基于ARM板的智能小車遠程環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

彭升平

摘 要：本文主要闡述了智能小車的視頻監(jiān)控以及溫濕度監(jiān)測，采用嵌入式ARM的模塊化實現(xiàn)智能小車多功能控制，主芯片是基于ARM的樹莓派3B+，通過Socket網(wǎng)絡(luò)編程實現(xiàn)與移動端的通訊和小車的遠程控制。該遠程監(jiān)測小車可適用于地質(zhì)勘探，科學(xué)研究，獨居老人智能監(jiān)護等領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞：智能小車;樹莓派;遠程控制;視頻監(jiān)測

1 概述

智能小車也稱為輪式機器人，作為現(xiàn)代的新發(fā)明，也將是以后的重要發(fā)展對向，它可應(yīng)用于科學(xué)勘探，救援搜尋，可移動機器人等等的領(lǐng)域。本設(shè)計的智能環(huán)境監(jiān)測小車的市場前景在于倉儲樓宇的監(jiān)控，勘探的環(huán)境監(jiān)測，消防的救援救災(zāi)等方面。

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

1.1.1 系統(tǒng)實現(xiàn)的主要功能

系統(tǒng)實現(xiàn)的功能主要在于兩個方面，一是智能小車的遠程控制，在同局域網(wǎng)下通過指令實現(xiàn)小車的方向控制。二是環(huán)境監(jiān)測的功能，實現(xiàn)在PC機或移動端的瀏覽器可查看攝像頭正在錄制的視頻;單片機通過溫濕度傳感器對周邊環(huán)境的溫濕度進行數(shù)據(jù)測量。

1.1.2 系統(tǒng)硬件的框架

整個系統(tǒng)由視頻監(jiān)控，溫濕度測量，小車方向控制組成，在小車的框架組裝完成后，樹莓派3B+與副處理器STC15W4K56S4單片機通過串口通信，可在PC機上對小車的行跡進行控制;單片機通過DHT11連接的I/O口可采集周邊環(huán)境的溫濕度，使用了keil uvision4軟件進行代碼的編寫和調(diào)試，STC-ISP軟件和USB數(shù)據(jù)線進行代碼燒錄。

2 開發(fā)環(huán)境搭建

2.1 樹莓派操作系統(tǒng)

樹莓派官網(wǎng)發(fā)布了多個Raspbian鏡像操作系統(tǒng)，首先要選擇合適CSI攝像頭的鏡像系統(tǒng)，在Windows下通過Win32DiskImager將IMG文件寫入SD卡中。將燒寫好的SD卡插入樹莓派后，給開發(fā)板上電，通過Advanced IP Scanner軟件掃描出開發(fā)板的IP地址為192.168.43.80，再通過遠程桌面連接輸入IP地址登錄界面。

2.2 編程環(huán)境的搭建

將形成的HEX文件通過STC-ISP單片機下載編程燒錄軟件。STC-ISP是針對STC系列單片機而設(shè)計的，可下載STC89系列、12C2052系列和12C5410等系列的STC單片機，使用簡便，現(xiàn)已被廣泛使用。該軟件還帶有串口調(diào)助手，用USB轉(zhuǎn)TTL可在PC上看到COM端口，使用端口可進行數(shù)據(jù)的收發(fā)調(diào)試，形成白盒調(diào)試方法。

2.3 Socket網(wǎng)絡(luò)編程的實現(xiàn)

本系統(tǒng)采用的是基于TCP的流式套接字，服務(wù)器和客戶端的工作流程如下：

（1）創(chuàng)建TCP套接字，調(diào)用Socket（）函數(shù)創(chuàng)建。

（2）bind（）綁定服務(wù)器的端口到套接口。

（3）listen（）將套接字變?yōu)楸O(jiān)聽套接字。

（4）accept（）阻塞等待客戶接入，發(fā)送應(yīng)答。

（5）write（）Linux系統(tǒng)編程，將數(shù)據(jù)已文件的方式發(fā)送。

（6）close（）關(guān)閉與客戶機的鏈接。

客戶端的實現(xiàn)同樣需要套接字的創(chuàng)建，指定了服務(wù)器IP地址和端口，調(diào)用connect函數(shù)與服務(wù)器獲取鏈接。Read（）函數(shù)用來接收數(shù)據(jù)，close（）關(guān)閉鏈接。

3 功能實現(xiàn)

3.1 方向控制

小車控制方向是通過控制電機驅(qū)動模塊來實現(xiàn)的，需要先定義四個引腳的I/O口，通過查看引腳功能圖，確定車輪的電機驅(qū)動方向，前后左右的控制依據(jù)兩輪正轉(zhuǎn)小車前進，兩輪反轉(zhuǎn)小車后退，左輪停止，右輪正轉(zhuǎn)小車向左，右輪停止左輪正轉(zhuǎn)小車向右。

3.2 溫濕度采集

當(dāng)有客戶機需要獲取室內(nèi)環(huán)境的溫度和濕度時，其發(fā)送指令給服務(wù)器，服務(wù)器發(fā)送信號給單片微處理器，單片微處理器給溫濕度傳感器模塊發(fā)出啟動信號，將 DHT11溫濕度傳感器喚醒，使其進入到高速運轉(zhuǎn)模式，當(dāng)數(shù)據(jù)采集完成后，DHT11溫濕讀傳感器模塊將采集到的數(shù)據(jù)傳送到單片微處理器中保存，自身則會自動調(diào)整回到睡眠模式等待下次的喚醒操作。

3.3 攝像頭的實時監(jiān)控

攝像頭的實時監(jiān)控是根據(jù)V4L2技術(shù)來配合開發(fā)平臺進行視頻數(shù)據(jù)的采集，V4L是Vedio For Linux的縮寫，它是以插件的形式獲得輸入輸出的方式，可以有一個輸入插件和多個輸出插件同時運行，本系統(tǒng)主要用到input_uvc.so（從攝像頭獲取數(shù)據(jù)）和output_uvc.so（輸出到網(wǎng)頁）這兩個插件。mjpg-streamer視頻還需要使用libjepg庫，可直接運行指令sudo apt-get install libjpeg8-dev進行庫安裝。之后便是等待編譯和執(zhí)行即可使用該軟件進行監(jiān)控。

4 系統(tǒng)的性能測試

4.1 分步測試

當(dāng)軟件部分編寫完成時，采取分步測試軟件的可用性，再進行整體測試判斷是否符合預(yù)期要求。分步需要對整體項目進行分割，分為三大模塊：

（1）小車的方向控制調(diào)試，先將小車方向的程序燒錄到單片機中，單片機進行電機驅(qū)動模塊的控制，串口通過USB-ttl接入到電腦，可在STC-ISP上查看到COM口，選擇相應(yīng)的COM口，向串口發(fā)送方向判斷的指令，從而控制小車的移動距離。

（2）Socket網(wǎng)絡(luò)的調(diào)試，需要PC機的網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手和樹莓派操作系統(tǒng)，在樹莓派開發(fā)系統(tǒng)界面，執(zhí)行Socket通信的程序，網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手發(fā)出的數(shù)據(jù)可再開發(fā)板上接收并執(zhí)行。

（3）溫濕度模塊的調(diào)試，使用STC-ISP的串口調(diào)試助手進行白盒調(diào)試，改變周圍的溫濕度，單片機喚醒溫濕度模塊，查看環(huán)境改變前后的數(shù)據(jù)是否發(fā)生變化。

5 結(jié)論

本設(shè)計的實現(xiàn)了智能小車環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計，采用了嵌入式模塊化形式完成的，主要完成工作如下：

（1）針對智能小車及其功能實現(xiàn)查閱大量的中外文的資料，分析當(dāng)前的發(fā)展現(xiàn)狀。分析系統(tǒng)的可行性和嵌入式技術(shù)，嵌入式處理器的分析。

（2）系統(tǒng)的整體搭建方案與硬件的相關(guān)介紹，樹莓派開發(fā)板的系統(tǒng)的安裝與使用，根據(jù)實際功能選擇硬件。

（3）搭建開發(fā)所需的環(huán)境，樹莓派系統(tǒng)和軟件編程環(huán)境，配置相關(guān)參數(shù)和插件，分模塊完成各部分的編程、編譯，軟件的燒錄。

（4）對系統(tǒng)進行分步調(diào)試和整體性能調(diào)試，調(diào)試結(jié)果基本符合最初的預(yù)想，能夠遠程控制視頻監(jiān)控小車的行動，監(jiān)測周邊環(huán)境的溫濕度。

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