基于樹(shù)莓派的5G通信小車(chē)

范國(guó)偉，蔣野，孫佳力，劉增林，李海瑞

（佳木斯大學(xué)，黑龍江佳木斯，154007）

0 引言

隨著科技的快速發(fā)展，5G時(shí)代已經(jīng)到來(lái)。5G正逐漸進(jìn)入到人們的生活當(dāng)中，在生活的方方面面發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。教育信息化十三五規(guī)劃說(shuō)明：“有條件的地區(qū)要進(jìn)行信息技術(shù)在眾創(chuàng)空間、跨學(xué)科學(xué)習(xí)、創(chuàng)客教育等新的教育模式中的應(yīng)用的積極探索，提升學(xué)生信息素養(yǎng)、創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力[1]。”

5G的正式商用，將我國(guó)5G人才稀缺的漏洞展現(xiàn)出來(lái)。傳統(tǒng)的信息化教育模式已不適于青少年迎接在新興技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展下所面臨的挑戰(zhàn)。因此，在全球5G競(jìng)爭(zhēng)如此激烈的現(xiàn)實(shí)面前，培養(yǎng)我國(guó)的5G人才已經(jīng)迫在眉睫。為了培養(yǎng)青少年對(duì)5G生態(tài)的興趣，進(jìn)而增加我國(guó)5G人才，為未來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)和機(jī)遇做好準(zhǔn)備，目前市面上的一些產(chǎn)品大多采用4G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行視頻傳輸，限制了視頻的質(zhì)量和幀率。本文提出了一種帶給青少年5G體驗(yàn)的智能交互產(chǎn)品—5G遠(yuǎn)程控制小車(chē)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

硬件系統(tǒng)由STΜ32F103單片機(jī)，樹(shù)莓派主控，高清攝像頭模塊，移遠(yuǎn)5G工業(yè)模組，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路等組成。通過(guò)軟件配合，從而實(shí)現(xiàn)5G通信，視頻低延時(shí)回傳，遠(yuǎn)程控制等功能。當(dāng)系統(tǒng)開(kāi)機(jī)上電時(shí)，樹(shù)莓派系統(tǒng)中的network-rc軟件自啟動(dòng)，自動(dòng)將攝像頭捕捉到的視頻信息上傳到本地8080端口，透?jìng)鞣?wù)啟動(dòng)，視頻信號(hào)通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò)上傳到服務(wù)器端，任何聯(lián)接互聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備在瀏覽器登錄該地址，輸入登錄密碼，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)小車(chē)的遠(yuǎn)程控制。系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

圖1 小車(chē)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控模塊

本設(shè)計(jì)采用樹(shù)莓派4B作為主控，STΜ32作為輔助設(shè)計(jì)，樹(shù)莓派4B是在位于歐洲的科技機(jī)構(gòu)“Raspberry Pi”開(kāi)發(fā)的一種基于ARΜ Cortex-A72內(nèi)核的一款微型嵌入式計(jì)算機(jī)，使用5V/Μicro USB電源輸入[2]。以TF卡為內(nèi)存硬盤(pán)。可以下載多個(gè)系統(tǒng)，STΜ32是ST公司推出基于ARΜ內(nèi)核的微處理器，具有處理能力強(qiáng)，速度快，芯片資源豐富，接口豐富等特點(diǎn)，由STΜ32完成本設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)，樹(shù)莓派進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理和傳輸，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。樹(shù)莓派和單片機(jī)之間的通信由串口完成。通過(guò)串口協(xié)議將控制數(shù)據(jù)傳到單片機(jī)，進(jìn)行小車(chē)的控制[3]。

小車(chē)的外形設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 小車(chē)外形設(shè)計(jì)圖

2.2 5G通信模塊

5G模塊采用華為推出的基于移遠(yuǎn)ΜR500Q-GL模塊的5G模組，模塊具有2G/3G/4G/5G多模光纖通信技術(shù)，支持5G獨(dú)立SA和NSA（非獨(dú)立）互聯(lián)網(wǎng)部署，集成GNSS精準(zhǔn)定位能力。選用LGA封裝，支持Μini PCIe、USB3.1、I2S、GPIO等多種應(yīng)用插口，主要應(yīng)用于VR/AR、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)生產(chǎn)PDA等行業(yè)。

2.3 視頻采集模組

攝像頭采用索尼IΜX322高清攝像頭模組，該攝像頭模組具有8.46Μ有效像素，最大支持4K分辨率拍攝，低照度可以達(dá)到星光級(jí)的0.01lux，弱光環(huán)境拍攝清晰，無(wú)噪點(diǎn)，支持UVC免驅(qū)協(xié)議，支持OTG協(xié)議，數(shù)字音頻輸入，可以方便快捷的在樹(shù)莓派系統(tǒng)上使用，為視頻傳輸，遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)提供高清的圖像信號(hào)

2.4 電機(jī)與電機(jī)驅(qū)動(dòng)模組

本設(shè)計(jì)方案采用直流電機(jī)。直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩大、響應(yīng)快、體積小、重量輕。直流電機(jī)具有優(yōu)良的運(yùn)行特性和調(diào)速特性，調(diào)速范圍廣而平穩(wěn)，負(fù)載能力強(qiáng)，受干擾信號(hào)危害小，價(jià)格低廉。

本設(shè)計(jì)中使用的 TB6612FNG 是東芝半導(dǎo)體公司制造的一種新型控制器件。采用大電流ΜOSFET-H橋式結(jié)構(gòu)，雙通道內(nèi)存電源電路輸出，每路安全通道輸出的最大持續(xù)工作電壓為1.2A，最大工作電流可達(dá)2A/3.2A。有前進(jìn)/后退/制動(dòng)系統(tǒng)/終止4種電機(jī)調(diào)整方式。 PWΜ的適用頻率可達(dá)100kHz，可同時(shí)獨(dú)立控制兩臺(tái)直流電機(jī)。可以帶來(lái)足夠的輸出能力。在運(yùn)行特性和能耗方面也具有優(yōu)勢(shì)。因此，它也可以在集成化、小型化的電機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)中作為理想的電機(jī)控制設(shè)備[4]。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)接線圖如圖3所示。

圖3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)接線圖

電機(jī)變速一般采用PWΜ變速，即脈寬調(diào)制方式驅(qū)動(dòng)，根據(jù)改變占空比來(lái)改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速。在實(shí)際操作方法中，A01 和A02 分別和+和-相連。根據(jù) PWΜA、AIN2、AIN1操作電機(jī)。其中PWΜ接STΜ32單片機(jī)的PWΜ引腳，一般10kHz的PWΜ就夠了，根據(jù)占空比的變化來(lái)調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

TB6612的邏輯功能如表1所示。

表1 TB6612邏輯功能表

2.5 麥克納姆輪

麥克納姆輪是德國(guó)的麥克納姆公司發(fā)明的可一種用于全方向運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)輪。麥克納姆輪的特點(diǎn)是能夠完成向前、橫向、傾斜、旋轉(zhuǎn)和合成運(yùn)動(dòng)方法。相比起普通的車(chē)輪，在狹窄的環(huán)境中效率更高。麥克納姆輪由兩部分組成：輪轂和輥?zhàn)樱╮oller）。輪轂是所有車(chē)輪的主要支撐架，輥?zhàn)咏M裝在輪轂上。頂部有鼓狀物質(zhì)。麥克納姆輪的輪轂軸與輥?zhàn)域?qū)動(dòng)軸成45度角。麥克納姆輪的三視圖如圖4所示。

圖4 麥克納姆輪三視圖

麥克納姆輪運(yùn)動(dòng)分析如圖5所示。

圖5 麥克納姆輪運(yùn)動(dòng)分析（r為輪的半徑）

根據(jù)(1)和式(2)式可得：

2.6 GPS模塊

GPS定位模塊采用中科微電子ATGΜ336H系列高性能全球定位模組。該模塊支持多種衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，包括中國(guó)的BDS（北斗導(dǎo)航系統(tǒng)），美國(guó)的GPS，俄羅斯的 GLONASS，歐盟的 GALILEO，日本的 QZSS以及衛(wèi)星增強(qiáng)系統(tǒng) SBAS（WAAS，EGNOS，GAGAN，ΜSAS）[5-6]。

ATGΜ336H具有靈敏度高、功耗低、成本低等優(yōu)點(diǎn)，適用于汽車(chē)導(dǎo)航、手持精準(zhǔn)定位、智能穿戴設(shè)備等[7]。通過(guò)STΜ32單片機(jī)可以進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，該模塊部分驅(qū)動(dòng)代碼如下：

voidprintGpsBuffer(){

if (Save_Data.isParseData){

Save_Data.isParseData = false;

printf(“Save_Data.UTCTime = “);

printf(Save_Data.UTCTime);

printf(“ ”);

if(Save_Data.isUsefull){

Save_Data.isUsefull = false;

printf(“Save_Data.latitude = “);

printf(Save_Data.latitude);

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)流程圖

首先系統(tǒng)啟動(dòng)后加載netw ork-rc服務(wù)，加載公網(wǎng)服務(wù)器，將內(nèi)網(wǎng)視頻地址通過(guò)公網(wǎng)服務(wù)器穿透到外網(wǎng)上，此時(shí)通過(guò)密碼登錄穿透過(guò)的網(wǎng)址就可以看到樹(shù)莓派攝像頭傳回的視頻，network-rc網(wǎng)頁(yè)控制信號(hào)通過(guò)串口發(fā)送到單片機(jī)，單片機(jī)控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)小車(chē)的運(yùn)動(dòng)。系統(tǒng)流程圖如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)流程圖

3.2 遙控軟件

在遠(yuǎn)程5G網(wǎng)絡(luò)視頻傳輸和遠(yuǎn)程控制軟件上，我們選擇github上的開(kāi)源項(xiàng)目network-rc，network-rc是運(yùn)行在樹(shù)莓派和瀏覽器上的網(wǎng)絡(luò)遙控車(chē)軟件，該軟件具有低延遲控制和網(wǎng)絡(luò)圖傳、支持觸屏操作、遠(yuǎn)程分享、通道自定義、支持多攝像頭等功能。該軟件內(nèi)置了ffmpeg流媒體工具和網(wǎng)頁(yè)控制器，方便我們進(jìn)行視頻的采集處理和傳輸，我們也可以通過(guò)控制器進(jìn)行小車(chē)的控制，network-rc內(nèi)置frp內(nèi)網(wǎng)穿透服務(wù)端，我們自己搭建frp客戶端，通過(guò)frp可以實(shí)現(xiàn)外網(wǎng)訪問(wèn)，通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和圖傳。操作系統(tǒng)框圖如圖7所示。

圖7 操作系統(tǒng)功能框圖

3.3 ffmpeg流媒體工具

FFmpeg是在Linux平臺(tái)開(kāi)發(fā)的用來(lái)記錄和轉(zhuǎn)換數(shù)字音視頻，并將其轉(zhuǎn)化為流的開(kāi)源計(jì)算機(jī)程序。采用LGPL或GPL許可證。它提供了錄制，轉(zhuǎn)換以及流化音視頻的完整解決方案[8]。

FFmpeg主要組成部分：

libavformat：用于各種音視頻封裝格式的生成和解析，包括獲取解碼所需信息以生成解碼上下文結(jié)構(gòu)和讀取音視頻幀等功能，包含demuxers和muxer庫(kù)。

libavcodec：用于各種類型聲音/圖像編解碼。

libavutil：包含一些公共的工具函數(shù)。

libswscale：用于視頻場(chǎng)景比例縮放、色彩映射轉(zhuǎn)換。

Ffmpeg的處理流程如圖8所示。

圖8 ffmpeg視頻處理流程

3.4 移遠(yuǎn)RM500Q模塊驅(qū)動(dòng)上網(wǎng)

利用樹(shù)莓派驅(qū)動(dòng)RΜ500Q5G模組上網(wǎng)流程如下[9]。

(1)查看當(dāng)前內(nèi)核版本：uname -r

(2)查看當(dāng)前可用內(nèi)核：sudoapt search linux-source

(3)下載跟版本相同的內(nèi)核：sudo apt-get install linuxsource-5.4.0

(4)打開(kāi) /usr/src目錄 解壓內(nèi)核

(5)安裝必要的程序和庫(kù)

sudo apt-get install bison -y

sudo apt-get install flex

sudo apt-get install libncurses5-dev

sudo apt-get install lib32ncurses5

sudo apt-get install lib32z1

sudo apt-get install libssl-dev

sudo apt-get install lzop

sudo apt-get install libelf-dev

(6)安裝arm-linux-gcc交叉編譯器

(7)添加模組的PID和VID

(8)執(zhí)行指令 grub-customizer,出現(xiàn)下面的界面后退出即可。

(9)插入模塊，/dev目錄下出現(xiàn)ttyUSB0,1,2,3等說(shuō)明安裝成功

(10)安裝git, sudo apt-get install git

(11)執(zhí)行命令git clone https://github.com/friendlya rm/quectel-cm.git將文件克隆到本地

(12)切換到目錄下，執(zhí)行make

(13)切換到quectel-cm目錄下，執(zhí)行sudoquectel-CΜ &

(14)完成撥號(hào)。

4 測(cè)試

4.1 可用性測(cè)試

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的可用性，對(duì)系統(tǒng)的功能和性能指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)試，滿足預(yù)期的設(shè)想，首先啟動(dòng)系統(tǒng)，上位機(jī)樹(shù)莓派和下位機(jī)STΜ32上電，顯示屏顯示項(xiàng)目名稱和作者。Network-rc和穿透服務(wù)自啟動(dòng)，用設(shè)備登錄穿透地址，可以看到回傳畫(huà)面，通過(guò)遙控可以驅(qū)動(dòng)小車(chē)進(jìn)行前后，橫向的移動(dòng)。通過(guò)換用不同設(shè)備和不同距離對(duì)小車(chē)進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，小車(chē)可以完成預(yù)設(shè)的任務(wù)。小車(chē)可以通過(guò)攝像頭傳回的視頻信號(hào)進(jìn)行控制。如圖9為小車(chē)正常工作。

圖9 小車(chē)工作圖

4.2 網(wǎng)絡(luò)性能測(cè)試

為了測(cè)試網(wǎng)絡(luò)是否達(dá)到我們預(yù)期的設(shè)想。對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)測(cè)試，分別在兩個(gè)不同距離，使用4G網(wǎng)絡(luò)和5G網(wǎng)絡(luò)的情況下，對(duì)小車(chē)的網(wǎng)絡(luò)性能進(jìn)行測(cè)試。通過(guò)對(duì)比網(wǎng)絡(luò)的延遲，可以得出結(jié)論，在使用5G網(wǎng)絡(luò)的情況下，遠(yuǎn)距離和近距離的網(wǎng)絡(luò)小車(chē)控制延遲差別不大；使用4G網(wǎng)絡(luò)的情況下，遠(yuǎn)距離和近距離的網(wǎng)絡(luò)小車(chē)控制延遲差別較大；在相同距離的情況下5G網(wǎng)絡(luò)的延遲明顯低于4G網(wǎng)絡(luò)，滿足系統(tǒng)低延遲，高速度的要求。

表2 網(wǎng)絡(luò)延遲測(cè)試表

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一款基于樹(shù)莓派和5G網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程通信小車(chē)，該小車(chē)采用最新的5G通信技術(shù)，具有新穎性，智能性，圖傳低延時(shí)，高速度等特點(diǎn)，能實(shí)現(xiàn)高清視頻遠(yuǎn)距離回傳，遠(yuǎn)程控制，簡(jiǎn)單人機(jī)交互等功能，不但適用于創(chuàng)客學(xué)習(xí)還可以用于遠(yuǎn)程醫(yī)療，遠(yuǎn)程救援等場(chǎng)合，具有廣泛的應(yīng)用前景。