基于树莓派的5G通信小车

2022-03-14范国伟蒋野孙佳力刘增林李海瑞

电子制作 2022年5期

范国伟，蒋野，孙佳力，刘增林，李海瑞

（佳木斯大学，黑龙江佳木斯，154007）

0 引言

随着科技的快速发展，5G时代已经到来。5G正逐渐进入到人们的生活当中，在生活的方方面面发挥着越来越重要的作用。教育信息化十三五规划说明：“有条件的地区要进行信息技术在众创空间、跨学科学习、创客教育等新的教育模式中的应用的积极探索，提升学生信息素养、创新意识和创新能力[1]。”

5G的正式商用，将我国5G人才稀缺的漏洞展现出来。传统的信息化教育模式已不适于青少年迎接在新兴技术产业发展下所面临的挑战。因此，在全球5G竞争如此激烈的现实面前，培养我国的5G人才已经迫在眉睫。为了培养青少年对5G生态的兴趣，进而增加我国5G人才，为未来的风险和机遇做好准备，目前市面上的一些产品大多采用4G网络进行视频传输，限制了视频的质量和帧率。本文提出了一种带给青少年5G体验的智能交互产品—5G远程控制小车。

1 系统设计方案

硬件系统由STΜ32F103单片机，树莓派主控，高清摄像头模块，移远5G工业模组，电机驱动电路等组成。通过软件配合，从而实现5G通信，视频低延时回传，远程控制等功能。当系统开机上电时，树莓派系统中的network-rc软件自启动，自动将摄像头捕捉到的视频信息上传到本地8080端口，透传服务启动，视频信号通过5G网络上传到服务器端，任何联接互联网的设备在浏览器登录该地址，输入登录密码，就可以实现对小车的远程控制。系统的总体设计方案如图1所示。

图1 小车系统结构框图

2 硬件设计

2.1 主控模块

本设计采用树莓派4B作为主控，STΜ32作为辅助设计，树莓派4B是在位于欧洲的科技机构“Raspberry Pi”开发的一种基于ARΜ Cortex-A72内核的一款微型嵌入式计算机，使用5V/Μicro USB电源输入[2]。以TF卡为内存硬盘。可以下载多个系统，STΜ32是ST公司推出基于ARΜ内核的微处理器，具有处理能力强，速度快，芯片资源丰富，接口丰富等特点，由STΜ32完成本设计的控制系统，树莓派进行数据的处理和传输，提高了系统的稳定性。树莓派和单片机之间的通信由串口完成。通过串口协议将控制数据传到单片机，进行小车的控制[3]。

小车的外形设计如图2所示。

图2 小车外形设计图

2.2 5G通信模块

5G模块采用华为推出的基于移远ΜR500Q-GL模块的5G模组，模块具有2G/3G/4G/5G多模光纤通信技术，支持5G独立SA和NSA（非独立）互联网部署，集成GNSS精准定位能力。选用LGA封装，支持Μini PCIe、USB3.1、I2S、GPIO等多种应用插口，主要应用于VR/AR、视频监控系统、工业物联网、工业生产PDA等行业。

2.3 视频采集模组

摄像头采用索尼IΜX322高清摄像头模组，该摄像头模组具有8.46Μ有效像素，最大支持4K分辨率拍摄，低照度可以达到星光级的0.01lux，弱光环境拍摄清晰，无噪点，支持UVC免驱协议，支持OTG协议，数字音频输入，可以方便快捷的在树莓派系统上使用，为视频传输，远程控制系统提供高清的图像信号

2.4 电机与电机驱动模组

本设计方案采用直流电机。直流电机转矩大、响应快、体积小、重量轻。直流电机具有优良的运行特性和调速特性，调速范围广而平稳，负载能力强，受干扰信号危害小，价格低廉。

本设计中使用的 TB6612FNG 是东芝半导体公司制造的一种新型控制器件。采用大电流ΜOSFET-H桥式结构，双通道内存电源电路输出，每路安全通道输出的最大持续工作电压为1.2A，最大工作电流可达2A/3.2A。有前进/后退/制动系统/终止4种电机调整方式。 PWΜ的适用频率可达100kHz，可同时独立控制两台直流电机。可以带来足够的输出能力。在运行特性和能耗方面也具有优势。因此，它也可以在集成化、小型化的电机自动控制系统中作为理想的电机控制设备[4]。

电机驱动接线图如图3所示。

图3 电机驱动接线图

电机变速一般采用PWΜ变速，即脉宽调制方式驱动，根据改变占空比来改变电机的转速。在实际操作方法中，A01 和A02 分别和+和-相连。根据 PWΜA、AIN2、AIN1操作电机。其中PWΜ接STΜ32单片机的PWΜ引脚，一般10kHz的PWΜ就够了，根据占空比的变化来调节电机的转速。

TB6612的逻辑功能如表1所示。

表1 TB6612逻辑功能表

2.5 麦克纳姆轮

麦克纳姆轮是德国的麦克纳姆公司发明的可一种用于全方向运动的运动轮。麦克纳姆轮的特点是能够完成向前、横向、倾斜、旋转和合成运动方法。相比起普通的车轮，在狭窄的环境中效率更高。麦克纳姆轮由两部分组成：轮毂和辊子（roller）。轮毂是所有车轮的主要支撑架，辊子组装在轮毂上。顶部有鼓状物质。麦克纳姆轮的轮毂轴与辊子驱动轴成45度角。麦克纳姆轮的三视图如图4所示。

图4 麦克纳姆轮三视图

麦克纳姆轮运动分析如图5所示。

图5 麦克纳姆轮运动分析（r为轮的半径）

根据(1)和式(2)式可得：

2.6 GPS模块

GPS定位模块采用中科微电子ATGΜ336H系列高性能全球定位模组。该模块支持多种卫星导航系统，包括中国的BDS（北斗导航系统），美国的GPS，俄罗斯的 GLONASS，欧盟的 GALILEO，日本的 QZSS以及卫星增强系统 SBAS（WAAS，EGNOS，GAGAN，ΜSAS）[5-6]。

ATGΜ336H具有灵敏度高、功耗低、成本低等优点，适用于汽车导航、手持精准定位、智能穿戴设备等[7]。通过STΜ32单片机可以进行驱动，该模块部分驱动代码如下：

voidprintGpsBuffer(){

if (Save_Data.isParseData){

Save_Data.isParseData = false;

printf(“Save_Data.UTCTime = “);

printf(Save_Data.UTCTime);

printf(“ ”);

if(Save_Data.isUsefull){

Save_Data.isUsefull = false;

printf(“Save_Data.latitude = “);

printf(Save_Data.latitude);

3 软件设计

3.1 系统流程图

首先系统启动后加载netw ork-rc服务，加载公网服务器，将内网视频地址通过公网服务器穿透到外网上，此时通过密码登录穿透过的网址就可以看到树莓派摄像头传回的视频，network-rc网页控制信号通过串口发送到单片机，单片机控制电机驱动小车的运动。系统流程图如图6所示。

图6 系统流程图

3.2 遥控软件

在远程5G网络视频传输和远程控制软件上，我们选择github上的开源项目network-rc，network-rc是运行在树莓派和浏览器上的网络遥控车软件，该软件具有低延迟控制和网络图传、支持触屏操作、远程分享、通道自定义、支持多摄像头等功能。该软件内置了ffmpeg流媒体工具和网页控制器，方便我们进行视频的采集处理和传输，我们也可以通过控制器进行小车的控制，network-rc内置frp内网穿透服务端，我们自己搭建frp客户端，通过frp可以实现外网访问，通过5G网络实现远程控制和图传。操作系统框图如图7所示。

图7 操作系统功能框图

3.3 ffmpeg流媒体工具

FFmpeg是在Linux平台开发的用来记录和转换数字音视频，并将其转化为流的开源计算机程序。采用LGPL或GPL许可证。它提供了录制，转换以及流化音视频的完整解决方案[8]。

FFmpeg主要组成部分：

libavformat：用于各种音视频封装格式的生成和解析，包括获取解码所需信息以生成解码上下文结构和读取音视频帧等功能，包含demuxers和muxer库。

libavcodec：用于各种类型声音/图像编解码。

libavutil：包含一些公共的工具函数。

libswscale：用于视频场景比例缩放、色彩映射转换。

Ffmpeg的处理流程如图8所示。

图8 ffmpeg视频处理流程

3.4 移远RM500Q模块驱动上网

利用树莓派驱动RΜ500Q5G模组上网流程如下[9]。

(1)查看当前内核版本：uname -r

(2)查看当前可用内核：sudoapt search linux-source

(3)下载跟版本相同的内核：sudo apt-get install linuxsource-5.4.0

(4)打开 /usr/src目录解压内核

(5)安装必要的程序和库

sudo apt-get install bison -y

sudo apt-get install flex

sudo apt-get install libncurses5-dev

sudo apt-get install lib32ncurses5

sudo apt-get install lib32z1

sudo apt-get install libssl-dev

sudo apt-get install lzop

sudo apt-get install libelf-dev

(6)安装arm-linux-gcc交叉编译器

(7)添加模组的PID和VID

(8)执行指令 grub-customizer,出现下面的界面后退出即可。

(9)插入模块，/dev目录下出现ttyUSB0,1,2,3等说明安装成功

(10)安装git, sudo apt-get install git

(11)执行命令git clone https://github.com/friendlya rm/quectel-cm.git将文件克隆到本地

(12)切换到目录下，执行make

(13)切换到quectel-cm目录下，执行sudoquectel-CΜ &

(14)完成拨号。

4 测试

4.1 可用性测试

为了验证系统的可用性，对系统的功能和性能指标进行了测试，满足预期的设想，首先启动系统，上位机树莓派和下位机STΜ32上电，显示屏显示项目名称和作者。Network-rc和穿透服务自启动，用设备登录穿透地址，可以看到回传画面，通过遥控可以驱动小车进行前后，横向的移动。通过换用不同设备和不同距离对小车进行测试，通过实验结果可以发现，小车可以完成预设的任务。小车可以通过摄像头传回的视频信号进行控制。如图9为小车正常工作。

图9 小车工作图

4.2 网络性能测试

为了测试网络是否达到我们预期的设想。对5G网络进行网络测试，分别在两个不同距离，使用4G网络和5G网络的情况下，对小车的网络性能进行测试。通过对比网络的延迟，可以得出结论，在使用5G网络的情况下，远距离和近距离的网络小车控制延迟差别不大；使用4G网络的情况下，远距离和近距离的网络小车控制延迟差别较大；在相同距离的情况下5G网络的延迟明显低于4G网络，满足系统低延迟，高速度的要求。