采用Cortex-M3單片機設(shè)計的WiFi物聯(lián)網(wǎng)小車

　　WiFi物聯(lián)網(wǎng)小車設(shè)計方案，采用電腦上位機軟件通過無線WiFi 控制小車的運動，采集小車的信息。與傳統(tǒng)的“智能小車”相比，主要特點在于使用32 位高性能單片機控制、互聯(lián)網(wǎng)通信機制和電腦上位機軟件控制。此方案融合了電腦軟件、網(wǎng)絡(luò)通信、圖像處理、圖形顯示、運動控制、速度采集和溫度采集等技術(shù)，具有“物聯(lián)網(wǎng)”的相關(guān)特點。傳統(tǒng)的小車控制大多使用紅外通信，使用遙控器進行控制，不但受到距離的限制，而且遠沒有電腦軟件直觀美觀。互聯(lián)網(wǎng)通信使小車具備遠程控制的能力，這是紅外通信望塵莫及的。此外，本方案小車控制芯片采用Cortex-M3單片機，該單片機具有極豐富的外設(shè)，這給小車以后功能升級和擴展奠定了基礎(chǔ)。

　　1 總體設(shè)計方案

　　WiFi 物聯(lián)網(wǎng)小車設(shè)計方案需要達到的目的是使用電腦軟件（簡稱上位機）通過互聯(lián)網(wǎng)與小車控制端（簡稱下位機） 進行通信，從而控制小車的運動，采集小車的速度、溫度以及視頻監(jiān)控等功能?？傮w設(shè)計方案如圖1 所示。圖中有2 種通信模式可選，其中“WiFi 局域網(wǎng)小車控制”是采用局域網(wǎng)的方式，將上位機、無線路由器和小車組成一個局域網(wǎng)，實現(xiàn)上位機控制小車的目的?！盎ヂ?lián)網(wǎng)遠程小車控制方案”是采用遠程互聯(lián)網(wǎng)的方式，將上位機與小車組成一個互聯(lián)網(wǎng)，從而實現(xiàn)遠程控制小車的目的。2 種方案的技術(shù)類似，由于受到實驗條件的限制，本設(shè)計以局域網(wǎng)小車控制為例進行講解說明。

　　圖1 總體方案設(shè)計

　　從通信的角度來講，無線路由器是上位機和下位機的數(shù)據(jù)中心，上位機通過Winsocket 套接字編程創(chuàng)建一個網(wǎng)絡(luò)接口與路由器進行連接，小車端通過一個串口轉(zhuǎn)WiFi 模塊，將串口數(shù)據(jù)通過WiFi 模塊轉(zhuǎn)換成WiFi 信號與路由器交互。此過程中，上位機和下位機WiFi 模塊均有一個獨立的局域網(wǎng)IP 地址。通過這個IP 地址上位機和下位機便可以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信。

　　從控制的角度來講，上位機是小車的控制中心，上位機通過“按鍵”發(fā)出指令給小車，小車收到指令后回傳相關(guān)數(shù)據(jù)給上位機，上位機收到小車回傳的數(shù)據(jù)，經(jīng)過解析，將其顯示出來。

　　1.1 上位機軟件設(shè)計

　　上位機主要功能是控制小車運動，顯示小車的速度、周圍的溫度以及小車采集的攝像。如圖2 所示，這些功能由2 個線程來完成分別是“圖像、聲音處理線程”和“小車運動控制，速度、溫度采集線程”等。前一個線程主要負責接收并處理有小車WiFi攝像頭傳過來的圖像信息和音頻信息，此部分主要涉及到DirectShow 相關(guān)技術(shù)。后一個線程主要負責小車運動的控制，包括“前進、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、停止、加速、減速、轉(zhuǎn)向燈和喇叭”以及接收處理小車回傳的溫度和速度信息等，并用虛擬圖表顯示出來。上位機軟件2 個線程都創(chuàng)建了一個互不相干的套接字，前者用于與小車WiFi 攝像頭進行數(shù)據(jù)交互，后者用于與小車串口轉(zhuǎn)WiFi 模塊進行數(shù)據(jù)交互。

　　圖2 上位機軟件設(shè)計方案

　　1.2 下位機軟件設(shè)計

　　下位機軟件設(shè)計，即Cortex-M3 核心處理器的程序設(shè)計，如圖3 所示。設(shè)計方案主要包括：攝像的控制、小車4 個電機的控制、DS18B20 溫度數(shù)據(jù)的采集、紅外對管速度模塊數(shù)據(jù)的采集以及采集到數(shù)據(jù)后數(shù)據(jù)的處理打包發(fā)送等內(nèi)容。其中攝像的控制、電機控制以及溫度和速度的采集均以函數(shù)的形式獲取，當下位機收到上位機的相關(guān)命令后，便調(diào)用相應的函數(shù)獲取到結(jié)果后用固定的格式發(fā)送給上位機。

　　圖3 下位機軟件方案

　　下位機實現(xiàn)WiFi 與無線路由器通信的核心是串口轉(zhuǎn)WiFi 模塊，通過這個模塊可以將下位機發(fā)送的串口數(shù)據(jù)直接轉(zhuǎn)換成WiFi 信號發(fā)射出去。在使用此模塊之前可以通過多種方式進行配置，只要配置好了，便可以與制定的WiFi 接入點進行網(wǎng)絡(luò)通信。

　　2 設(shè)計方案特點及擴展說明

　　2.1 特點介紹

　　本方案是基于將電腦軟件、互聯(lián)網(wǎng)通信以及單片機技術(shù)相結(jié)合的理念構(gòu)想設(shè)計的。從單片機的選型、通信方案的確定以及上位機軟件的設(shè)計等都與傳統(tǒng)的“智能小車”有很大的特別之處。以下是本設(shè)計方案的3 大特色：

　?、?小車的控制芯片采用功能強大的Cortex-M332 位高性能、低功耗的處理器，該芯片具有豐富的外設(shè)，芯片還支持ARM 公司提供的RLTx 實時操作系統(tǒng)，使用起來非常方便；

　?、?通信方式采用TCP / IP 通信協(xié)議，使用無線WiFi 技術(shù)，實現(xiàn)對小車的控制。此通信方案（如圖1），在具有私有IP 的情況下可以連接遠程網(wǎng)絡(luò)，可以通過遠程網(wǎng)絡(luò)遙控小車，這在“智能家居”和“遠程醫(yī)療”等領(lǐng)域?qū)胁诲e的使用價值；

　?、?利用電腦上位機管理軟件，使單片機控制、網(wǎng)絡(luò)通信和計算機軟件有效地結(jié)合。此方案設(shè)計上位機軟件來管理小車，符合將復雜的控制簡單化、界面化的設(shè)計理念。

　　2.2 擴展說明

　　Cortex-M3 單片機強大豐富的外設(shè)資源為本設(shè)計的擴展奠定了強大的基礎(chǔ)。除了已實現(xiàn)的功能外，單片機還剩下2 個串口未用，這使小車還可以添加如下功能：GPS 導航功能、語音功能以及GSM/GPRS 發(fā)短信、打電話和無線上網(wǎng)功能。

　　3 方案難點及關(guān)鍵技術(shù)

　　方案難點有：

　?、?上位機控制小車的運動對實時性的要求很高，而采集小車的速度并用表盤顯示出來，這對通信的穩(wěn)定性又提出了要求，而對于本來就存在延時的TCP / IP 通信來說更是難上加難；

　?、?圖像處理主要是借鑒網(wǎng)上DirectShow 開發(fā)指南中提供的技術(shù)，很多內(nèi)部的處理機制和信號過濾器的使用是難點；

　?、?上位機速度表盤顯示速度不連貫，偶爾還有“卡死”的現(xiàn)象。

　　關(guān)鍵技術(shù)有：① 通信協(xié)議的制定；② 下位機采集并處理信息的方法；③ 上位機套接字編程，速度表盤動態(tài)顯示速度；④ 上位機顯示小車監(jiān)控視屏；⑤ 小車作為WiFi 接入點接入網(wǎng)絡(luò)。

　　4 系統(tǒng)仿真結(jié)果分析

　　4.1 WiFi 物聯(lián)網(wǎng)小車整體外觀

　　小車整體外觀如圖4 和圖5 所示，系統(tǒng)由上位機和小車組成，小車控制電路放在小車上。小車控制器主要包括：電機控制、測速、測溫、通信、圖像采集和無線路由等。

　　圖4 WiFi 物聯(lián)網(wǎng)小車

　　圖5 小車俯視圖

　　4.2 系統(tǒng)整體調(diào)試

　　WiFi 物聯(lián)網(wǎng)小車控制系統(tǒng)上位機界面主要包括：網(wǎng)絡(luò)設(shè)置、功能設(shè)置、視屏監(jiān)控區(qū)、運動控制區(qū)、速度顯示區(qū)、溫度顯示區(qū)以及調(diào)試窗口。網(wǎng)絡(luò)設(shè)置用于上位機與小車進行網(wǎng)絡(luò)連接，輸入小車IP 地址，點擊“連接”即可。視頻監(jiān)控功能需要小車端安裝WiFi攝像頭，通過點擊視頻顯示框下面的“Call”按鈕可以連接WiFi 攝像頭的IP 地址，連接成功即可獲取攝像頭采集到的圖像。運動控制區(qū)用于控制小車的運動和顯示小車的轉(zhuǎn)向燈、喇叭等。速度顯示區(qū)是一個速度表盤用于顯示小車的實時速度。溫度顯示區(qū)是一個溫度計的圖形界面，可以顯示小車上DS18B20 傳感器的溫度值。通信調(diào)試窗口在調(diào)試程序時使用。

　　4.2.1 網(wǎng)絡(luò)連接

　　網(wǎng)絡(luò)連接調(diào)試使用網(wǎng)上下載的TCP網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手，首先設(shè)置TCP調(diào)試助手為服務器模式，設(shè)置服務器監(jiān)聽IP為192.168.16.110，端口設(shè)為345，連接網(wǎng)絡(luò)，此IP 地址和端口號是UART 轉(zhuǎn)WiFi 模塊的IP地址和端口號，通過單片機用AT 指令設(shè)定。網(wǎng)絡(luò)連接成功后，小車上位機會不斷的發(fā)送“014，SR1，TE1，029.6”，表示小車端當前的溫度是29.6 ℃。

　　4.2.2 小車運動

　　小車運動控制部分的調(diào)試同樣采用上位機和TCP 網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手進行調(diào)試。連接好網(wǎng)絡(luò)后，在上位機上分別點擊“↑”，“↓”，“←”，“→”，“█”，“加速”，“減速”。在調(diào)試助手接收窗口上依次接收到 “：014，SG1，UP1，;” 、“：014，SG1，DO1，;”、“：014，SG1， LE1，;”、“： 014， SG1， RI1，;”、“： 014， SG1，ST1，;”、“： 014， SG1， AD1，;” 和“： 014， SG1，SU1，;”，分別表示“前進”，“后退”，“左轉(zhuǎn)”，“右轉(zhuǎn)”，“停止”，“加速”和“減速”。

　　4.2.3 溫度和速度的顯示

　　溫度和速度的測試直接在小車的實際運動過程中進行測試。打開小車，連接上位機，用手捂住小車上的 DS18B20，觀察上位機上溫度顯示區(qū)模擬溫度計的度數(shù)變化，然后用手轉(zhuǎn)動小車的輪子觀察上位機速度顯示區(qū)速度表盤指針的變化，改變溫度和速度的大小，發(fā)現(xiàn)速度表盤指針和溫度指示相應發(fā)生變化，因此可以判斷溫度和速度的傳輸沒有問題。

　　5 結(jié)束語

　　通過反復調(diào)試和修改代碼，可以實現(xiàn)預想的功能。通信穩(wěn)定，小車的控制可靠，數(shù)據(jù)采集的準確度和靈敏度達到要求。在不涉及到遠程聯(lián)網(wǎng)控制的情況下，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性已經(jīng)遠遠超過普通的紅外遙控小車和無線射頻遙控小車。方案的意義在于將電腦軟件技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和單片機技術(shù)有效結(jié)合，突出體現(xiàn)并且深化了“物聯(lián)網(wǎng)”的含義，未來必將廣泛應用于社會生活和生產(chǎn)中。方案的應用領(lǐng)域主要有無人駕駛、遠程監(jiān)控和智能家居等。