基于WiFi的可實時視頻同傳的探測小車

摘要：為了在高溫、有毒等特定環境下進行視頻圖像數據、氣體參數等環境狀態的檢測，本文設計一種基于單片機的可實時視頻同傳的探測小車。Windows監控端通過DB120無線路由器與單片機STC89C52控制中心通信，發送控制信號給電機驅動模塊L298N、LED模塊，實現小車轉向、進退及燈光的控制;攝像頭模塊、溫度傳感器模塊進行視頻數據、溫度數據的采集，并實時回傳給Windows監控端。

引言

隨著自動化技術的發展，智能控制廣泛應用在軍事、科研、民用領域。無線探測小車集成了電子、機械、通信、傳感器、計算機軟硬件、人工智能及自動控制等多方面的技術。此外，其成本低、體積小、操作簡單，能較好地應用在勘探、環境監測等應用。本文旨在設計一種能在高溫、有毒等特定環境下，進行遠距離無線遙控以及攝像、測溫探測的單片機小車控制系統。

1 系統總體方案設計

本項目設計的是集單片機控制模塊、攝像模塊、溫度傳感器模塊、照明模塊及路由模塊為一體，可實時視頻傳輸及環境探測的探測小車，其系統硬件結構框圖如圖1 所示。探測小車以單片機芯片STC89C52為控制中心，電機驅動模塊L298N進行小車直流電機的驅動控制，溫度傳感器進行外部環境的檢測，攝像頭模塊進行視頻圖像的采集，LED模塊進行照明，并通過無線WiFi路由模塊實現Windows控制端與小車的無線通信。

2 硬件設計及選型

硬件部分主要采用市場上比較流行、穩定性高且性價比高的模塊，此外，大部分模塊都組裝簡單、升級方便、可移植性強，便于項目的開發及后續升級維護。例如，攝像頭可通過USB接口直接連到路由器上，無需單片機轉發，簡化了視頻流的傳輸。

2.1 電機驅動模塊

電機驅動模塊選用L298N，可接收標準的TTL邏輯電平信號，可驅動46 V/2A以下的電機。其驅動模塊原理圖如圖2所示，L298N輸入電壓是12V，L298N的OUT1、OUT2和OUT3、OUT4之間分別接2個電機，本項目可直接使用單片機的I/O輸入口Port1～Port4，APWM、B PWM改變L298N的IN1、IN2、IN3、IN4引腳及ENA、ENB使能端，從而分別實現控制電機的正反轉及停止功能。

2.2 無線WiFi路由模塊

無線WiFi路由模塊采用的是DB120路由器，此路由器是OpenWRT系統，刷機升級十分簡單。本項目可以通過網絡下載，在同一網段內通過瀏覽器登錄192.168.1.1，選擇“0829-openwrt-rc6-RG100A_DB120-squashfs-cfe.bin”版本的固件進行燒錄。固化后，該路由模塊可作為轉發站，實現USB攝像頭的加載及與單片機的串行通信。

2. 3 攝像頭模塊

本項目選用中星微301主控芯片的USB攝像頭模塊，通過簡單的路由設置就能快速實現攝像頭的掛載。掛載成功后，可通過路由器的WiFi轉發攝像頭的動態視頻至Windows控制端。

2.4 溫度傳感器模塊

本項目選用DALLAS公司生產DS18B20的一線式溫度傳感器，進行外部環境數據的監測，其線路簡單，僅有GND、DQ、VDD三個引腳。其中，DQ為數字信號輸入/輸出端，GND為電源地，VDD為外接供電電源輸入端。

3 軟件設計

本項目中，用戶監控端與探測小車通過WiFi路由進行數據傳輸，因此，開發人員在軟件設計與實現過程中需要對小車進行控制編程、監控視頻動態顯示、控制界面GUI設計及網絡編程(Socket編程)。

項目開發過程中，選用Keil C51開發環境，對探測小車進行軟件編程，實現對外部環境的測溫及小車電機的控制;選用編程簡單靈活、可移植性強的QT開發環境，進行Wind ows控制端的GUI設計、Socket編程及視頻動態顯示。此外，還選用了單片機多功能調試助手軟件、TCPUDP—Debug軟件進行單片機的通信測試。

3.1 小車電機控制編程

進行電機驅動模塊L298N的電路連線，Port1～Port4分別為P2^0～P2^3，查閱L298N的數據手冊，對照其邏輯功能表在Keil C51下進行電機前進、后退、左轉、右轉和停止的編程。編程樣例如下所示：

3.2 Socket編程

探測小車與路由器通信中，主要用到了QTcpSocket客戶端和QTcpServer服務器，其中本項目進行監控端Socket編程。按照通信的交互時序，先創建TcpSocket類，然后建立連接。其關鍵代碼如下：

3.3 監控端GUI設計及視頻動態顯示

進行監控端界面設計時，需考慮到整個界面的布局及易操作性。本項目選用WebView控件進行視頻的顯示;ButtonBox控件作為前后左右等按鈕開關;Label控件顯示溫度值、時間和標題;LineEdit控件作為IP和端口號輸入端。

由于WebView控件只能加載路由轉發的靜態圖像，因此，為了實現監控端實時視頻動態顯示，除了進行IP地址及端口號綁定設置外，還需要多加一個定時器來動態刷新。以下為關鍵代碼：

3.4 實驗結果

通過軟硬件設計、編程調試及后期功能測試，探測小車系統能較好地實現小車控制、外部環境監測、視頻實時動態顯示、LED照明等功能，整個控制過程中，可操作性較強系統啟動后，用戶只需進行IP及端口的綁定設置，然后單擊“連接”按鈕;連接成功后，該按鈕將變成“已連接”狀態且右邊的紅色標識變成綠色，此時，通過監控端上的按鈕，用戶可對小車進行前后左右的控制、開關LED燈、獲取實時視頻圖像及外部環境溫度。Windows監控端如圖3所示。

結語

基于WiFi的實時視頻同傳的探測小車是一個集單片機、路由器、攝像頭、QT等各種軟硬件于一體的智能化探測小車系統。本系統只是一個基礎平臺，包括小車行走控制、燈光控制、測溫、實時視頻傳輸、數據回傳功能，其軟硬件設計簡潔，開發成本低。在今后的研究中，針對不同的應用及環境特性，項目研發人員可以在此基礎上增加相關模塊功能，如云臺舵機、機械手臂、氣體檢測傳感器模塊，可對外部環境實現全方位的視頻監控、危險物品拾取、有毒氣體的預警等。