嵌入式無線視頻監控小車

趙麗麗 王 兵 謝靜雯 關學忠 崔 凡 卞 強

(1.東北石油大學電氣信息工程學院；2.中國石油大慶煉化公司；3.大慶油田電力集團供電公司星火工區)

嵌入式無線視頻監控小車

趙麗麗1王 兵2謝靜雯3關學忠1崔 凡1卞 強1

(1.東北石油大學電氣信息工程學院；2.中國石油大慶煉化公司；3.大慶油田電力集團供電公司星火工區)

結合嵌入式系統與數據無線傳輸技術，設計了一個基于WiFi的嵌入式無線視頻監控小車系統。介紹系統的總體結構，給出系統的軟硬件設計。試驗結果表明：該系統運行穩定可靠，能夠達到視頻監控的要求和預期效果。

無線視頻監控小車 嵌入式系統 STM32控制器 無線WiFi路由器

無線視頻監控小車具有性能強大、集成度高及成本低廉等優點，可以在操作人員難以行動的工作場合中完成各種特殊任務[1]，因此近年來在一些布線困難地點、需要監控的場所、危險作業地點、各類軍事演習及軍事活動等環境中得到了廣泛應用。嵌入式處理器因具有高性能、低功耗及結構輕巧等優點，促使更多技術向著與嵌入式系統結合的方向快速發展。

隨著嵌入式系統、數據無線傳輸技術的發展，基于WiFi的嵌入式無線視頻監控小車隨之產生。在此，筆者設計了一個集微處理器、無線WiFi路由器、免驅動攝像頭及VS(Visual Studio)軟件等于一體的嵌入式無線視頻監控小車系統[2]，以實現小車行走控制、實時視頻傳輸、數據回傳、避障及循跡等功能。

1 系統總體設計

嵌入式無線視頻監控小車系統(圖1)采用STM32F103ZET6作為主控制器，并結合視頻采集、數據無線傳輸、紅外避障、紅外遙控、循跡及舵機等模塊。軟件部分包括系統軟件設計和PC機用戶界面設計，主控制器以WiFi為傳輸介質，以PC機為控制端來驅動小車行動，并將攝像頭所捕捉的視頻數據信息在控制端操作界面上進行顯示。

圖1 嵌入式無線視頻監控小車系統結構框圖

2 系統硬件部分

嵌入式無線視頻監控小車系統采用STM32F103ZET6作為主控制器，工作頻率為72MHz，內置高速存儲器、144個I/O端和兩條APB總線外設，包括3路12位DAC、4個通用定時器、兩個高級定時器和兩個基本定時器。標準和先進的通信接口包括3路SPI接口、兩路I2S接口、兩路I2C接口、5路USART、一個USB從設備接口、一個CAN接口和一個SDIO接口，可兼容SRAM、NOR和NAND Flash接口的16位總線FSMC。因此，在嵌入式系統設計和應用領域，STM32F103ZET6是理想的選擇。

系統攝像頭為免驅動型USB接口攝像頭，該攝像頭驅動開發簡單并且基本結構大都集中于一體，因此只需加載攝像頭USB驅動即可實現實時采集數字視頻信息的功能[3]。控制器對小車的運動狀態和小車周圍環境進行實時采集后，將采集的數據送到控制界面顯示，以達到監控的目的。

紅外避障模塊采用HJ-IR2型芯片。當小車前進時，紅外避障模塊不間斷地發射紅外線對前方進行掃描，若沒有阻礙物，紅外線由于距離遠而逐漸消失；若有阻礙物，紅外線碰到阻礙物后將被反射到傳感器探測頭[4]，然后傳感器將相應的信號發送給主控制器，對它進行分析處理，以協調小車車輪的運動狀態。

利用紅外遙控模塊，通過按壓相應的“前進”、“后退”、“左轉”、“右轉”按鍵，進而控制小車的運動狀態。具體的工作原理(圖2)是：當按下遙控器的按鍵后，遙控器會產生一系列鍵位掃描脈沖信號，此信號由紅外一體化接收頭接收后，輸出解調后的脈沖信號，進而控制小車運動。

圖2 紅外遙控模塊工作原理

系統采用3路循跡紅外模塊，即根據小車的運行情況，當被某一探頭檢測到后，3個探頭分為3種情況對小車進行轉向控制：

a. 黑色賽道被左側探頭檢測到，說明小車已偏移到賽道右側，此時應該左轉。

b. 黑色賽道被中間探頭檢測到，說明小車已在賽道正常運行，此時繼續直行。

c. 黑色賽道被右側探頭檢測到，說明小車已偏移到賽道左側，此時應該右轉。

SG90舵機模塊的工作原理是，首先主控制器輸出信號到舵機，舵機內部可以生成周期為20ms、寬度為1.5ms的基準穩壓信號，將直流偏置電壓和電位器的電壓做比，得到電壓差(正負)輸出量[5,6]。此電壓差輸出到電機驅動芯片來確定電機的正反轉。當電機轉速到一定程度時，由級聯減速齒輪帶動電位器旋轉，使電壓差為0，電機停止轉動。脈寬與舵機轉動角度的關系如圖3所示。

圖3 脈寬與舵機轉動角度的關系

電機驅動模塊采用L293D型芯片，如圖4所示，一個芯片可以驅動兩個直流伺服電機。該芯片有兩個使能信號，可以操縱電機的正反轉，繼而改變小車的行進狀態。對于變化中的車速，可以通過改變電機電壓與平均電壓之間的占空比來改變高低電平的轉換，進而操控小車調速。

圖4 電機驅動模塊電路

在本系統中，控制指令和攝像頭視頻信息的傳輸都是基于無線WiFi路由器的。首先經由局域網與小車進行UDP連接，連接成功后，就可以通過控制終端軟件向小車發送各類操作命令并獲得采集的視頻數據。

3 系統軟件部分

系統軟件部分包括系統軟件設計和應用軟件設計。系統軟件設計是在相應的硬件平臺上進行的程序設計，需要設計者根據需求進行編程設計。應用軟件設計是根據設計者的應用需求，在特定的軟件上進行軟件設計，一般包括用戶界面設計和功能實現設計。

系統采用Linux嵌入式內核，主控制器需要完成的功能有：采用串口連接PC機和無線路由器，進行指令相互傳送；控制小車行走的4個電機；控制小車完成遙控、避障、循跡及控制攝像頭旋轉方向等功能。其設計流程如圖5所示。

圖5 系統軟件設計流程

應用軟件程序采用Visual C++開發。上位機界面的功能有：在PC機監控界面中可以實時顯示控制端發出的指令信息和攝像頭所采集的視頻數據；在上位機的應用軟件界面設計中，可隨時調節更改系統的模式；保留所有采集的視頻數據和發送的命令信息，以備查詢。作為控制下位機和視頻顯示的平臺，該上位機具有控制簡單、界面友好和功能多的特點。

4 結束語

筆者設計了一個基于WiFi的嵌入式無線視頻監控小車系統，通過PC機實現對小車各運動模式的遠程視頻控制。該系統與操作人員相比，具有安全性高和費用低的特點；能夠建立人機交互界面，實現視頻的實時記錄；能夠通過設定PID參數來調整舵機轉向。試驗結果證明，該系統運行穩定可靠，能夠達到視頻監控的要求和預期效果。若繼續完善，該系統將在軍事偵探、排雷排險及防核化污染等危險復雜環境中展示出巨大的應用潛力。

[1] 李婕.基于STM32的無線視頻監控智能小車設計[D].蘭州:蘭州理工大學,2014.

[2] 羅回彬,巫敏鋒.基于WiFi的可實時視頻同傳的探測小車[J].單片機與嵌入式系統應用,2015,15(6):41～43.

[3] 張金.基于Linux平臺的開放式數控系統研究[D].廣州:華南理工大學,2005.

[4] 雷鵬飛,沈華東,高坎貸,等.紅外傳感器在智能車避障系統的應用[J].電腦與信息技術,2010,18(4):52～53.

[5] 范甜甜,俞志偉,楊屹巍,等.基于STM32F103VET6的四足機器人控制系統設計[J].機械與電子,2012,(12):53～55.

[6] 武文杰,石紅瑞.Tripod機器人的視覺處理應用研究[J].石油化工自動化,2015,51(4):53～55.

DesignofWirelessVideoSurveillanceCarBasedonEmbeddedTechnology

ZHAO Li-li1, WANG Bing2, XIE Jing-wen3, GUAN Xue-zhong1, CUI Fan1, BIAN Qiang1

(1.College of Electrical Engineering and Information, Northeast Petroleum University; 2.CNPC Daqing Refining and Chemical Company; 3.Xinghuo Work Area of Power Supply Company, Daqing Oilfield Electrical Power Group Co.)

Based on embedded system and wireless data transmission technology, a WiFi-based embedded wireless video surveillance car system was designed and the system’s overall structure, hardware and software design were presented. The test results show that, this system can run reliably and both requirements and desired effects of the video surveillance can be satisfied.

wireless video surveillance car, embedded system,STM32 controller,wireless WiFi router

TH862

A

1000-3932(2017)05-0492-03

趙麗麗(1992-)，碩士研究生，從事檢測技術與自動化裝置的研究，18545772186@163.com。

2016-12-08，

2016-12-29)