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基于Wi-Fi技術的智能控制小車設計與實現

作者:梁 妍,張天一時間:2019-09-25來源:電子產品世界收藏

  梁?妍,張天一(鄭州工商學院,鄭州?450000)

本文引用地址:http://www.lacomisaria.com/article/201909/405223.htm

  摘?要:本文是對智能電動的設計,采用硬件和軟件結合的方式實現,主要由控制模塊、信號模塊、、攝像模塊等多個模塊組成。攝像模塊獲取的視頻或圖片信息可以通過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Wi-Fi發送指令給控制模塊,從而控制來驅使動作,最終實現實時監控及精確控制運行的目的。

  關鍵詞:Wi-Fi;;;小車

  0 引言

  目前在學生電子設計競賽中,有關智能電動小車設計和研究項目非?;馃帷,F在電子市場上的智能小車,很多是兒童玩具小車、紅外遙控小車,或是帶自動尋跡、避障功能的小車,往往存在一些缺陷和漏洞。隨著無線網絡的不斷興起和發展, Wi-Fi技術應用愈加廣泛,它是一種無線技術和網絡傳輸標準,將普通智能小車加上Wi-Fi技術是一種綜合性很強的設計。

  本文是基于Wi-Fi技術的智能小車設計,以STM32單片機為控制核心,加裝有攝像頭,可以實現對小車的位置、速度、運動狀況的實時檢測,將檢測的信息通過Wi-Fi模塊傳送至手機或個人電腦,可以利用Wi-Fi對小車控制模塊發送控制指令,從而控制小車的運動,實現小車的智能監測及控制。

  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。

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  Wi-Fi是路由器模塊發射出的信號,選用wr703n迷你路由器,用于接收手機或電腦發送的指令,同時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,是整個系統的控制核心;4個直流電機由L298N芯片驅動轉動,驅動芯片可以使直流電機正轉、反轉,進而驅動智能小車進行前進、后退、左轉、右轉等動作;攝像頭的安裝為智能小車提供了視野角度,攝像頭采集的視頻通過Wi-Fi信號發送到手機或電腦屏幕上,從而讓智能小車在復雜的環境下來去自如;LED的設計可以用于提示作用,當電源通電以后,LED燈發出亮光并進行花樣閃爍;智能小車進行不同的運動,LED燈都有對應的提示,使得小車的運動更加完善;電源模塊為整個系統提供能量。

  1.2 整機工作原理

  智能電動小車的工作原理是手機或電腦上的APP軟件發布指令控制小車運動。當路由器正常工作并發射出Wi-Fi信號時,手機或電腦連接Wi-Fi信號,使得手機或電腦和路由器的IP地址在同一網段并進行正常的通信;打開手機或電腦上的小車APP軟件發送控制指令,控制指令通過Wi-Fi信號發給路由器;路由器接收到手機或電腦的控制指令后,通過串口將信號傳送至單片機,由單片機進行分析、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模塊,驅動模塊做出相應的指令來驅動直流電機的轉動,以完成智能電動小車的前進、后退、轉彎的功能;當智能小車轉動時,LED燈根據小車運動的方向做出相應的提示。攝像頭的作用是為小車運動采集信息,攝像頭采集視頻之后通過Wi-Fi信號發送到手機或電腦的屏幕上,通過觀察屏幕上的視頻讓智能小車運動自如。

  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串口通信發送到單片機上,讓單片機做出相應的指令反饋從而實現智能小車的運動。

  最小系統是基本的功能單元,由微控制芯片、時鐘電路、復位電路、電源電路、啟動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。時鐘電路是單片機必須具備的電路設計,它影響著單片機是否正常運行。時鐘電路為單片機提供時鐘信號,配合單片機程序,使得單片機有節奏地控制各個電路部件。單片機的復位就是讓電路恢復到一個初始狀態,并確保單片機的穩定性和可靠性。啟動模式由BOOT0和BOOT1來選擇,有3種不同啟動模式。程序下載主要用于芯片測試。

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

  2.2 供電電源模塊

  電源模塊為整個設計提供能源。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。

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  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無線路由器TL-WR703N,可以輕松將3G網絡轉為Wi-Fi信號,使筆記本電腦以及智能手機用戶通過Wi-Fi共享3G網絡,使用時只需將3G上網卡插上TL-WR703N的USB接口,Wi-Fi上網就可以變得輕松自如。

  本設計無需使用上網卡,只是借助于無線路由器的Wi-Fi功能,讓手機或電腦通過無線網絡控制小車;使用方便,只需要進行簡單的路由器刷機和網絡配置,就可以將一個穩定視頻信號通過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系統上開發的,可以說它的底層就是Linux操作系統,而Linux操作系統是一個開源的操作系統,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 刷機過程

  wr703n迷你路由器刷機是需要有網絡和Linux操作系統基礎的。首先,在openwrt官網上下載openwrt-ar71xx-generic-tl-wr703n-v1-squashfs-factory.bin文件;下一步,進入路由器管理界面,出廠配置為http://192.168.1.1,用戶名和密碼均為admin,然后進入固件更新,選擇下載的文件,然后更新;升級完之后,對路由器進行初始配置,OpenWrt官方的固件是不帶網頁界面的,所以初始的網絡設定需要在命令行下完成;網絡配置完之后,需要在路由器上安裝攝像頭的驅動,從而進行掛載攝像頭。插上免驅攝像頭,用手機或電腦連上路由器的Wi-Fi,打開控制小車的APP軟件,然后打開視頻,這時可以看到一個穩定視頻信號通過Wi-Fi傳送到了控制終端上,至此說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路由器的串口和單片機的串口相互通信,進而實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,路由器電路板上的TP-IN接到串口線的TX,TP-OUT接到串口線的RX,從USB焊點處引出一條GND線。連接圖如圖4所示。

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  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,實時檢測小車的行駛狀態。

  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動態格式輸出,是一種免驅動攝像頭,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配置驅動,且具有30萬像素,640×480分辨率,能夠滿足本設計需要。

  本設計將攝像頭掛載到路由器上,通過攝像頭的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軟件,讓攝像頭正常工作,將其采集到的數字圖像信號通過路由器傳送給單片機進行處理,處理后的視頻信號通過路由器Wi-Fi信號發送出去,而手機或電腦連上智能小車的專屬Wi-Fi,并打開小車APP軟件,從而接收到視頻信號,實現實時狀況監測。

  2.5 電機驅動模塊

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

  本次設計采用直流電機并聯的方式,用一個L298N芯片驅動4臺直流電機,其輸入端可以直接和單片機的I/O口相連,實現對電機轉動的方向的控制。驅動芯片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。電機驅動電路原理如圖5所示。

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  電機的驅動狀態通過單片機輸出信號,即L298N的輸入信號來控制。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控制電機的狀態即可。具體的電機驅動狀態如表1所示。

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

  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,又可以實現流水燈的效果,還可以作為小車運動的指示燈,使得相應的前后左右排燈亮起。

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  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、電機驅動程序、串口中斷程序、主程序和小車運動控制程序等??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語言來實現的。

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  3.2 智能小車APP軟件

  本設計是用手機控制小車運動,因此在手機端需有APP軟件,設計中采用已有的軟件,通過手機的控制,最終可以實現小車的前后左右的運動功能,還可以實時查看視頻。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單片機的智能電動小車,項目上增加了Wi-Fi模塊,使得智能小車的控制更加完善。通過迷你路由器,Wi-Fi的覆蓋面積增大,使得手機或電腦控制性能增強。安裝攝像頭讓小車的運動具有實時監控性,讓小車運動更加靈活。攝像頭的使用更有利于小車避障、尋軌等。經過軟硬件相結合的設計,最終實現了預計的功能。該系統設計簡單,控制精度高,并且擴展性好,可以應用于車間、路面的實際情況監控等場合,也可以作為智能小車進一步研究的平臺,具有一定的實際意義。

  參考文獻

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  本文來源于科技期刊《電子產品世界》2019年第10期第77頁,歡迎您寫論文時引用,并注明出處。



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