李喜鵬+陳嘉威+趙長(zhǎng)安

摘 要：本設(shè)計(jì)基于樹莓派3代b型開發(fā)板，搭配L298N系統(tǒng)小車，構(gòu)成主體硬件架構(gòu)。先在樹莓派上安裝樹莓派官方攝像頭，通過(guò)樹莓派創(chuàng)建無(wú)線AP。在C/S模式下使用TCP Socket編程技術(shù)實(shí)現(xiàn)樹莓派與PC上位機(jī)的無(wú)線數(shù)據(jù)通信，PC上位機(jī)可時(shí)實(shí)顯示視頻信息，并可以通過(guò)控制樹莓派GPIO來(lái)控制小車的行進(jìn)方向。實(shí)驗(yàn)證明該系統(tǒng)能夠穩(wěn)定正常運(yùn)行，可靠性較高。

關(guān)鍵詞：樹莓派；TCP Socket；車載無(wú)線視頻傳輸

21世紀(jì)，攝像頭已經(jīng)成為了人們必不可少的工具之一。隨著攝像頭各項(xiàng)技術(shù)的提升和Linux軟件的創(chuàng)新，攝像頭的應(yīng)用變得越來(lái)越廣，視頻信息的傳輸也從初始的有線傳輸變?yōu)闊o(wú)線傳輸。本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可以作為智能家居機(jī)器人的初始模型，小車系統(tǒng)可視為機(jī)器人機(jī)身，攝像頭則是機(jī)器人的眼睛，通過(guò)PC上位機(jī)可實(shí)時(shí)接收到機(jī)器人所傳輸過(guò)來(lái)的視頻信息并控制機(jī)器人前進(jìn)，基于我們所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)模型，讀者可以自行添加拓展模塊，如傳感器模塊，對(duì)室內(nèi)溫濕度各種指標(biāo)進(jìn)行采集。

1 硬件及開發(fā)技術(shù)簡(jiǎn)介

1.1 樹莓派

樹莓派由注冊(cè)于英國(guó)的慈善組織Raspberry PI開發(fā)，本設(shè)計(jì)使用樹莓派3代B型，其采用ARM7架構(gòu)，是一臺(tái)只有信用卡大小的微型電腦，其系統(tǒng)基于Linux。Raspberry PI 3B版本搭載1.2GHz 的64位四核處理器（ARM Cortex-A53 1.2GHz 64-bit quad-core ARMv8 CPU），1GB 內(nèi)存，擁有4個(gè)USB2.0接口，支持HDMI及RCA輸出，帶有WiFi和藍(lán)牙4.1模塊。支持Java、Python，Java，C等編程語(yǔ)言。

本設(shè)計(jì)使用的樹莓派系統(tǒng)為RASPBIAN JESSIE LITE，使用讀卡器和鏡像燒寫軟件Win32DiskImager將系統(tǒng)燒寫到SD卡中。

1.2 樹莓派官方攝像頭

本設(shè)計(jì)采用Raspberry Pi Camera V2 視頻模塊，其使用Sony IMX219PQ CMOS 圖像傳感器，具有8 百萬(wàn)像素固定焦點(diǎn)（包括小焦點(diǎn)調(diào)整工具），最高支持1080p視頻傳輸。

1.3 小車系統(tǒng)

本設(shè)計(jì)使用常見的亞克力板作為小車底盤，搭載L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，驅(qū)動(dòng)模塊輸出端接直流電機(jī)，控制端接樹莓派的GPIO，樹莓派的GPIO由wiringPi庫(kù)來(lái)控制。

WiringPi是應(yīng)用于樹莓派平臺(tái)的GPIO控制庫(kù)函數(shù)，可以使用C語(yǔ)言或者C++開發(fā)。程序編寫中用到WiringPi庫(kù)中pinMode函數(shù)來(lái)配置指定引腳的IO模式，本設(shè)計(jì)中使用OUTPUT模式，使用digitalWrite函數(shù)來(lái)控制引腳輸出電平信號(hào)的高低。本設(shè)計(jì)中樹莓派的GPIO1，GPIO4，GPIO5，GPIO6接L298N的控制端IN1-IN4。

小車前進(jìn)代碼如下：

#definecar_godigitalWrite（1，HIGH）；digitalWrite（4，LOW）；

digitalWrite（5，HIGH）；digitalWrite（6，LOW）

2 軟件部分簡(jiǎn)介

2.1 樹莓派創(chuàng)建無(wú)線AP

本設(shè)計(jì)使用樹莓派自帶的WiFi模塊，用create_ap項(xiàng)目將其變成無(wú)線熱點(diǎn)，從而使樹莓派成為C/S模式下的服務(wù)器。安裝create_ap后，輸入如下命令

sudo create_ap- -no -virt wlan0 eth0 car123456789

創(chuàng)建一個(gè)名為car，密碼為123456789的無(wú)線AP。

在樹莓派中輸入ifconfig命令，可查看樹莓派的IP地址。

2.2 開源視頻服務(wù)器軟件MJPG-streamer的安裝

MJPG-streamer軟件使用V4L2接口，從webcam攝像頭采集圖像，把它們以流的形式通過(guò)基于IP的網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綖g覽器如Firehox，Cambozola，VLC播放器，Windows的移動(dòng)設(shè)備或者其他擁有瀏覽器的移動(dòng)設(shè)備。

這款工具源代碼簡(jiǎn)潔，注釋清晰。組件功能明確，銜接清晰。使用Linux C語(yǔ)言進(jìn)行開發(fā)，可以移植到不同的計(jì)算機(jī)平臺(tái)。在樹莓派上安裝MJPG-streamer軟件后，電腦連接到樹莓派AP，可在如下網(wǎng)址中看到傳輸過(guò)來(lái)的視頻。

http：//<樹莓派IP>：8080/？action=stream

2.3 PC上位機(jī)編寫

客戶端軟件通過(guò)Microsoft Visual Studio 2010使用C#.NET語(yǔ)言開發(fā)實(shí)現(xiàn)，可以完成連接樹莓派服務(wù)器，并接收、顯示、保存數(shù)據(jù)等功能。

樹莓派與PC上位機(jī)的無(wú)線數(shù)據(jù)通信使用TCP Socket編程實(shí)現(xiàn)，涉及到客戶端和服務(wù)器三次握手和四次釋放的過(guò)程。Socket技術(shù)基于IP和端口就能傳送數(shù)據(jù)。在上位機(jī)中，一共需要確定服務(wù)器的兩個(gè)Socket，一個(gè)為視頻傳輸?shù)腟ocket，一個(gè)為控制小車行進(jìn)的Socket。上位機(jī)通過(guò)WiFi向下位機(jī)發(fā)出控制信號(hào)，下位機(jī)接收到數(shù)據(jù)包以后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，當(dāng)解析出來(lái)的數(shù)據(jù)與樹莓派內(nèi)部編寫的控制數(shù)據(jù)一致時(shí)，樹莓派執(zhí)行控制命令，改變GPIO口輸出的電平高低，從而控制L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。上位機(jī)與下位機(jī)的通信協(xié)議中前進(jìn)命令協(xié)議包為FF000000FF，其他命令仿照次協(xié)議包修改數(shù)據(jù)位數(shù)值即可。

3 系統(tǒng)總體工作流程

本設(shè)計(jì)首先通過(guò)樹莓派基于自身的WiFi模塊創(chuàng)建無(wú)線AP，并在樹莓派上安裝開源視頻服務(wù)器軟件MJPG-streamer，使用TCP socket編程技術(shù)，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)的通信，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)車載無(wú)線視頻傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，整體流程圖如下：

本系統(tǒng)在搭建完后，在50平米的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)測(cè)試，在PC上位機(jī)的控制下，小車能夠穩(wěn)定快速的實(shí)現(xiàn)前進(jìn)轉(zhuǎn)彎的功能，攝像頭所采集到的視頻信息也能快速地傳回上位機(jī)并實(shí)時(shí)顯示，本設(shè)計(jì)測(cè)試時(shí)系統(tǒng)設(shè)置的視頻流為720p、24幀，因?yàn)槭褂玫氖菢漭勺詭У腤iFi模塊進(jìn)行視頻傳輸，WiFi模塊的數(shù)據(jù)吞吐量大，視頻顯示十分流暢。實(shí)驗(yàn)證明本系統(tǒng)能夠穩(wěn)定正常運(yùn)行，可靠性較高。

4 結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)基于樹莓派開發(fā)板，使用Linux開發(fā)環(huán)境，由于Linux系統(tǒng)的開源性，我們使用開源項(xiàng)目MJPG-streamer對(duì)視頻流進(jìn)行了采集和處理，并通過(guò)Linux的網(wǎng)絡(luò)套接字方式完成了圖像數(shù)據(jù)的傳輸，及控制命令的傳輸。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，本設(shè)計(jì)穩(wěn)定可靠。作為一個(gè)基本的車載無(wú)線視頻傳輸?shù)哪Ｐ?，本設(shè)計(jì)還有許多模塊的功能值得開發(fā)拓展，如室內(nèi)智能家居，圖像識(shí)別，手勢(shì)識(shí)別，安防監(jiān)控。加上上述這些功能模塊后，本設(shè)計(jì)將具有更廣泛的用途，在人們的生活中，起到更大的幫助作用。

參考文獻(xiàn)

[1]曹秀霞.基于TCP_IP協(xié)議的無(wú)線視頻傳輸控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2013.

[2]陳書益.開源視頻服務(wù)器軟件MJPG_streamer的研究和應(yīng)用[D].廣州：廣東工業(yè)大學(xué)，2012.

[3]李龍棋.樹莓派平臺(tái)下的實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)[D].福州：閩江學(xué)院物理學(xué)與電子信息工程系，2014.

[4]Schmidt M. Raspberry Pi 快速入門指南[M].王峰，王江偉，王汝波，譯.北京：科學(xué)出版社，2014.

[5]王偉江.玩轉(zhuǎn)樹莓派Raspberry Pi[D].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2013.

[6]鳥哥.鳥哥的Linux私房菜[M].北京：人民郵電出版社，2011.