智能手机远程控制的探测小车设计与实现

2019-04-04康玉忠何拥军曾文权余君

微型电脑应用 2019年3期

康玉忠，何拥军，曾文权，余君

(广东科学技术职业学院 1. 计算机学院；2. 大数据与人工智能学院，珠海 519090)

0 引言

随着移动互联网技术的不断发展，移动智能手机控制技术已经在生活中得到广泛应用[1、2]。多功能智能探测小车以Android手机应用程序APP为客户端，借助WIFI无线通信技术[3-4]，设计制作的移动小车作为服务器端接收手机命令信号,分析控制命令，并驱动小车行进，将车载探测采集的数据实时传到手机APP显示。

1 系统设计

1.1 系统硬件结构

系统由S5pv210芯片系统模块、智能手机终端系统模块和WiFi通信系统模块三大部分组成。硬件部分是以S5pv210芯片为核心作为开发平台，任务驱动板集成小车行驶驱动、无线网卡、摄像头以及超声波、温湿度、LED灯和蜂鸣器等组成，开发手机APP、ARM程序以及通信程序，小车实现手机语音、重力遥控、程序定制路径和自动行驶等行走控制，并实现小车探测的数据采集、拍照、照明和警报等功能，系统结构如图1所示。

1.2 系统软件结构

系统以嵌入式Linux为软件开发平台，设有控制服务器和视频服务器。在硬件平台上，车载探测传感器程序控制采集信号，控制服务器主要接受客户端发送的控制请求，并执行采集数据等操作，如小车的行驶方式控制命令、声音交互唤醒命令、舵机转动操控命令、温湿度命令等操作。选用面向连接的、可靠的传输的TCP 协议[5]，利用 socket 网络通信技术(TCP 协议)进行数据传输。设置 mjpg-streamer视频服务器，从摄像头获取视频流，并利用网络(UDP 协议)将视频流发送到客户端，从而达到视频实时监控。系统软件架构如图2所示。

2 行驶驱动电路及程序设计

小车行驶驱动设计采用履带式传动机构，该机构结构稳定，与地面接触面积大，具有良好的越野能力。主控板通过对驱动L298N芯片的控制实现对履带两后轮直流电机的控制，L298N是专门用来驱动两相及四相电机的，它的输入端能够接收标准TTL电平信号，输出端包含两个H桥的大电压大电流双全桥式驱动器。行驶电机驱动电路图如图3所示。

图1 系统结构图

图2 系统软件结构

图3 行驶电机驱动控制电路图

小车的转向控制由控制两个后轮驱动直流电机正反转而控制转向的，其中 OUT1、OUT2 和 OUT3、OUT4 之间分别接小车后轮驱动电动机。IN1、IN2、IN3、IN4 引脚从开发板的 GPIO 接口输入控制电平，电机转动状态编码如表1所示。

表1 小车电机转动状态编码

根据小车电机转动状态编码，分别对INT1、IN2、IN3、IN4给予不同的高低电平，从而控制小车的行驶。

3 车载数据采集

3.1 温湿度传感

探测小车通过接口可灵活加载传感器，如温湿度、瓦斯传感器等，采集数据在手机端进行计算处理、存储、显示、记录等，加载DHT11温湿度采集模块。检测温湿度是采用了DHT11温湿度模块，工作电压3.3-5 V，模板尺寸：3.2 cm*1.4 cm，湿度测量范围为：20%-95%(误差为+-5%)，温度测量范围：0°C -50°C(误差为+-2°C)。在小车上添加温湿度检测功能必须要编写该驱动代码，本小车采用的交叉编译工具链为gcc-4.4.4.tar.bz2，linux内核版本为linux-2.6.35.7-gec-v3.0.3.tar,编写驱动代码。

3.2 云台舵机控制

探测小车的视频采集采用全景360度拍摄，为实现功能由摄像头模块、云台舵机模块组成。

视频采集摄像头模块选择OV9650一款CMOS彩色图像传感器芯片，共有1300×1028像素, CMOS传感器具有低噪声和高灵敏度特点，且集成度高、体积小、功耗低、编程方便、易于控制等优点，接口电路将图像信号进行A/D转换和处理，传送到处理器的CAMIF，微系统核心模块通过I2C串行总线实现对传感器的控制。

云台舵机控制摄像头转动实现全景360度拍摄，采用双轴舵机驱动控制水平方向上旋转和垂直上下仰角转动，云台舵机控制电路图如图4所示。

图4 云台舵机控制电路图

水平舵机采用28BYJ48步进电机驱动，由采用核心板芯片GPIO输出信号经ULN2003芯片驱动电机旋转，程序按步距精确地控制水平转角。转子齿为50齿的四相电机，在八拍运行时，步距角为θ=360度/(50*8)=0.9度，每接收一个脉冲信号转过0.9°。

云台舵机垂直仰角的转动，采用sg90舵机直接连接核心板芯片GPIO，连续的PWM的方波控制信号经sg90舵机内信号调制芯片，获得直流偏置电压，它内部有一个基准电路，产生周期为20 ms，宽度为1.5 ms的基准信号，将获得的直流偏置电压与电位器的电压比较，获得电压差输出，电压差的正负值决定电机的正反转，由内部驱动电路驱动电机旋转，当电机转动带动内部级联减速齿轮旋转，调节电位器电阻值使得电压差为0，舵机停止转动。通过程序使核心板芯片GPIO输出可调占空比PWM的方波来整舵机的垂直转角。

3.3 视频采集

视频采集采用了一种开源视频服务器软件MJPG-streamer 完成多媒体数据的处理及存储，采用的 V4L2 架构采集视频，每采集到一帧数据，就将该数据进行预处理并压缩编码为H.264 格式，然后，选择UDP网络协议传输视频，采用FFmpeg 进行视频格式转换处理，将视频格式进行转化后在手机屏上显示。

基于该软件的特点和体系结构，通过修改MJPG-streamer 的源代码，添加新的功能模块，以增强这款软件的功能。并重新交叉编译后，移植到嵌入式系统中，以实现一个可控制前端设备的基于Arm8 的嵌入式远程视频监控系统。mjpg-streamer源码可以从官网上下：http://sourceforge.net/projects/mjpg-streamer/从官网上获取mjpg-streamer的源码后，通过arm的4.5.1工具链对源码进行交叉编译，把所生产的mjpg-streamer库文件移植到小车的/lib目录上，启动mjpg-streamer服务器./mjpg_streamer -i "./input_uvc.so -y" -o"./output_http.so - w ./www"当视频服务启动完毕后，该服务会不断的采集视频数据并上传到网络中，用户只需要访问该网络的端口与IP地址则能获取图像数据。

4 软件整体设计

手机应用程序利用eclipse开发工具进行研发，Andriod控制软件程序流程如图5所示。

图5 Andriod控制软件程序流程

程序采用多线程的设计模式，UI线程为主线程，子线程分别为视频处理线程和指令数据发送线程。程序开始时设置运行相关参数，以建立客户端与服务器之间的网络连接，如IP地址、端口号，进入主程序，APP数据处理模块利用手机进行采集数据存储、语音识别等处理，进入视频处理子线程，采用UDP协议通信，读取数据缓冲区中的视频数据，由SurfaceView类绘制并实时显示视频。主程序控制UI主线程用于用户交互操作，传送指令或采集数据，当用户触发事件时，监听组件根据响应发送指令子线程，通过Socket发送程序命令控制字(用户的指令意图编制的指令数组数据)，ARM芯片获取及解析指令，输出控制信号并执行相应的操作或采集数据。

4.1 基于TCP协议的Socket编程

在探测小车通信设计中，手机通过WiFi与小车端进行数据传输，从而达到控制小车的行驶和采集数据。采用雷凌RT3070 无线网卡，以AP接入方式组建无线网络，与S5pv210核心板主控制器进行通信，WiFi其覆盖范围半径超过一百米以上，可覆盖无供电、无网络的救援、探测的特殊场所。

在系统中TCP 协议发送由 Socket 套接字编程来实现，应用程序通过“套接字”向移动小车发出指令控制信息或采集数据。服务端与客户端通讯程序的设计流程如图6所示。

图6 Socket编程设计流程

服务器端先初始化Socket，将Socket与端口绑定(bind)，对端口进行监听(listen)，调用accept阻塞，等待客户端连接。客户端初始化Socket，如果有申请连接服务器(connect)，如果建立连接成功，客户端发送数据请求，服务器端接收请求并向客户端发送数据。

4.2 手机软件UI界面设计

手机应用程序利用eclipse开发工具进行研发，手机APP程序通过事件屏幕触发事件向小车硬件发送指令，用户通过小车反馈信息或实际位置，实时操控手机界面进行行驶及测控操作，智能小车手机端操控UI界面如图7所示。

4.3 虚拟摇杆控制

手机上app的界面中定义了一个虚拟摇杆控件，以圆形区域设计摇杆，从45度开始，范围是90度，划一等份，将整个圆形摇杆分为四等份，分别对应左下右上四个方位，当用户在手机屏上触摸虚拟控制摇时，根据触摸区域的座标，调用小车前后左右行走指令，从而控制小车行走。

4.4 语音唤醒操控

开启语音模式适用于繁忙用户，可以直接口述指令集的相应指令就能操控小车，操作简单。用户向手机APP口述相应的指令如表2所示。

程序调用了科大讯飞的语音唤醒开源码，根据用户口述指令，手机程序经语音检测、噪声抑制、特征提取、解码器等模块，识别判断口述的指令结果[8]，手机的语音唤醒功能根据指令结果给小车下达相应的执行命令。

4.5 重力感应操控

开启重力模式时，根据手机app的偏斜角度来实现探测小车的行驶功能。以手机端水平摆放时为标准，当手机前倾、后倾、左右倾时对应前后左右四个方位，从而可以根据手机实时倾斜情况达到探测小车的行驶功能。先在程序中注册一个重力传感器并注册监听器，通过倾斜手机的方向来改变想x,y,z轴的加速度来控制方向，由于智能探测小车只需要实现前后左右4个方向，即不改变z轴加速度的情况下，根据判断x,y轴的加速度来调用的小车的四个方向指令，从而实现小车的行走。