基于ARM板的智能小車遠程環境監測系統設計

彭升平

摘 要：本文主要闡述了智能小車的視頻監控以及溫濕度監測，采用嵌入式ARM的模塊化實現智能小車多功能控制，主芯片是基于ARM的樹莓派3B+，通過Socket網絡編程實現與移動端的通訊和小車的遠程控制。該遠程監測小車可適用于地質勘探，科學研究，獨居老人智能監護等領域。

關鍵詞：智能小車;樹莓派;遠程控制;視頻監測

1 概述

智能小車也稱為輪式機器人，作為現代的新發明，也將是以后的重要發展對向，它可應用于科學勘探，救援搜尋，可移動機器人等等的領域。本設計的智能環境監測小車的市場前景在于倉儲樓宇的監控，勘探的環境監測，消防的救援救災等方面。

1.1 系統總體設計方案

1.1.1 系統實現的主要功能

系統實現的功能主要在于兩個方面，一是智能小車的遠程控制，在同局域網下通過指令實現小車的方向控制。二是環境監測的功能，實現在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境的溫濕度進行數據測量。

1.1.2 系統硬件的框架

整個系統由視頻監控，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口可采集周邊環境的溫濕度，使用了keil uvision4軟件進行代碼的編寫和調試，STC-ISP軟件和USB數據線進行代碼燒錄。

2 開發環境搭建

2.1 樹莓派操作系統

樹莓派官網發布了多個Raspbian鏡像操作系統，首先要選擇合適CSI攝像頭的鏡像系統，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，給開發板上電，通過Advanced IP Scanner軟件掃描出開發板的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，現已被廣泛使用。該軟件還帶有串口調助手，用USB轉TTL可在PC上看到COM端口，使用端口可進行數據的收發調試，形成白盒調試方法。

2.3 Socket網絡編程的實現

本系統采用的是基于TCP的流式套接字，服務器和客戶端的工作流程如下：

（1）創建TCP套接字，調用Socket（）函數創建。

（2）bind（）綁定服務器的端口到套接口。

（3）listen（）將套接字變為監聽套接字。

（4）accept（）阻塞等待客戶接入，發送應答。

（5）write（）Linux系統編程，將數據已文件的方式發送。

（6）close（）關閉與客戶機的鏈接。

客戶端的實現同樣需要套接字的創建，指定了服務器IP地址和端口，調用connect函數與服務器獲取鏈接。Read（）函數用來接收數據，close（）關閉鏈接。

3 功能實現

3.1 方向控制

小車控制方向是通過控制電機驅動模塊來實現的，需要先定義四個引腳的I/O口，通過查看引腳功能圖，確定車輪的電機驅動方向，前后左右的控制依據兩輪正轉小車前進，兩輪反轉小車后退，左輪停止，右輪正轉小車向左，右輪停止左輪正轉小車向右。

3.2 溫濕度采集

當有客戶機需要獲取室內環境的溫度和濕度時，其發送指令給服務器，服務器發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出啟動信號，將 DHT11溫濕度傳感器喚醒，使其進入到高速運轉模式，當數據采集完成后，DHT11溫濕讀傳感器模塊將采集到的數據傳送到單片微處理器中保存，自身則會自動調整回到睡眠模式等待下次的喚醒操作。

3.3 攝像頭的實時監控

攝像頭的實時監控是根據V4L2技術來配合開發平臺進行視頻數據的采集，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，本系統主要用到input_uvc.so（從攝像頭獲取數據）和output_uvc.so（輸出到網頁）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行即可使用該軟件進行監控。

4 系統的性能測試

4.1 分步測試

當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，選擇相應的COM口，向串口發送方向判斷的指令，從而控制小車的移動距離。

（2）Socket網絡的調試，需要PC機的網絡調試助手和樹莓派操作系統，在樹莓派開發系統界面，執行Socket通信的程序，網絡調試助手發出的數據可再開發板上接收并執行。

（3）溫濕度模塊的調試，使用STC-ISP的串口調試助手進行白盒調試，改變周圍的溫濕度，單片機喚醒溫濕度模塊，查看環境改變前后的數據是否發生變化。

5 結論

本設計的實現了智能小車環境監測系統設計，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查閱大量的中外文的資料，分析當前的發展現狀。分析系統的可行性和嵌入式技術，嵌入式處理器的分析。

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

（3）搭建開發所需的環境，樹莓派系統和軟件編程環境，配置相關參數和插件，分模塊完成各部分的編程、編譯，軟件的燒錄。

（4）對系統進行分步調試和整體性能調試，調試結果基本符合最初的預想，能夠遠程控制視頻監控小車的行動，監測周邊環境的溫濕度。

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