基于3D打印的室内视频巡检车设计

陈亚楠 王思媛 张育凤 冯冲 肖瑛

摘要：针对儿童滞留游乐室的情况，本文设计了一款手机遥控的视频巡检车，该车的运动状态可受使用者手机控制并将巡检车所在位置的视频信息传到手机屏幕显示。巡检车外形结构采用3D打印技术设计并加工。视频巡检车控制系统基于STM32F407微控制器设计，巡检车与手机通过WiFi进行数据通信。经测试，巡检车可实现手机遥控功能，并实现对所处位置360°无死角视频监控功能。

关键词： 3D打印; STM32F407; 远程监控

【Abstract】 In view of the situation of children retention in the amusement room，this paper designs a mobile phone remote control video patrol car. The motion state of the car can be controlled by the user's mobile phone and the video information of the location of the patrol car can be transmitted to the mobile phone screen for display. The external structure of the inspection vehicle is designed and processed by 3D printing technology. Video patrol car control system is designed based on STM32F407 micro controller. The data between patrol car and the mobile phone is communicated through WiFi. After testing， the patrol car can realize the remote control function of the mobile phone， and realize the 360 degree no dead angle video monitoring function of the position.

【Key words】  3D printing; STM32F407; long-range control

0 引 言

随着中国经济水平的提高，使不少家庭对于家中幼童的休闲娱乐场所上有了更多的选择。但随之而来地，儿童滞留游樂场所的现象也在日显突出，并引发了社会各界的高度关注。

本文针对这一问题拟设计一款室内视频巡检车，在游乐场或商场关门前代替人力去巡视一圈场内环境，察看是否有滞留的小孩。这款视频巡检车可以进行远程实时通讯、小车运动方向控制、视频监控以及视频无线传输。视频巡检车在日常生活中扮演“智能管理员”的角色。这款车的关键技术包括3D打印技术、WiFi信号与视频传输技术、手机远程操控技术等。在这项研究中，巡检车可以很容易地和手机连接网络并通过手机控制小车运动，此外该车还能够安全到达目标位置，并实时监控当前环境下的游乐场或商场儿童滞留情况。该车还可以作为智能机器人后续研究的平台。视频巡检车的设计原则是：小车结构简单，易于实现，操作简单，便于使用。

1 总体设计方案

根据系统功能需求，基于嵌入式技术系统设计方案，本文所研发的系统由手机上的App控制，用户在手机App的控制面板发出指令后，通过串口发送指令到STM32中，在STM32中对获取的命令进行解析，根据指令的不同，做出相应的动作处理，控制巡检车运动及舵机旋转。摄像头采集图像后，通过WiFi将视频传输给手机，用户可以通过手机操作面板对图像进行截取保存处理。该系统以STM32为核心控制芯片，系统框图如图1所示。

2 硬件技术设计

2.1 微控制器最小系统资源分配

微控制器STM32F407为Contex-M4内核，集成FPU和DSP指令，内部有1 M Flash，192 KB SRAM[1]。该微控制器在本系统中主要执行视频读取、PWM信号输出等操作，设计单片机核心系统完成上述功能。具体包括：电源电路设计、IO设计、晶振电路设计等。其中，供电部分采用IO口连接从L298P电机驱动板上电源口引出的5 V电压工作，视频传输连接STM32的A10、A9接口，PWM输出由STM32的A7端口输出，L298P电机驱动板连接STM32的引脚F9和F10，如图2所示。

2.2 WiFi摄像头模块

本次研究将摄像头与WIFI模块封装在一起，在其内部规定了固定的通信协议，通过手机连接WiFi实现视频传输功能。使用者可通过手机操控面板发送指令控制舵机转换角度，同时摄像头将采集到的图像通过WiFi传输到手机显示，因此使用者可实时全方位采集到巡检车所在场地的图像信息。WiFi摄像头模块如图3所示。

2.3 巡检车运动控制系统设计

2.3.1 L298P电机驱动模块原理

ST公司的L298P是典型双H桥直流电机驱动芯片，可用于驱动直流电机或双极性步进电机，此驱动板体积小，重量轻，具有强大的驱动能力。研究后可得到，H桥电路驱动电机顺时针转动示意如图4所示。要想通过驱动模块使电机运转，必须使图4中对角线上的一对三极管导通，电流由电源正极从Q1管流入，从左到右经过电机，再从Q4管流出至电源负极（按图4中所指示的箭头来流动），从而驱使电机正转;而当电流由Q2和Q3流动时，此刻电机完成反转。

此驱动在使用时，一定要保证H桥同侧三极管不会同时导通。假设Q1和Q2同时导通，电流直接由正极流入，负极流出，并不会驱动电机，且此时的三极管没有任何其他负载，所以电路上电流就可能会达到最大值，甚至会烧毁三极管。因此，驱动电路要使用硬件电路控制三极管的开关。

驱动板上设有电流反馈检测接口、内逻辑取电选择端、路直流电机接口和四线两相步进电机接口、控制电机方向指示灯、4个标准固定安装孔;2 A的峰值电流和46 V的峰值电压;外加续流二极管可防止电机线圈在断电时的反电动势损坏芯片，安装散热片使芯片温度降低让驱动性能更加稳定[2]。

2.3.2 L298P的逻辑控制功能

在本次研发的程序中，初始就设定了使能端为高电平，由于这里选用的L298P板内有一个74HG1G04芯片，该芯片的功能就是一块小的“非门”，所以L298P在连接时只需要改变IN1和IN3输入的高低电平，即可控制电机的正反转。当输入端IN1为高电平，IN3也为高电平时，小车是前进状态，按此类推小车的每个运行状态。L298P逻辑功能见表1。

2.3.3 L298P模块接口

L298P模块的设计接口如图5所示。该模块包括2部分，即：模块供电和电机驱动输出接口、模块逻辑控制接口。对此可做阐释分述如下。

（1）供电接口设计

① 本设计使用的L298P驱动板需要另接电源供电，则需要进行单片机和驱动板的共地连接，即如图5中的供地GND 接口需与单片机GND 接口共同连接，如此一来单片机传输的逻辑信号才有参考零点，电机才能正常工作。

② 本设计中该驱动板需外接7.4 V电源为其供电，即如图5中的供电接口与外接7.4 V电源连接。当供电口接入7.4 V锂电池的时候，此时这块电源并不为整块驱动板供电，只给予其中一个5 V电源的接头供电，故而需要一根杜邦线就可将电源引入整块驱动板。

（2）电机接口设计。本设计中，将L298N输出端口OUT1、OUT2（即图5中的输出A通道）分别与电机的正负极相连接。L298P可同时驱动2个直流电机[4]。本次设计中选用的电机为直流减速电机，型号为GA12-N20，其电压规格为6 V直流电压，电机转速为100 r/min。

2.4 3D打印外观

3D打印是一种与普通打印机工作原理基本相同的快速成型技术。这项技术在生活中的应用便是3D打印机。3D打印机内装有塑料等可粘合材料，通过计算机软件设计出三维立体程序，再运用多层打印方式，从而把计算机上的蓝图变成实物[5]。本次设计中，先通过计算机辅助设计（CAD）建模，接下来将建成的三维模型“分区”成逐层的截面，再指导打印机逐层打印。设计软件和打印机之间协作的标准文件格式是STL文件格式，用Z-Suite软件将其打印下来。各部件3D打印设计图如图6所示，组装完成后的完整模型如图7所示。

3 系统程序设计及系统调试

3.1 程序设计

在系统硬件的研究设计后，即需进行软件研发，本文选用了嵌入式C语言。具体包括IO定义、IO初始化、IO映射，PWM输出设计、中断函数设计、通信协议设计等。本设计中实现通过无线及串口控制小车运动及舵机旋转的功能，为此设计了main函数、中断函数和 PWM脉冲产生函数及其他相关函数，该系统主程序流程图如图8所示。由图8可知，主函数中对串口接收到的数据进行分析，根据通信协议中所规定的命令格式，执行相应命令。而串口的数据接收，则需要通过中断进行，当中断到来时，根据定制的数据包格式，判断串口接收到的数据是否符合通信协议格式，中断处理流程如图9所示。

3.2 系统调试

本系统以STM32F407为控制核心，经调试，通过手机连接WiFi来控制小车进行前、后、左、右和停止的运动，同时摄像头也能通过WiFi将所拍摄圖像实时传输到手机上显示，在小车运动过程中，转动舵机，即可全方位地巡视到周围环境。系统调试实物如图10所示，手机操控面板调试图如图11所示。

4 结束语

本设计中利用微控制器STM32F407为核心控制器，通过WiFi模块接收手机操控面板的输入信号、输出电机以及舵机驱动信号，完成了小车的运动功能和舵机转动功能，并通过3D打印技术制作了小车外壳，在电机驱动下小车正常运动。该室内视频巡检车可应用于日常生活中，使用者无需亲自巡检，即能全方位监控到商场或游乐园的各个角落，节省人力的同时又可有效地防止儿童滞留在娱乐场所的事件隐患发生。此款室内视频巡检车展现了机械与智能的完美结合，增加了巡检车设计的实用性和科技感，给使用者带来了更多的便利。

参考文献

[1]疯壳（深圳）科技有限公司. 32位ARM单片机STM32F407整板资源介绍[EB/OL]. [2016-03-16]. https：//wenku.baidu.com/view/f23de09c6429647d27284b73f24 2336c1eb9301d.html？from=searc.

[2] 潘锡淀. 直流电机的驱动电路原理及其在自动切纸刀上的应用[J]. 科技信息（科学·教研），2017（12）：114.

[3]L298P 引脚图片[EB/OL]. http：//jmaker.banner.tw/blog/l298p.jpg.

[4]网络作者. L298P中文资料[EB/OL]. [2019-04-14]. https：//www.docin.com/p-2191346740.html.

[5]网络作者. 3D打印技术的原理及应用前景[EB/OL]. [2016-03-16]. https：//wenku.baidu.com/view/3857afe6376baf1ffd4fad7f.html？sxts=1571235036029.