摘  要: 設(shè)計了一種基于Android手機平臺控制,、以單片機為驅(qū)動核心處理器、利用無線WiFi進行視頻傳輸與接收,、能實時地將攝像頭拍攝到的圖像傳輸至手機的通信終端,，并能對環(huán)境溫度、濕度等多項參數(shù)進行時探測,、存儲和顯示的多功能探測車,。該探測車能替代人工工作,應(yīng)用在坑道探測、救援,、搜捕,、排雷、輻射等有害與危險場合,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,； 視頻傳輸,； 傳感檢測

    Android是由谷歌公司開發(fā)的移動智能終端操作系統(tǒng)，與其他系統(tǒng)相比具有真正開放,、應(yīng)用程序相互平等和應(yīng)用程序之間溝通無界限等無法比擬的優(yōu)勢,。在Android平臺下開發(fā)應(yīng)用程序,不僅能較方便地實現(xiàn)應(yīng)用程序間的數(shù)據(jù)共享,還可通過移動通信連接到網(wǎng)絡(luò)上，實現(xiàn)數(shù)據(jù),、應(yīng)用等資源共享[1],。
    WiFi作為一種無線局域網(wǎng)運用技術(shù)，憑借其組網(wǎng)方便,、易于擴展以及高速傳輸?shù)葍?yōu)點,，得到廣泛應(yīng)用[2]。WiFi技術(shù)與探測車的有機結(jié)合產(chǎn)生了集無線通信,、視頻傳輸、燈光照明控制,、環(huán)境檢測等功能為一體的多功能智能遙感探測車,。該車以WiFi網(wǎng)絡(luò)為視頻傳輸平臺，以高速MCU為數(shù)據(jù)處理中心,，通過Andorid手機等設(shè)備進行遠(yuǎn)程控制和顯示,，并能對其功能實現(xiàn)拓展[3-4]。
1 系統(tǒng)方案設(shè)計
　為實現(xiàn)通過嵌入式手機平臺遠(yuǎn)程控制智能探測車,，并把視頻信號通過無線通信網(wǎng)絡(luò)傳回手機,，在手機屏幕上實時顯示,，直觀地掌握現(xiàn)場信息。同時,多個傳感檢測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)通過車載LCD顯示器顯示,并儲存到存儲器內(nèi),，以便后期進行數(shù)據(jù)分析。本設(shè)計確立了包括以單片機為核心的驅(qū)動與檢測系統(tǒng),、車內(nèi)的無線信息傳輸系統(tǒng)以及手機控制端系統(tǒng)三個主要模塊,其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖設(shè)計如圖1所示,。其中，手機控制端與無線路由設(shè)備通信發(fā)送控制信息,，接收與顯示視頻信息,；無線路由設(shè)備作為手機與單片機的信息傳輸媒介;以單片機為核心的驅(qū)動與檢測系統(tǒng)則根據(jù)控制信息驅(qū)動伺服電機轉(zhuǎn)動以及檢測、存儲,、顯示環(huán)境參數(shù),。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計
    該探測車的硬件主要由車體部分、驅(qū)動模塊,、電源模塊,、主控制器模塊、傳感器檢測系統(tǒng),、車載無線信息傳輸模塊,、手機控制端以及LCD顯示電路等構(gòu)成。其中,車體部分主要由4個車輪直流驅(qū)動電機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)動模塊、電源模塊,、主控制器模塊,、傳感器檢測系統(tǒng)、車載無線信息傳輸模塊等模塊,。
2.1 電源模塊
    為防止電機類負(fù)載對單片機及其他集成芯片造成干擾,，需要分開供電，并要加大容量的濾波電容以及必要的電感等儲能元件,電源設(shè)計如圖2所示,。其中直流電機直接接入鋰電池12 V直流電壓;驅(qū)動攝像頭的MG995型伺服電機,，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)一個極性電容和一個陶瓷電容用于濾除高低頻干擾。對集成電路的供電選用了LM2596開關(guān)型降壓穩(wěn)壓管,，其輸出端接一個68 ?滋H的電感儲能和一個二極管給電感續(xù)流,。

2.2 主控制器模塊
    主控模塊上連無線路由,下接各驅(qū)動與檢測電路,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,、抗干擾能力強的STC12C5608AD單片機,，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,十分適用于電機控制,、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換,、強干擾的場合。對它的設(shè)計主要包括電源電路,、復(fù)位電路和時鐘電路,。
2.3 傳感器檢測模塊
　    氣體濃度檢測采用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模擬信號接單片機P1.7口,經(jīng)單片機內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號,。
    濕度檢測以HR202型濕度傳感器為核心,其電路設(shè)計與氣體濃度檢測電路類似,，但無需加熱清洗,輸出濕度范圍為20 ％RH～95 ％RH。
2.4 車載無線信息傳輸模塊
    車載無線信息傳輸模塊主要由攝像頭,、路由器和云臺構(gòu)成,。攝像頭選擇能滿足上下左右0°～180°旋轉(zhuǎn)的、可實現(xiàn)遠(yuǎn)距離打開或關(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,。云臺由兩個MG995型舵機及其他輔助電路構(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無線路由器,。
2.5 驅(qū)動電路設(shè)計
    伺服電機本身具備驅(qū)動電路，只需要通過單片機提供PWM信號以調(diào)節(jié)其角度即可,。但直流電機和大功率LED燈則需要專門的驅(qū)動電路,，因單片機I/O口驅(qū)動能力有限，不足以驅(qū)動它們,。
2.5.1 直流電機驅(qū)動模塊設(shè)計
    為了確保探測車能夠在惡劣的環(huán)境下正常工作,，選擇了L298N作為直流電機驅(qū)動模塊的驅(qū)動核心。本文采用了二路L298N驅(qū)動電路驅(qū)動四路直流電機,，下面以一路進行分析,如圖3所示,。

    為減少在直流電機啟動時給單片機、路由器等電路造成干擾,，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性,，L298N驅(qū)動電路采用光耦隔離輸入，并對+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)以保護芯片的輸出端不致因反向電壓過高而被擊穿,。
2.5.2 大功率LED燈驅(qū)動模塊設(shè)計
    由于探測車經(jīng)常會工作在黑暗或光線較暗的環(huán)境中,，所以一個大功率LED工作燈必不可少。本文采用一個額定電流為600~700 mA,、功率為3 W的LED作為車載工作燈，對其驅(qū)動采用額定電流為350 mA的AMC7135恒流驅(qū)動芯片, 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,。

    為實現(xiàn)手機無線方式控制工作燈的開關(guān),，采用繼電器控制方式以連通與斷開驅(qū)動芯片。在單片機控制I/O口與繼電器K1間接入一個ULN2003用于驅(qū)動繼電器,。
3 軟件設(shè)計
    軟件部分是探測車智能化的體現(xiàn),，它控制智能探測車所有的運行狀態(tài),主要包括通信協(xié)議，客戶端控制軟件(上位機)和下位機軟件,。其中,路由操作系統(tǒng)采用OpenWrt,，此部分在路由器刷機部分完成，主要完成視頻采集與傳輸?shù)裙δ?上位機軟件控制燈光,、拍照、實時控制車體運動等;下位機軟件通過接收來自上位機的命令，執(zhí)行相應(yīng)操作,。而連接上位機和下位機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，它表明了通過軟件控制的從手機控制端到無線路由器再到單片機與具體電路的數(shù)據(jù)流向,?？梢姡到y(tǒng)軟件設(shè)計過程較為復(fù)雜, 因此本文主要介紹通信協(xié)議和上位機的開發(fā),。

3．1 串口通信協(xié)議
      本設(shè)計通過單片機串口與無線路由器建立通信,。上位機發(fā)送命令數(shù)據(jù)包到路由器，路由器通過解包把數(shù)據(jù)包解開,，通過串口發(fā)送到單片機并通過控制模塊執(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,，無校驗位; 每進行一次操作,傳輸一個數(shù)據(jù)包,。單片機與無線路由設(shè)備通信的通信協(xié)議如表1所示。

3．3 下位機軟件設(shè)計
    下位機即以單片機為核心的驅(qū)動與檢測系統(tǒng),，其主要功能是接收來自路由器轉(zhuǎn)發(fā)的上位機命令,，實現(xiàn)環(huán)境參數(shù)的探測、存儲和顯示,控制攝像頭云臺方位,、電機轉(zhuǎn)向車燈等,。其程序主要包括初始化、定時器設(shè)置,、串口通信與中斷,、云臺方位控制、環(huán)境參數(shù)探測、存儲和顯示,，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
　對整個系統(tǒng)的調(diào)試與性能測試表明,該視頻探測車在Andorid手機終端的控制下能前后左右地運動,；伺服電機能帶動攝像頭左右旋轉(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,，各項性能完全符合設(shè)計的要求,。
    同時，該探測車穩(wěn)定性良好,，無線交互式操作操控的靈敏度高,，獲取的實時視頻信息清晰、流暢,，檢測的環(huán)境參數(shù)準(zhǔn)確,，其各項性能完全符合設(shè)計的要求。本設(shè)計提供的解決方案不僅僅局限于探測車,，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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