基于Wi-Fi技術(shù)的智能控制小車設(shè)計與實現(xiàn)

　　梁?妍，張?zhí)煲唬ㄠ嵵莨ど虒W(xué)院，鄭州?450000）

　　摘?要：本文是對Wi-Fi智能電動小車的設(shè)計，采用硬件和軟件結(jié)合的方式實現(xiàn)，主要由控制模塊、Wi-Fi信號模塊、驅(qū)動模塊、攝像模塊等多個模塊組成。攝像模塊獲取的視頻或圖片信息可以通過Wi-Fi信號傳送給手機或電腦PC機，而手機或電腦PC端也可以通過Wi-Fi發(fā)送指令給控制模塊，從而控制驅(qū)動模塊來驅(qū)使小車動作，最終實現(xiàn)實時監(jiān)控及精確控制小車運行的目的。

　　關(guān)鍵詞：Wi-Fi；智能控制；驅(qū)動模塊；小車

　　0 引言

　　目前在學(xué)生電子設(shè)計競賽中，有關(guān)智能電動小車設(shè)計和研究項目非?；馃帷，F(xiàn)在電子市場上的智能小車，很多是兒童玩具小車、紅外遙控小車，或是帶自動尋跡、避障功能的小車，往往存在一些缺陷和漏洞。隨著無線網(wǎng)絡(luò)的不斷興起和發(fā)展， Wi-Fi技術(shù)應(yīng)用愈加廣泛，它是一種無線技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)傳輸標(biāo)準(zhǔn)，將普通智能小車加上Wi-Fi技術(shù)是一種綜合性很強的設(shè)計。

　　本文是基于Wi-Fi技術(shù)的智能小車設(shè)計，以STM32單片機為控制核心，加裝有攝像頭，可以實現(xiàn)對小車的位置、速度、運動狀況的實時檢測，將檢測的信息通過Wi-Fi模塊傳送至手機或個人電腦，可以利用Wi-Fi對小車控制模塊發(fā)送控制指令，從而控制小車的運動，實現(xiàn)小車的智能監(jiān)測及控制。

　　1 系統(tǒng)總體設(shè)計

　　1.1總體設(shè)計結(jié)構(gòu)框圖

　　總體設(shè)計由嵌入式單片機控制模塊、直流電機驅(qū)動模塊、路由器模塊、免驅(qū)攝像頭模塊等組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

　　Wi-Fi是路由器模塊發(fā)射出的信號，選用wr703n迷你路由器，用于接收手機或電腦發(fā)送的指令，同時把攝像頭采集的視頻信號傳送到手機或電腦屏幕上；選用嵌入式單片機STM32F103作為控制模塊，是整個系統(tǒng)的控制核心；4個直流電機由L298N芯片驅(qū)動轉(zhuǎn)動，驅(qū)動芯片可以使直流電機正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)，進(jìn)而驅(qū)動智能小車進(jìn)行前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)等動作；攝像頭的安裝為智能小車提供了視野角度，攝像頭采集的視頻通過Wi-Fi信號發(fā)送到手機或電腦屏幕上，從而讓智能小車在復(fù)雜的環(huán)境下來去自如；LED的設(shè)計可以用于提示作用，當(dāng)電源通電以后，LED燈發(fā)出亮光并進(jìn)行花樣閃爍；智能小車進(jìn)行不同的運動，LED燈都有對應(yīng)的提示，使得小車的運動更加完善；電源模塊為整個系統(tǒng)提供能量。

　　1.2 整機工作原理

　　智能電動小車的工作原理是手機或電腦上的APP軟件發(fā)布指令控制小車運動。當(dāng)路由器正常工作并發(fā)射出Wi-Fi信號時，手機或電腦連接Wi-Fi信號，使得手機或電腦和路由器的IP地址在同一網(wǎng)段并進(jìn)行正常的通信；打開手機或電腦上的小車APP軟件發(fā)送控制指令，控制指令通過Wi-Fi信號發(fā)給路由器；路由器接收到手機或電腦的控制指令后，通過串口將信號傳送至單片機，由單片機進(jìn)行分析、處理，而單片機處理后的電平信號轉(zhuǎn)化成控制指令傳遞給驅(qū)動模塊，驅(qū)動模塊做出相應(yīng)的指令來驅(qū)動直流電機的轉(zhuǎn)動，以完成智能電動小車的前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎的功能；當(dāng)智能小車轉(zhuǎn)動時，LED燈根據(jù)小車運動的方向做出相應(yīng)的提示。攝像頭的作用是為小車運動采集信息，攝像頭采集視頻之后通過Wi-Fi信號發(fā)送到手機或電腦的屏幕上，通過觀察屏幕上的視頻讓智能小車運動自如。

　　2 硬件電路設(shè)計

　　2.1 主控制模塊

　　主控制模塊選用的芯片為STM32F103C8T6，是一款低功耗的控制器。本次設(shè)計用路由器的串口和單片機的串口之間相互通信，路由器將接收到的控制指令通過串口通信發(fā)送到單片機上，讓單片機做出相應(yīng)的指令反饋從而實現(xiàn)智能小車的運動。

　　最小系統(tǒng)是基本的功能單元，由微控制芯片、時鐘電路、復(fù)位電路、電源電路、啟動配置電路和程序下載電路組成。電源電路是必不可少的部分。時鐘電路是單片機必須具備的電路設(shè)計，它影響著單片機是否正常運行。時鐘電路為單片機提供時鐘信號，配合單片機程序，使得單片機有節(jié)奏地控制各個電路部件。單片機的復(fù)位就是讓電路恢復(fù)到一個初始狀態(tài)，并確保單片機的穩(wěn)定性和可靠性。啟動模式由BOOT0和BOOT1來選擇，有3種不同啟動模式。程序下載主要用于芯片測試。

　　時鐘電路采用的是內(nèi)部時鐘方式，需要在XTAL1引腳和XTAL2引腳兩端連接一個8 MHz的晶振和兩個20pF的電容組成時鐘電路，為整個系統(tǒng)提供了穩(wěn)定的時鐘信號源。復(fù)位電路中，使用10 kΩ的電阻、104 F的電容和一個按鍵來實現(xiàn)。

　　2.2 供電電源模塊

　　電源模塊為整個設(shè)計提供能源。本文設(shè)計中控制電路部分使用+3.3 V直流供電，電機驅(qū)動模塊使用的有+5V和+12 V的直流電源，+12 V的電壓可以由電池組獲得，而+3.3 V和+5 V電源可以由電路轉(zhuǎn)換得到，設(shè)計中的5 V供電電源模塊電路圖如圖2所示，3.3 V電源電路如圖3所示。

　　2.3 路由器Wi-Fi設(shè)定模塊

　　本設(shè)計應(yīng)用的Wi-Fi信號是由體積非常小的wr703n迷你路由器提供的。選用的是迷你型3G無線路由器TL-WR703N，可以輕松將3G網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)為Wi-Fi信號，使筆記本電腦以及智能手機用戶通過Wi-Fi共享3G網(wǎng)絡(luò)，使用時只需將3G上網(wǎng)卡插上TL-WR703N的USB接口，Wi-Fi上網(wǎng)就可以變得輕松自如。

　　本設(shè)計無需使用上網(wǎng)卡，只是借助于無線路由器的Wi-Fi功能，讓手機或電腦通過無線網(wǎng)絡(luò)控制小車；使用方便，只需要進(jìn)行簡單的路由器刷機和網(wǎng)絡(luò)配置，就可以將一個穩(wěn)定視頻信號通過Wi-Fi傳送到控制終端上。

　　2.3.1 路由器刷機

　　wr703n迷你路由器可以支持Linux操作系統(tǒng)。它的系統(tǒng)就是嵌入在Linux系統(tǒng)上開發(fā)的，可以說它的底層就是Linux操作系統(tǒng)，而Linux操作系統(tǒng)是一個開源的操作系統(tǒng)，從而使路由器的功能更加強大。本次的設(shè)計需要掛載攝像頭，所以wr703n迷你路由器原有的系統(tǒng)要升級為開源的、可編譯的操作系統(tǒng)，這樣才能使達(dá)到本次設(shè)計的可擴展性。

　　2.3.2 刷機過程

　　wr703n迷你路由器刷機是需要有網(wǎng)絡(luò)和Linux操作系統(tǒng)基礎(chǔ)的。首先，在openwrt官網(wǎng)上下載openwrt-ar71xx-generic-tl-wr703n-v1-squashfs-factory.bin文件；下一步，進(jìn)入路由器管理界面，出廠配置為http://192.168.1.1，用戶名和密碼均為admin，然后進(jìn)入固件更新，選擇下載的文件，然后更新；升級完之后，對路由器進(jìn)行初始配置，OpenWrt官方的固件是不帶網(wǎng)頁界面的，所以初始的網(wǎng)絡(luò)設(shè)定需要在命令行下完成；網(wǎng)絡(luò)配置完之后，需要在路由器上安裝攝像頭的驅(qū)動，從而進(jìn)行掛載攝像頭。插上免驅(qū)攝像頭，用手機或電腦連上路由器的Wi-Fi，打開控制小車的APP軟件，然后打開視頻，這時可以看到一個穩(wěn)定視頻信號通過Wi-Fi傳送到了控制終端上，至此說明路由器刷機及其配置完成。

　　2.3.3 路由器的串口通信

　　串口通信設(shè)計部分是通過路由器的串口和單片機的串口相互通信，進(jìn)而實現(xiàn)路由器和單片機的數(shù)據(jù)傳輸。路由器需要引出GND、TX、RX三條串口線，路由器電路板上的TP-IN接到串口線的TX，TP-OUT接到串口線的RX，從USB焊點處引出一條GND線。連接圖如圖4所示。

　　2.4 攝像模塊

　　本設(shè)計中需要在路由器上掛載攝像頭，以判斷路況，實時檢測小車的行駛狀態(tài)。

　　攝像頭有數(shù)字式的和模擬式的，本次設(shè)計選用的是數(shù)字?jǐn)z像頭，重要組成部分是鏡頭、圖像傳感器和DSP控制芯片。它支持OPENWRT系統(tǒng)，為YUV/MJPG動態(tài)格式輸出，是一種免驅(qū)動攝像頭，可以將其連接到所支持的操作系統(tǒng)平臺上。攝像頭在系統(tǒng)上自動配置驅(qū)動，且具有30萬像素，640×480分辨率，能夠滿足本設(shè)計需要。

　　本設(shè)計將攝像頭掛載到路由器上，通過攝像頭的USB接口連接在路由器上，在路由器上安裝攝像頭所需要的驅(qū)動軟件，讓攝像頭正常工作，將其采集到的數(shù)字圖像信號通過路由器傳送給單片機進(jìn)行處理，處理后的視頻信號通過路由器Wi-Fi信號發(fā)送出去，而手機或電腦連上智能小車的專屬Wi-Fi，并打開小車APP軟件，從而接收到視頻信號，實現(xiàn)實時狀況監(jiān)測。

　　2.5 電機驅(qū)動模塊

　　電機驅(qū)動模塊中的電機選用的是直流電機，采用L298N驅(qū)動芯片作為電機驅(qū)動模塊的核心部件。L298N內(nèi)部有兩個全雙橋的H型驅(qū)動電路，是一種二相和四相電機的專用驅(qū)動集成電路，該芯片驅(qū)動電流大，抗噪能力強，完全滿足本設(shè)計需要。

　　本次設(shè)計采用直流電機并聯(lián)的方式，用一個L298N芯片驅(qū)動4臺直流電機，其輸入端可以直接和單片機的I/O口相連，實現(xiàn)對電機轉(zhuǎn)動的方向的控制。驅(qū)動芯片L298N的使能端ENA和ENB接5 V電源，由IN1～I(xiàn)N4組合控制電機的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止。電路中使用8只整流二極管構(gòu)成保護(hù)電路。電機驅(qū)動電路原理如圖5所示。

　　電機的驅(qū)動狀態(tài)通過單片機輸出信號，即L298N的輸入信號來控制。由使能端ENA、輸入信號IN1和IN2控制電機M1/M3；使能端ENB、IN3和IN4控制電機M2/M4。在設(shè)計中ENA和ENB接5 V電源，為高電平，因此只需控制IN1～I(xiàn)N4控制電機的狀態(tài)即可。具體的電機驅(qū)動狀態(tài)如表1所示。

　　當(dāng)兩個控制信號同時為低電平或同時為高電平時，電機都不能轉(zhuǎn)動；只有一個為高電平，一個為低電平時，電機才能轉(zhuǎn)動，并且輸入的低電平和高電平順序不一樣轉(zhuǎn)動的方向也就不一樣，從而實現(xiàn)小車的轉(zhuǎn)向控制。

　　2.6 LED指示電路

　　LED指示電路圖如圖6所示。本次設(shè)計LED的作用是當(dāng)電源通電以后，LED先閃爍3次，然后四排燈依次流水式亮起，既起到電源通電提示作用，又可以實現(xiàn)流水燈的效果，還可以作為小車運動的指示燈，使得相應(yīng)的前后左右排燈亮起。

　　3 軟件設(shè)計

　　3.1 軟件設(shè)計的結(jié)構(gòu)

　　本設(shè)計的系統(tǒng)程序包括顯示程序、電機驅(qū)動程序、串口中斷程序、主程序和小車運動控制程序等?？刂萍帮@示程序流程圖如圖7所示。軟件編程是在Keil平臺應(yīng)用C語言來實現(xiàn)的。

　　3.2 智能小車APP軟件

　　本設(shè)計是用手機控制小車運動，因此在手機端需有APP軟件，設(shè)計中采用已有的軟件，通過手機的控制，最終可以實現(xiàn)小車的前后左右的運動功能，還可以實時查看視頻。手機APP軟件設(shè)置如圖8所示，手機APP軟件控制如圖9所示。

　　4 結(jié)論

　　本設(shè)計是基于STM32單片機的智能電動小車，項目上增加了Wi-Fi模塊，使得智能小車的控制更加完善。通過迷你路由器，Wi-Fi的覆蓋面積增大，使得手機或電腦控制性能增強。安裝攝像頭讓小車的運動具有實時監(jiān)控性，讓小車運動更加靈活。攝像頭的使用更有利于小車避障、尋軌等。經(jīng)過軟硬件相結(jié)合的設(shè)計，最終實現(xiàn)了預(yù)計的功能。該系統(tǒng)設(shè)計簡單，控制精度高，并且擴展性好，可以應(yīng)用于車間、路面的實際情況監(jiān)控等場合，也可以作為智能小車進(jìn)一步研究的平臺，具有一定的實際意義。

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　　本文來源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2019年第10期第77頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。