基于ARM板的智能小车远程环境监测系统设计

彭升平

摘 要：本文主要阐述了智能小车的视频监控以及温湿度监测，采用嵌入式ARM的模块化实现智能小车多功能控制，主芯片是基于ARM的树莓派3B+，通过Socket网络编程实现与移动端的通讯和小车的远程控制。该远程监测小车可适用于地质勘探，科学研究，独居老人智能监护等领域。

关键词：智能小车;树莓派;远程控制;视频监测

1 概述

智能小车也称为轮式机器人，作为现代的新发明，也将是以后的重要发展对向，它可应用于科学勘探，救援搜寻，可移动机器人等等的领域。本设计的智能环境监测小车的市场前景在于仓储楼宇的监控，勘探的环境监测，消防的救援救灾等方面。

1.1 系统总体设计方案

1.1.1 系统实现的主要功能

系统实现的功能主要在于两个方面，一是智能小车的远程控制，在同局域网下通过指令实现小车的方向控制。二是环境监测的功能，实现在PC机或移动端的浏览器可查看摄像头正在录制的视频;单片机通过温湿度传感器对周边环境的温湿度进行数据测量。

1.1.2 系统硬件的框架

整个系统由视频监控，温湿度测量，小车方向控制组成，在小车的框架组装完成后，树莓派3B+与副处理器STC15W4K56S4单片机通过串口通信，可在PC机上对小车的行迹进行控制;单片机通过DHT11连接的I/O口可采集周边环境的温湿度，使用了keil uvision4软件进行代码的编写和调试，STC-ISP软件和USB数据线进行代码烧录。

2 开发环境搭建

2.1 树莓派操作系统

树莓派官网发布了多个Raspbian镜像操作系统，首先要选择合适CSI摄像头的镜像系统，在Windows下通过Win32DiskImager将IMG文件写入SD卡中。将烧写好的SD卡插入树莓派后，给开发板上电，通过Advanced IP Scanner软件扫描出开发板的IP地址为192.168.43.80，再通过远程桌面连接输入IP地址登录界面。

2.2 编程环境的搭建

将形成的HEX文件通过STC-ISP单片机下载编程烧录软件。STC-ISP是针对STC系列单片机而设计的，可下载STC89系列、12C2052系列和12C5410等系列的STC单片机，使用简便，现已被广泛使用。该软件还带有串口调助手，用USB转TTL可在PC上看到COM端口，使用端口可进行数据的收发调试，形成白盒调试方法。

2.3 Socket网络编程的实现

本系统采用的是基于TCP的流式套接字，服务器和客户端的工作流程如下：

（1）创建TCP套接字，调用Socket（）函数创建。

（2）bind（）绑定服务器的端口到套接口。

（3）listen（）将套接字变为监听套接字。

（4）accept（）阻塞等待客户接入，发送应答。

（5）write（）Linux系统编程，将数据已文件的方式发送。

（6）close（）关闭与客户机的链接。

客户端的实现同样需要套接字的创建，指定了服务器IP地址和端口，调用connect函数与服务器获取链接。Read（）函数用来接收数据，close（）关闭链接。

3 功能实现

3.1 方向控制

小车控制方向是通过控制电机驱动模块来实现的，需要先定义四个引脚的I/O口，通过查看引脚功能图，确定车轮的电机驱动方向，前后左右的控制依据两轮正转小车前进，两轮反转小车后退，左轮停止，右轮正转小车向左，右轮停止左轮正转小车向右。

3.2 温湿度采集

当有客户机需要获取室内环境的温度和湿度时，其发送指令给服务器，服务器发送信号给单片微处理器，单片微处理器给温湿度传感器模块发出启动信号，将 DHT11温湿度传感器唤醒，使其进入到高速运转模式，当数据采集完成后，DHT11温湿读传感器模块将采集到的数据传送到单片微处理器中保存，自身则会自动调整回到睡眠模式等待下次的唤醒操作。

3.3 摄像头的实时监控

摄像头的实时监控是根据V4L2技术来配合开发平台进行视频数据的采集，V4L是Vedio For Linux的缩写，它是以插件的形式获得输入输出的方式，可以有一个输入插件和多个输出插件同时运行，本系统主要用到input_uvc.so（从摄像头获取数据）和output_uvc.so（输出到网页）这两个插件。mjpg-streamer视频还需要使用libjepg库，可直接运行指令sudo apt-get install libjpeg8-dev进行库安装。之后便是等待编译和执行即可使用该软件进行监控。

4 系統的性能测试

4.1 分步测试

当软件部分编写完成时，采取分步测试软件的可用性，再进行整体测试判断是否符合预期要求。分步需要对整体项目进行分割，分为三大模块：

（1）小车的方向控制调试，先将小车方向的程序烧录到单片机中，单片机进行电机驱动模块的控制，串口通过USB-ttl接入到电脑，可在STC-ISP上查看到COM口，选择相应的COM口，向串口发送方向判断的指令，从而控制小车的移动距离。

（2）Socket网络的调试，需要PC机的网络调试助手和树莓派操作系统，在树莓派开发系统界面，执行Socket通信的程序，网络调试助手发出的数据可再开发板上接收并执行。

（3）温湿度模块的调试，使用STC-ISP的串口调试助手进行白盒调试，改变周围的温湿度，单片机唤醒温湿度模块，查看环境改变前后的数据是否发生变化。

5 结论

本设计的实现了智能小车环境监测系统设计，采用了嵌入式模块化形式完成的，主要完成工作如下：

（1）针对智能小车及其功能实现查阅大量的中外文的资料，分析当前的发展现状。分析系统的可行性和嵌入式技术，嵌入式处理器的分析。

（2）系统的整体搭建方案与硬件的相关介绍，树莓派开发板的系统的安装与使用，根据实际功能选择硬件。

（3）搭建开发所需的环境，树莓派系统和软件编程环境，配置相关参数和插件，分模块完成各部分的编程、编译，软件的烧录。

（4）对系统进行分步调试和整体性能调试，调试结果基本符合最初的预想，能够远程控制视频监控小车的行动，监测周边环境的温湿度。

参考文献：

[1]武传宇，沈卫平，胡旭东.未知环境中移动机器人基于行为的自主导航与环境构建[J].机电工程，2003（5）：115-117.

[2]G.Yasuda，Bin Ge.Localization and remote control of multiple mobile robots using fast color image processing.Intelligent Control And Automution[J].2014.

[3]王栋.基于ARM的智能探测小车的设计与实现[D].苏州大学硕士论文，2010.

[4]于秀丽.仿真机器人发展及其技术探索[J].北京：机械工程学报，2019（3）：216.

[5]解俊.基于ARM的智能小车控制软件系统的设计与实现[D].电子科技大学硕士论文，2014.