(chē)運動(dòng)更加靈活。攝像頭的使用更有利于小車(chē)避障、尋軌等。經(jīng)過(guò)軟硬件相結合的設計，最終實(shí)現了預計的功能。該系統設計簡(jiǎn)單，控制精度高，并且擴展性好，可以應用于車(chē)間、路面的實(shí)際情況監控等場(chǎng)合，也可以作為智能小車(chē)進(jìn)一步研究的平臺，具有一定的實(shí)際意義。

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　　本文來(lái)源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2019年第10期第77頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。