基于Android平臺的小型移動機器人視頻監控系統的設計

林勇 陳飛

關鍵詞：機器人；視頻；監控；系統

早期的監控系統以閉路電視為主，即模擬閉路電視監控系統[1]。這類系統主要應用于公安及安防領域，只適應較小的地理范圍，應用靈活性較差，不易擴展功能，而且工程施工難度也較大，視頻、音頻及控制信號都需要線路鋪設，工程量大。經過幾年的發展，隨后出現數字化監控系統，把音視頻信號的采集與存儲定為數字形式存儲文件，質量高，與系統之間交換數據方便可靠，但該系統同樣存在一些弊端，要實現遠距離音視頻傳輸，兩端設備成本高，線路鋪設工序不可少，不易維護。近年來，隨著互聯網通信技術、數字圖像處理技術的發展，基于互聯網的視頻監控系統出現便迅速普及，系統不再鋪設專用數據傳輸通道，音頻及視頻文件傳輸穩定性、可靠性大大提高。視頻監控應用領域已經從單一的安防方向擴大到交通、教育、家庭、物業及金融等領域，人們安全生活得到保障。在信息化、數字化、智能化的當今社會，視頻監控技術、物聯網等新技術之間開發創新必不可少，這一變化正一步步走近人們生活，可見人們生活方式和工作方式正在改變[2]。

1 監控現狀分析

1.1 監控現狀

無論是物業監控，還是交通監控，視頻監控大多采用有線方式。一般將攝像頭采集到的圖像通過網線傳送到監視器，工作人員坐在終端監視器前查看監視的結果。監控人員被束縛在監視前，視覺疲勞，另外攝像頭采集圖像的范圍區域也受到限制，只能監控到特定的范圍，監控區域受限，存在盲區。這些情況監控人員需要到現場巡查，不能時刻現場蹲守，監控區域的安全得不到保障。

1.2 存在問題與對策

前期的移動機器人運動控制都是通過遙控器來完成，應用距離受到局限，隨著移動通信技術飛速發展，通信設備的功能也日益強大，Android手機不僅僅用來通話，越來越多地運用來管理個人日常事務上。如果攝像頭安裝在活動機器人或小車上，再通過手機連接網絡控制機器人，機器人載有攝像頭監控物質所處環境，這樣可以避免監控盲區達到完美監控效果。基于Android的移動機器人監控系統不僅克服了傳統監控終端不能帶在身邊的缺點，還能讓視頻監控與運動機器人技術相結合，在運動過程中實現視頻監控與數據傳輸。根據監控環境，個人調整的機器人運動狀態，克服固定終端視頻監控覆蓋范圍小，不具備移動性存在盲區等缺點。這樣的功能將給人們的生活、工作帶來更多便利。

2 系統結構設計

2.1 系統硬件模塊設計

移動機器人監控系統的外形選用小車結構，由幾部分硬件組成，分別是Wi-Fi模塊、STM32微控制器模塊、攝像頭、電機及履帶等控制器件組成。客戶端選用Android智能手機。其系統框圖如圖1。

Android 客戶端一般選用華為系列智能手機即可，比如P系列。Wi-Fi模塊采用TP-LINK類小型無線路由器如WR703N，為智能手機和移動機器人提供通信的Wi-Fi通道，該無線路由器移植OpenWrt開源系統，并安裝Mjpg-streamer和Ser2net軟件。對于移植在Wi-Fi內的mjpg_streamer軟件目的是把從攝像頭采集的圖像，以數據流的形式，通過網絡IP地址傳輸到客戶端瀏覽器，這樣攝像頭數據通過Wi-Fi以流的形式傳給手機客戶端。Ser2net軟件是一個通用的Socket轉串口的軟件，能夠實現TCP/IP格式的數據與串口數據互相之間轉換，方便與STM32模塊之間通信。USB攝像頭為數字攝像頭。STM32F105芯片是微控制器，是移動機器人的核心處理器，相當于電腦的CPU，配備2200mAh 8A12V電池組提供電源。移動機器人車輪用履帶結構防止運行中翻車，保持穩定性。STM32F105中心處理器是32位微處理器，由意大利意法半導體公司研發，芯片設計ARM Cortex-M3 內核，工作頻率最高可達72MHZ，芯片內集成有定時器、DMA控制器，外圍有USB接口、UART、CAN等多種功能接口，成本低，運行功耗也較低，功能齊全的外設與接口，具有良好性能，在智能控制領域應用較為廣泛。應用Keil集成開發環境，Keil為STM32芯片提供了多種函數庫，方便選擇調用現有函數對芯片集成器、接口進行配置，方便高效[2]。

2.2 系統開發軟件

系統軟件開發環境包括Android操作系統開發環境和移動機器人驅動開發調試環境Keil[3]。

2.2.1 Android 操作系統開發環境

Android操作系統是由谷歌公司和開放手機聯盟共同開發，主要應用于移動設備，比如智能手機、平板等操作系統[4]。谷歌公司在Android系統上內置了很多現有的應用、通信功能及互聯網瀏覽器等。高效的Android系統是完全開源，方便研發者調用。綜合考慮系統采用Android Studio作為系統終端開發模擬環境。安裝過程分為兩個步驟：1） 安裝JDK;2） 安裝an?droind Studio。

2.2.2 移動機器人控制開發環境

系統中移動機器人控制運用STM32處理芯片，這款芯片應用Keil uVision 開發軟件下載仿真開發。Keil軟件開發平臺由德國Keil公司開發，軟件包括C 編譯器、宏匯編、鏈接器、庫管理和一個功能強大的仿真調試器等，功能強大。它將上述功能集成在一起，構成方便易用的模擬開發環境和強大的軟件仿真調試工具，研究開發人員應用廣泛。

安裝Keil 開發軟件后，打開軟件點擊：Projiet->New uVision Project……新建一個項目界面，指定路徑，便于管理，這樣不同功能程序放到不同名稱文件夾下，項目工程文件命名。從器件庫中選擇所有的芯片型號，比如STM32F105芯片，進行相關配置。在工程項目下我們可以新建代碼文件，寫源程序，然后編譯、連接調試、運行、保存和下載。仿真器將目標文件下載到STM32芯片處理器，進行仿真調試等工作，例如J-Link仿真器支持Keil集成開發環境，支持STM32 處理器中的ARM Cortex-M3內核[5]，程序下載快，效率高，通過USB接口供電，即插即用，非常方便。

3 系統功能設計

基于Android操作系統的小型移動機器人，以An?droid 客戶端為載體，通過Wifi 局域網連接控制端STM32F105芯片，控制移動機器人運動狀態，同時將運動過程中拍攝的圖像數據實時通過Wifi傳送給An?droid客戶端。

3.1 移動機器人運動狀態控制設計

客戶端怎樣發送或接收控制數據，根據Android 平臺開發App對應按鈕，應用TCP協議，通信中雙工連接客戶端和服務器端。客戶端即手機，服務器端即Wi-Fi模塊及運動機器人核心處理器。設計思想中運用java.net.*包，包中提供了Socket和serverSocket類，輸入流使用getinputstream（）和read（）的方法讀取輸入流中數據。輸出流利用getoutputstream（）和Write（）方法獲得向輸出流中寫數據，實現了雙向通信數據的交換，達到軟件控制移動機器人目的，即客戶端手機控制了移動機器人。

3.1.1 移動機器人運動狀態控制方案

Wi-Fi模塊移植了串口透傳Ser2net軟件，ser2net 軟件是一個允許gensio接受器和gensio連接器之間連接的程序。ser2net的作用可以將Wi-Fi控制數據通過USB轉TTL連接線傳給STM32F105控制板，當然可以將STM32F105控制板信息通過TTL轉USB傳輸給Wi-Fi模塊串口，既保證芯片供電又進行數據傳輸通信。應用Android 開發平臺設計客戶端手機App 按鈕，加套接字Socket進行編程啟動數據傳給Wi-Fi模塊，使用Wi-Fi模塊的2001端口通過串口透傳給服務器端控制主板，進行移動機器人運動狀態控制。

3.1.2 移動機器人運動狀態控制軟件實現方法

控制移動機器人運動狀態可以應用通信協議中包頭和包尾起校驗功能，校驗控制指令均設為0Xff，類型位設置為0x00，表示運動狀態進行控制，命名位表示移動機器人處于不同運動狀態，例如停止、前進、后退、左轉和右轉分別設置為0x00、0x01、0x02、0x03、0x04等。

按照通信協議向移動機器人發出控制指令，例如安卓手機客戶端App可點擊后退按鈕，借助輸出流編程outputstream發出如下控制指令，達到控制目的。

Outputstream. write（new byte[] {（byte） 0xff， （byte）0x00， （byte） 0x02 （byte） 0x00， （byte） 0xff}）;

Outputstream.flush（）;

3.2 移動機器人視頻監控設計

安卓手機客戶端通過HTTP協議和URL通過端口映射從Wi-Fi模塊獲得視頻流，從而進行視頻解析與顯示工作。在播放視頻過程中可以應用安卓客戶端App對視頻任意一幀抓拍，通過安卓手機客戶端應用程序按鈕查看通過USB數字攝像頭采集經過壓縮成MJPEG格式的視頻數據。

3.2.1 移動機器人視頻監控設計方案

安卓客戶端根據移動機器人運動所處的環境，采集數據。視頻監控系統有視頻采集模塊、視頻傳輸模塊、視頻接收模塊、視頻解析與顯示模塊等。Wi-Fi模塊內移植mjpg-streamer軟件，mjpg-streamer是一個優秀的視頻流服務器軟件，它可以通過HTTP的方式訪問系統上面的兼容攝像頭，做到遠程視頻傳輸的效果。若想把MJPEG格式的視頻流傳給Wi-Fi模塊，我們應用數字攝像頭采集動態或靜態圖像，邊采集邊把輸入的數據以流的形式，通過網絡IP地址傳輸到客戶瀏覽器端。Wi-Fi模塊通過USB接口與攝像頭相連，這樣給Wi-Fi模塊提供電源的同時，采集到的數據將以MJPEG 格式的視頻流傳給 Wi-Fi 模塊。再通過移植的mjpg-streamer 視頻流服務器的輸入組件inputuvc和輸出組件output-http來實現視頻數據傳輸。流媒體采用流式傳輸技術，發送方所要發送的視頻文件并不是事先錄制好存儲在服務器上，而是同時錄和發，而接收客戶端采用同步下載同步解壓，在App端播放。

3.2.2 移動機器人視頻監控實現方法

Wi-Fi 模塊內移植視頻流服務器mjpg-streamer，mjpg-streamer輸出組件output-http用HTTP協議進行視頻數據傳輸。HTTP協議支持客戶/服務器模式，簡單、快速、靈活的傳輸方式，最主要的是無連接也能傳輸，即客戶端接收視頻主要通過HTTP協議和URL來實現。一般URL有四個部分組成：<協議>：//<主機>：< 端口>/<路徑>，安卓客戶端從Wi-Fi模塊獲取視頻數據，通過端口映射技術，根據Wi-Fi模塊服務器的IP 地址，例如192.168.5.10，那么URL 如下所示：http：//192.168.5.10：8080/？action=stream，數字8080表示Wi-Fi模塊服務器上用來進行視頻傳輸的端口，？action=stream 表示視頻數據具體的名稱。若將http：//192.168.5.10：8080/？action=snapshot，此時安卓客戶端按鈕獲取到的不是動態連續的視頻，而是一幅幅靜態的圖像。

4 結束語

基于Android平臺的移動開發系統，具有開發周期短、開源效率高、操作方便及友好人機界面等優點，靈活的控制性能，可以彌補傳統機器人控制不靈活、便攜性差等缺點，受到廣大研發者的好評。本文設計基于Android平臺的小型移動機器人視頻監控控制系統，在客戶端用Android Studio設計客戶端應用程序App，結合控制板STM32F105微處理器，在路由器內植入串口透傳軟件Ser2net，完成移動機器人的運動方向的控制設計。在路由器內植入Mjpg-Streamer視頻流服務器軟件，再應用端口映射技術從而達到局域網內控制移動機器人運動和視頻監控的設計目的。在此基礎上后期可以進一步將控制對象的距離范圍擴大，由局域網遷移到廣域網，滿足更為廣泛應用需求。