小車遠程控制系統的研究

朱克武，林金妹，袁小放

（廣東食品藥品職業學院，廣州510520）

0 引言

隨著醫療技術的發展、生活水平的提高，人們的壽命不斷提高，人口老齡化不可避免，人老了，身體的各方面機能都會下降，老年人護理是一個新興產業。社會上需要一大批有豐富經驗的護理人員。護理工作比較累臟，很多年輕人不愿從事這份職業。開發一些護理設備，能夠減輕護理人員的勞動強度，這樣會吸引不少年輕人從事這份有愛心的職業。開發一個能夠運送垃圾或者貨物的小車顯得非常有必要，該產品有實際的市場需求。

1 硬件系統組成

智能小車采用輪式行走機構，主要硬件有車輪、電池、機架、串口-Wi-Fi模塊、攝像頭等部件，組裝成一輛能夠行走的小車。使用手機控制小車的運動，需要在手機上實時顯示小車當前的狀態，通過手機界面上的控制鍵（前進、后退、左轉、右轉），向小車發送指令，控制小車的行走，達到對小車遠程控制的目的。

1.1 電源選型

目前，全社會都注重節能環保，人們的日常出行，都經常使用電動車、節能車代步，鋰電池具有高存儲能量密度；使用壽命長，可以使用6年以上；額定電壓高，單體工作電壓為3.2V；具備高功率承受力；自放電率低；重量輕等優點，它的這些優點，使得鋰電池被廣泛應用。本系統的電源，使用5V電壓供電，如果使用普通的電池，電池的電量不足以長時間給小車供電。隨著鋰電池技術的發展，鋰電池的體積做的很小，容量大，因此，選用5V的鋰電池給小車的供電。

1.2 行走系統

采用四輪驅動的方式，四個電機分別驅動四個車輪。小車的行走的原理是電機驅動小車行走，電機由STM32的GPIO管腳控制的，通過PWM的導通時間來控制GPIO口，這樣，就實現了小車的行走控制。例如：左右兩個電機的PWM導通時間相同，則直線行走；導通的時間長，則速度快；導通的時間短，則速度慢；設置電機正轉，則前進；設置電機反轉，則后退；左邊電機導通時間長，右邊電機導通時間短，則右轉；左邊電機導通時間短，右邊導通時間長，則左轉。

1.3 控制系統

本系統采用ST M32F103芯片，該芯片有串口模塊、GPIO管腳、定時器模塊、DMA控制器等，芯片的功能非常強大，可以實現很多功能，滿足本系統控制的要求。電機的控制采用PWM技術。PWM是脈沖寬度調制，對脈沖的寬度進行控制。PWM的工作原理如圖1所示，CNT是定時器的計數值，ARR是自動重裝載寄存器，CCR是捕獲比較寄存器。設定定時器工作在向上計數PWM模式，當定時器的計數值小于CRR（捕獲比較寄存器）的數值，輸出0，低電平；當計數值大于CRR的時候，輸出1；當計數值等于ARR的數值的時候，重新歸零，一個計數周期結束。然后，定時器重新向上計數，依次循環。PWM就輸出一個矩形波。使用PWM波形控制GPIO口，就控制了電機的轉動，實現行走的控制。

改變CRR的數值，就可以改變PWM輸出的占空比，改變ARR的值，可以改變PWM的輸出頻率。

圖1 PWM原理示意圖

1.4 WWii--FFii模塊

串口-以太網-無線網模塊有多種產品，價格多在400元以內，串口-Wi-Fi設備硬件組成主要有RS-232串口模塊、Wi-Fi模塊。設備內部內置TCP/IP協議，能夠實現用戶串口、以太網、無線網（Wi-Fi）3個接口之間的通訊。

串口-無線網模塊工作在AP模式下，Wi-Fi功能使能，通過Wi-Fi無線網絡，將串口數據通過無線網絡發送出去。AP模式下，模塊就是一個標準的無線路由器，手機等設備通過Wi-Fi連接到該設備上，成為Wi-Fi局域網下的設備。單片機的串口和手機外部設備，通過串口-Wi-Fi設備（相當于一個橋梁），進行數據的收發，實現單片機串口和手機的通訊。

2 軟件系統設計

本系統的軟件系統分為單片機下位機系統和手機App上位機系統。采用模塊化設計，以小車行走為設計核心，各模塊分工明確，便于程序的調試和運行，以及后期系統的維護升級。串口-Wi-Fi模塊不需要編程，只需要設置串口的波特率等參數、TCP服務器的地址、端口號等參數，相關的參數設置完成后，就自動在單片機串口、手機App之間進行數據傳遞，不需要用戶干預。單片機下位機系統的模塊主要是GPIO模塊、PWM模塊、串口模塊。手機App上位機系統的模塊主要是按鈕事件、Socket網絡通訊。

2.1 單片機系統的設計

STM32單片機程序的主程序是main函數，首先，初始化工作，包括初始化時鐘、GPIO管腳、定時器、串口。其次，while循環，讀取中斷的數據，判斷是否有串口數據，如果沒有，則執行行走函數。如果有，則判斷是前進、后退、左轉、右轉，執行行走函數。

2.2 PPWWMM模塊設計

在定時器初始化中，使用定時器5的通道1來PWM方波。設置定時器的預分頻、定時器向上計數模式、ARR自動重裝載數值，通過使用TIM_OC1Init函數，設置PWM的輸出方式，設置完成后，使能定時器5，定時器開始工作。通過修改定時器的CCR1來控制通道1的輸出占空比。

2.3 串口模塊設計

初始化串口后，開啟串口中斷。只要串口-Wi-Fi設備發送數據到串口，串口中斷就會響應，設置串口中斷標志，接收數據，串口中斷是一次接收一個字節，因此，應當給串口的接收設置一個聯絡信號，如“ ”，使用回車換行作為數據接收結束的標記。

串口的發送直接使用串口的發送指令即可，不需要使用中斷發送數據。串口的接收是無法預測的，不知道在哪個時間段，有數據到來，因此，必須使用中斷的方式，來接收數據。串口數據的發送，是可以控制的，可以直接調用串口發送指令，靈活方便。

2.4 手機端的按鈕事件模塊設計

手機端App設計，首先是界面設計，在界面上，放置6個按鈕，1個編輯控件，分別對應小車的“前進”、“后退”、“左轉”、“右轉”、“加速”、“減速”。給 6 個按鈕添加單擊事件，onClick事件。因為，要將控制信號發送給單片機的串口，涉及網絡通訊，因此，在按鈕的單擊事件中，添加線程，在線程中，調用Socket對象，收發數據。將接收的數據，顯示在界面上。

2.5 手機端的Socket網絡通訊模塊設計

Socket網絡通訊，首先，創建Socket對象，指定服務器的IP地址、端口號，連接到服務器。設置要發送的數據到發送區，Socket通訊一般是byte字節數組的形式，發送和接收的數據都在byte字節數組里面。創建OutputStream輸出流，使用write函數、flush函數，將字節數組中的數據發送給串口-Wi-Fi設備，通過透傳的方式，將字節數據，發給串口。Socket發送結束，關閉Socket連接。

App網絡通訊的流程是，在按鈕事件中，創建一個線程，在線程中，將控制信息添加到發送區數組中，創建Socket對象，連接服務器，創建OutputStream輸出流對象，將數據發送出去。關閉Socket，如果不關閉，客戶端一直連接服務器，導致后面的套接字可能連不上服務器，套接字不釋放，會一直占用資源，因此，套接字使用完成后，要及時關閉，釋放它占用的資源。

Android的網絡編程，需要配置網絡的權限，能夠使用Internet權限。

3 結語

通過小車控制系統的研究，掌握小車的硬件組成，包括電機的選型、電源的選型、STM32芯片的選型等，為后續添加新的硬件設備提供經驗積累。小車軟件系統圍繞小車的行走控制開展，App上位機發送指令，提供串口-Wi-Fi設備，將指令發送給STM32單片機，串口接到數據后，根據指令的類型，進行處理。通過本項目的研究，實現了對小車的控制，為后續開發小車的智能行走，提供了一些理論積累。