基于Android移动平台的远程控制系统设计与实现

陈鑫 李叶龙

摘要：以ESP8266-NodeMCU模块为核心硬件，以Android手机为控制终端，以SG90型舵机为被控对象，设计一种远程控制系统。本设计采用Blinker app及Arduino IDE作为软件开发工具，利用物联网接人工具Blinker app在手机端搭建人机交互界面，利用Arduino IDE提供的舵机函数实现舵机的转速控制，利用Arduino lDE提供的Blinker函数库中的WIFl连接函数实现ESP8266-NodeMCU模块与网络服务器的连接，并借助互联网与手机端的人机界面建立关联，由此实现手机对舵机的远程控制。

关键词：远程控制;NodeMCU;WIFl;Android

中圖分类号：TP311 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2020）29-0080-02

随着现代信息技术的飞速发展，“互联网+”思想正逐步融各行各业，目前，信息技术已在企业、服务行业以及家庭生活等领域得到一定程度的应用。互联网是信息的重要传递媒介，智能移动平台被人们广泛使用，基于智能移动平台的远程控制技术，因其使用的便利性而被广泛应用于智能家居等领域。利用智能移动平台进行远程控制涉及多种技术，对于一般的电子爱好者而言，较难以在短时间内掌握。为此，以Android手机为控制终端，以ESP8266-NodeMCU WIFI模块为核心硬件，以舵机为被控对象，设计实现一种远程控制系统，进而为广大电子爱好者提供一种快速掌握该技术的借鉴案例。

1 总体方案

系统主要由Android手机、ESP8266-NodeMCU WIFI模块（简称NodeMCU模块）、SG90型舵机等硬件构成。其具体实现方案为：首先将舵机与NodeMCU模块的GPIO端子进行连接，可视其为舵机的驱动器，然后将NodeMCU模块与WIFI进行连接，实现NodeMCU模块与网络服务器间数据互通，最后用户在Android手机端通过人机界面，以互联网为媒介，向在线的NodeMCU模块发送指令，NodeMCU依据指令驱动舵机，进而实现对舵机远程控制。

2 核心硬件

2.1 NodeMCU模块

ESP8266-NodeMCU WIFI模块是一开源的物联网开发板，引脚如图1所示。内置了ESP8266-12型WIFI模块和NodeM-CU驱动模块，通常使用方便快捷的Lua语言或者Arduino IDE进行开发，在结构上设计了一个方便的USB数据线接口，可用micro USB数据线进行上传代码及供电，不需独立电源，使用方便（其原始版本的ESP8266-OIS型号，需进行FTDI转USB或USB转串口的开发步骤，且需要独立电源进行供电）。另外，其具有3.3V的电压调节器，可以被3.3V以上的电源驱动运行，共有30个不同功能的引脚，其有多个串口可以选用，有五处接地引脚GND，五处以上的vcc引脚，13个GPIO（通用1/0端口）引脚中除了GPI016只能进行读写以外，每个引脚都可以进行中断PWM或者I2C等功能。

本设计主要运用该模块强大的IOT（Internet of Things）功能，区别于一般的单片机，其最大的特点就在于，它可以连接互联网，可从服务器当中读取信息回传并处理，然后输出。

2.2 舵机及其控制原理

1）舵机结构

舵机主要由舵盘、位置传感器、减速齿轮组、直流电机、内部控制电路板（主体为信号调制芯片）构成。本设计采用SG90型舵机。工作时，其内部控制电路板对输入信号进行调制处理，驱动电机，带动变速齿轮，在输出轴上输出动作，位置检测器（角度传感器）是它的输入传感器，该传感器会对输出轴所获得的速度及方向进行反馈，控制电路板依据反馈信息实时调节输入信号，从而实现舵机的闭环式控制方式，提高了控制精度。其控制原理如图2所示。

2）舵机控制方式

本设计中采用脉宽调制（（PWM）信号控制舵机，即脉冲信号。舵机的控制信号周期为20 ms的脉宽调制信号，其中脉宽为0.5ms-2.5ms，相应的舵盘位置从0-180 度，二者间满足线性关系。当给予舵机一定的脉宽时，舵机的输出轴就会保持一定的对应角度，无论外接转矩在安全范围内如何改变，直到接收到下一个脉冲信号才会输出新的对应角度。脉宽与转角间对应关系如图3所示。

3 系统软件部分

3.1 Arduino IDE

本设计采用Arduino IDE作为开发工具，进行舵机驱动程序的开发。Arduino IDE提供了一种集成化的开发环境，包括代码编辑器、编译器、调试器、串口监视器、图形用户界面等，提供了代码编写、分析、编译和上传等一体化的服务功能。其用户界面如图4所示。使用时，只需要在白色区域内，编辑好程序代码，点击（√）功能按钮，软件便开始编译程序，若编译无误，则可以连接USB数据线，点击（→）后开始上传，上传完成后，界面也会显示“上传成功”字样。

Arduino IDE本身集成了十分丰富的库文件、例程等，编写程序十分方便。本设计中主要使用其提供的Blinker函数库及舵机函数库（Servo.h）。利用舵机函数库（Servo.h）实现舵机的转速控制，该函数库已将各个脉宽对应的角度整理恰当，只需要使用者在其函数中输入需求的角度，就可以轻而易举的精确操控舵机。另外，在调整舵机转速方面，Arduino IDE并没有专门的库文件可以调用，为此利用for函数编写延时程序的方式实现调速目的。

在Blinker函数库中，使用者可以轻松调用WIFI连接函数，在函数内输入WIFI的SSID以及密码，模块上电工作时就可自动连接对应WIFI，在Blinker的按键函数中，输入按键的“数据键名”，以及舵机所对应的运行代码，此“数据键名”需与手机端人机交互界面内“按键名”相对应，在这些函数的帮助下，即可以轻松连接至互联网。

3.2 手机端应用界面开发

Blinker app是一款专业的物联网接人工具，可在人机之间搭建高效的交互平台，使用Blinker可以方便、快捷的控制硬件设备，非常适合以Arduino，ESP8266-NodeMCU，Raspberry Pi（树莓派）等为核心的智能家居项目的开发。其用户自定义界面如图5所示。

在Blinker中，用户可以根据需要对控制界面进行编辑，首先选择所需的自定义界面，进入到自定义界面之后，依据需要添加按键，并根据开发板程序内部的“数据键名”，定义各按键的键名，于是当手机端与互联网连接后，使用者只需进入用户界面，点击按键，Blinker App将对应按钮的数据键名以及其所包含的信息上传至服务器，而另一端与互联网连接的NodeM-CU开发板读取服务器上变动的按键数据，并运行数据键名所对应的子程序，由此实现对硬件的控制。

4 系统实现过程

首先将Arduino IDE中写好的Blinker例程、舵机驱动代码写入ESP8266-NodeMCUWIFI模块，断电后再上电，稍等片刻，模块即可自动连接到设置好的WIFI;将手机连接WIFI（4G网络），打开应用界面，进行按键操作，按键信息上传至服务器，ESP8266-12子模块读取服务器上按键信息并回传NodeMCU子模块，NodeMCU模块收到按键信息后，运行该按键信息所对应舵机驱动代码，进而实现对舵机的远程控制。系统实现流程如

参考文献：

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【通联编辑：唐一东】

作者简介：陈鑫（1999-），男，本科生，研究方向为机械制造及其自动化;通信作者：李叶龙（1978-），男，讲师，博士，主要从事机电一体化技术研究。