网络环境下的智能控制

学期：2012—2013年度第2学期 《网络环境下的智能控制》

姓 名 冯 阳 学 号 0120909330218 院 系 信息工程学院 专 业 电子科学与技术 班 级 电子0902

提交时间： 年 月 日

网络环境下的智能控制

冯阳

（武汉理工大学信息工程学院 武汉 430070）

摘 要：Wi-Fi无线网络有容易搭建，保密性强，带宽高的优点，应用广泛。目前的视频监控大都以固定的有线监控为主，在某些场合不够灵活，如今Wi-Fi网络越来越普及，若以Wi-Fi网络为传输媒介，移动智能小车作为载体，就可以实现基于无线网络可移动的视频监控。本设计对Wi-Fi视频监控智能小车进行深入的研究，通过对国内外Wi-Fi应用和视频监控领域的调查，提出了设计的实施方案。对各模块进行选型和计算，确定了整体设计方案。本文主要研究Wi-Fi网络下的基于TCP协议的通信，视频流的采集和传送，智能小车的电机驱动设计，舵机控制，单片机的串口通信。研究结果表明：基于Wi-Fi的视频监控智能小车可以在电脑上位机实现对智能小车的控制和摄像头角度的控制，上位机可以清晰的采集到智能小车时事采集的现场画面。

关键词：Wi-Fi；单片机；摄像头；TCP；智能小车

Intelligent Controlling Under Network Environment

Feng Yang

(Wuhan University of Technology, Wuhan 430070)

Abstract: Wi-Fi wireless networks are easy to build, strong security, high bandwidth advantages, widely used. Most of the current video surveillance monitoring in fixed wireline-based, not flexible enough in some cases, terms of Wi-Fi network as the transmission medium, mobile smart car as a smart carrier, you can achieve wireless network based mobile video surveillance, which is based on Wi-Fi network video surveillance smart car.The design of Wi-Fi-based video surveillance smart car in-depth study, through domestic Wi-Fi applications and video surveillance field survey, presented the design implementation. For each module selection and calculations to determine the overall design and software control bill. Thesis, under Wi-Fi networks based on the TCP protocol communications, streaming video capture and transmission, the smart car's motor drive design, servo control, single-chip serial communication.The results showed that: Wi-Fi based video surveillance in the computer PC smart car can achieve control of the smart car and camera angle control, PC can clearly capture the scene to collect the smart car Newsletter screen.

Key words：Wi-Fi；MCU；Camera；TCP；Smart car

引言

无线Wi-Fi网络是现在最热门的无线通信网络之一，应用广泛，接入终端种类多样化，让人们摆脱线缆的束缚，只要有Wi-Fi网络覆盖的地方就可以随时随地接触互联网。随着无线Wi-Fi网络的普及，其应用前景不断的被发掘，借助无线Wi-Fi网络的带宽高的优点，可以传送数据量大的信息，同时可以接入Wi-Fi网络的模块成本低，越来越多的基于有线传输网络的应用转入无线Wi-Fi网络，其中视频监控就是其中的一个例子。

视频监控于20世纪80年代开始流行起来，到现在也仅仅发展了短短的二十多年经即经历了三代，第一代模拟视频监控系统，第二代数字视频监控系统，第三代分布式视频监控系统[1]。

第三代视频监控系统利用移动网络和固定的多媒体通信网络传输监控信号。随着有线和无线多媒体数字通信的发展，特别是随着超宽带网络的接入，第三代监控系统将在不同的领域中大范围使用。该代系统有以下特点：更加节省带宽和存储空间；可进行无限扩展，组成非常复杂的监控网络；监控距离长。这一代视频监控系统又被称为网络视频监控系统。

借助于成熟的IP网络，远程视频监控成为了现实[2]。若将嵌入式的无线视频监控模块装载在移动小车上，则可以控制小车运动来获取所需的视频信息。无线视频监控智能小车充分利用了无线网络，网络视频监控和小车移动性强的优点，将三者有机结合。可以应用于在矿井、安防、监测、反恐等特殊领域[3]，将人类无法涉及的特殊环境的现场信息快速稳定的传递到安全区域。同时无线视频监控小车还可以用于家庭监控系统，用于监控房间内部和周围的环境。

1.1总体方案设计

1.2 主控电路设计

统总体框图如图1.1所示。

1 小车硬件电路设计

图1.1 系统总体框图

该系统硬件主要由Wi-Fi模块、电源模块、舵机模块、电机驱动模块、摄像头和MCU控制模块。系

电源模块负责给所有模块供5V电。Wi-Fi模块负责与电脑的通信和MCU控制模块的通信。MCU控制模块责产生PWM波形控制舵机以及控制小车电机。

主控制电路采用Atmel公司的ATmega16单片机。 ATmega16单片机是一款高性能、低功耗的8位AVR[4]

单片机，RISC结构，16KB的系统内可编程Flash，512字节的EEPROM，两个具有预分频器和比较功能的8位定时器/计数器，一个具有预分频、比较功能和捕捉功能的8位定时器/计数器，四通道PWM，8路10位ADC，两个可编程USART，SPI串行接口，片内模拟比较器，32个可编程的I/O口。单时钟周期指令，运行性能高达1MIPS，电路如图1.2。

图1.2 MCU控制电路

1.2 小车供电设计

小车由锂电池供电，电压为7.4V到8.4V。除直流电机外其余模块都为+5V电源供电。本设计中选用了稳压芯片LM7805。引脚分布为：1-输出；2-接地；2-输出。最大输出电流为1.5A，具有热过载和短路保护的功能。电路如图1.3所示。

图1.3 系统电源原理图

1.3 摄像头

摄像头可以实现对现场画面的监控，可以实时监测小车周围的情况。摄像头加以摄像头云台作为辅助，可以实现摄像头的转动。摄像头采用的是天敏S605摄像头。CMOS传感器，最高帧数为60FPS。采用USB2.0接口，支持Linux操作系统。摄像头实物图如图1.4所示。

图1.4 摄像头

该摄像头像素为130万，可以采集到0*480像素的画面。摄像头内部主要结构如下：1、主控芯片，负责处理视频图像；2、CMOS传感器，将光信号转换为电信号；3、镜头，负责获取光线。另采用两舵机构成的云台，实现摄像头的上下和左右转动。舵机控制信号为PWM信号，周期为20ms，高电平持续时间为0.5ms~2.5ms范围内。通过改变PWM的占空比来改变舵机的动作角度。 1.4无线wifi模块选择

无线Wi-Fi模块负责小车[5]和电脑的通信以及视频信息的采集和传输。本设计采用Tp-link的TL-WR703N路由器作为无线Wi-Fi模块，兼容IEEE 802.11n、IEEE 802.11g、IEEE 802.11b标准，最高传输速率为150Mbps。一个WAN/LAN复用口，兼容IEEE802.3标准，25Mhz外部晶振。MIPS 24K CPU。集成USB2.0 HOST和UART串口。内置Wi-Fi无线天线[6]。无线模块实物图如图1.5所示。

图1.5 无线wifi模块

支持嵌入式OpenWrt操作系统。OpenWrt操作系统是一个适于嵌入式设备的一个Linux发行版，适用于各种无线路由器。OpenWrt不再是一个单一、静态的固件，而是提供一个可以定制软件包的可写的操作系统[。该Wi-Fi模块通过Wi-Fi与电脑上位机通信，通过模块上的串口与MCU控制模块进行通信。

2. 无线wifi网络通信

本设计中Wi-Fi网络通信主要包括两方面，一方面是小车将视频流传送至电脑上位机，另一方面是电脑上位机将控制命令传送给小车。这两个通信都是基于采用基于TCP/IP协议的无线网络实现。在搭建的Wi-Fi网络中，小车的无线模块处于服务器模式，电脑上位机为客户端模式。 2.1 无线wifi组网

Wi-Fi网络的组网模式主要为两种[7]，热点AP模式和Ad-hoc模式。

热点AP模式的WI-Fi网络是一种以热点AP为中心的网络，每个设备节点都将数据发送给AP，通过AP转发机制，与目的节点进行通信。

Ad-hoc即点对点模式。只要两个节点具有Wi-Fi模块就可以实现网络连接。Ad-hoc网络的拓扑结构中没有中心节点AP，节点间地位平等，在通信覆盖范围内，两个节点可以直接通信，若超出网络覆盖范围则需要中继节点转发。

在本设计中采用AP热点模式搭建无线网络，其中无线模块是Wi-Fi网络的热点，其他设备连接到无线模块上。

2.2套接口（Socket）

网络间节点的传输需要依靠网络层和传输层，工作在这两层的协议是TCP/IP协议。应用程序与TCP/IP

[8]

网络是通过特定的接口连接，这种接口被称为Socket（套接口）。本设计中采用流式套接口进行通信。此类套接口提供了一种可靠的，面向连接的双向数据传输服务，实现了数据流无差错和无重复地发送。流式套接口中存在流量控制，被传输的数据可以看成是无记录边界的字节流[9]。在TCP/IP协议中TCP协议与此类套接口相对应。流式套接口适用于需要传送大量数据的应用。应用程序通过Socket进行通信的过程如图3-7所示。

图2.1 Socket通信示意

2.3视频采集和回传的实现

Mjpg-streamer是一款轻量级视频服务器软件，应用于TCP/IP网络环境中。摄像头与Wi-Fi模块相连，在OpenWrt系统上运行此软件，采集摄像头的图像。操作人员可以在客户端通过网址获取摄像头的拍摄的

实时画面。通过浏览器获取Mjpg-streamer采集和发送的摄像头实时画面效果如图2.2所示 。

图2.2 画面回传图

2.4系统无线网络通信的实现

无线Wi-Fi网络采用AP热点模式搭建，AP热点为小车上的无线模块。上位机和下位机的通信采用C/S方案即Client/Server方案，服务端是无线路由模块上的Mjpg-streamer和ser2net程序，客户端是PC上的上位机程序。PC端和无线模块上的应用程序通过Socket接入Wi-Fi网络进行通信。

在PC端通过有线连接方式通过浏览器访问IP地址192.168.1.1进入无线模块的设置页面配置无线模块。首先开启无线模块的无线模式，并设置无线网络的安全模式设置为WPA2-PSK加密模式，防止有第三方接入。将路由器模式设置为“接入点AP”。设置完毕后无线模块发射Wi-Fi信号，PC端通过无线网卡即可与小车的无线模块连接。

3.系统软件设计

本设计的软件部分分为下位机和上位机两个部分，下位机为基于Atmega16单片的C程序。上位机为基于.NET的C#人机交互界面。 3.1下位机设计

下位机的总体框图如图3.1所示。

图3.1 下位机设计

如上图，上电后，系统初始化，包括串口初始化、端口初始化、定时器初始化等，开启串口接收中断。接一下来进入无限循环，单片机检测串口接收到的指令，将有效指令进行打包和识别，将指令识别后单片机执行指令所对应的程序。 3.2上位机设计

本设计中的PC端上位机采用Microsoft公司的Visual Studio 2010平台进行开发，使用基于.NET的C#语言进行编写。

.NET技术是Microsoft公司为了适应未来软件的发展与应用而推出的开发平台，完全面向对象，界面简单友好。而C#以.NET为核心，融合了多种语言优点，语法简洁，与Web紧密结合，使用C#语言可以很方便的开发出Web程序。

本设计中采用TCP/IP协议，通过调用System命名空间中的Socket类来发送指令数据包到无线模块，

错误！未找到引用源。

同时也通过Socket类接收小车传回的数据信息。上位机包括两个窗口：主显示窗口和系统参数配置窗口。其中主窗口包括指令发送区域和视频显示区域，指令发送区域负责向下位机发送命令，视频显示区域则显示小车传回的视频画面。系统参数配置窗口主要完成WiFi无线网络及机器人控制指令的配置。主窗口和系统参数配置窗口分别如图3.2和图3.3所示。

图3.2 上位机主窗口

图3.3 上位机系统参数设置窗口

上位机通过调用Socket将向下位机发送指令，同时接收从小车传回的视频信息。上位机处于客户端模式，进行通信时，首先创建Socket对象的实例，接着通过Connect方法连接到无线模块，并通过Send方法指令到无线模块。数据发送完毕后调用Close方法关闭Socket。

4.调试调试与总结

4.1 硬件组装与调试

本设计中硬件的组装和调试方法采用分模块调试再进行组装进行联合调试的方法。

首先是舵机模块的调试。先通过示波器观察单片机PD4和PD5口输出的PWM信号波形，如图4.1所示。可以观察到两路PWM波形的周期都为20Hz，通过按键可以改变PWM波形的占空比。接着将舵机的信号线连接到单片机的PD4和PD5口，通过观察舵机的转动情况修改程序。

图4.1 PWM信号波形

接下来是单片机串口通信的调试。在PC端通过串口调试助手进行调试单片机的串口通信，调试结果如图4.2所示。

图4.2 串口通信调试

最后则将所有模块组合进行联机调试。经过调试修改程序，小车的动作可以达到设计要求。 4.2 上位机通信的调试

上位机人机交互界面编译完成后，PC机通过无线网卡连接到小车的无线模块，无线模块的串口与PC

机的串口相连接，运行上位机程序，通过串口调试助手观察上位机是否正确发送控制指令，调试结果如图4.3所示。

图4.3 上位机通信调试

整个组装和调试工程遵循分模块调试再联合调试的方法，成功的完成整个系统的组装和调试。 4.3 总结与展望

本文设计和完成了基于Wi-Fi无线视频监控小车。该设计的实现的主要功能有：通过Wi-Fi网络控制小车的前进、后退、左转、右转、停止、加速、减速，通过Wi-Fi网络控制摄像头云台的左转、右转，实现将摄像头采集的实时画面通过Wi-Fi网络传送到PC上位机显示。

无线视频监控智能小车充分利用了无线网络，网络视频监控和小车移动性强的优点[10]，将三者有机结合。它可以应用于在矿井、安防、监测、反恐等特殊领域，将人类无法涉及的特殊环境的现场信息快速稳定的传递到安全区域，将发挥巨大的作用。

参考文献

[1] 严闪. 移动机器人硬件驱动方案的设计[J]. 福建电脑. Vol.56，No.10，2005.

[2] 吴雪琴. 基于S3C2410远程监控系统的设计与实现[D]. 电子科技大学硕士论文，2008, 6.

[3] 刘海成. AVR 单片机原理及测控工程应用——基于ATmega48/ ATmega16[M]. 北京：北京航空航天大学出版社，2012, 1.

[4] 曾彦松，王晨. 基于WiFi的移动机器人视频监控系统[J]. 西安邮电学院学报. Vol.17，No.4，2012. [5] 刘乃安. 无线局域网（WLAN）：原理、技术与应用[M]. 西安：西安电子科技大学出版社，2004, 1. [6] 黄皎，吴明春，陆晓春，刘修峰，丁彦. Wi-Fi与嵌入式设备的融合技术研究. Vol.37，No.8，2011. [7] 范皖勇. 嵌入式Wi-Fi技术研究与应用[D]. 华东师范大学硕士论文，2008, 11. [8] 任泰明. TCP/IP协议与网络编程[M]. 西安：西安电子科技大学出版社，2004, 4. [9] 梁彦霞，杨家玮.无线通信中Wi-Fi技术的发展与应用[J]. 电视技术. Vol.69，No7，2006.