基于视觉反馈的智能环境侦察车的研究

王忆冉++戴舒雅++张竣昊

摘要：本文主要研究的是基于nRF905无线数据通信方面的内容，主要以射频技术和嵌入式技术为支撑，设计出可遥控环境监测的智能车，采用超声波避障技术来支持小车自主进行环境监测，并且提出了原理框图，制作出了原理样机。经过广泛测试，在433MHZ的ISM频段，通信距离可以稳定在200米左右。它可以广泛应用于安全生产、公安消防。汽车等行业的应用技术研究。基于此，还可以深入了解射频技术的主要思想，并能在在无线通信方面作广泛性发展，循序渐进的将进入物联网这个广泛的领域中。

关键词：嵌入式技术；射频技术；无线环境监测；nRF905；智能小车

中图分类号：TP18 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）09-0216-02

在当今快速的发展的社会中，周围的环境也在跟着发展而迅速变化。在国内，当今对信息采集大都还是固定式有线的采集，太多的线缆导致资源的浪费而且对信息的采集范围有着极大的约束，尤其在家庭，工厂和宾馆等一些需要实时采集环境信息的场合。然而，在如今的世界里，发达国家已经广泛采用了以射频技术为基础的物联网通信，这样可以实时将信息传送的控制端并且节约了大量的资源，而时下国内，远远还没有普及。此外，在一些特殊环境中，如建筑废墟、危险的矿井、易燃易爆或者具有腐蚀放射的现场，由于受到外部环境条件和人的自身安全限制而无法靠近，导致没有办法对环境信息进行有效探测。在这样的场合中，无线遥控探测是一种理想的选择。综合来看，研究低功耗，低价格的物联网通信是一种时下最火热的趋势。

目前，射频技术一般采用数字式收发芯片，加上些许的外围设备器件就可以构成短距离无线收发模块，从而实现无线短距离通信。当今的射频芯片一般采用FSK调制方式，在ISM频段工作，一些必需的外围器件已经集成在芯片内部，并且提供了简单透明的数据传输协议和安全保密协议，用户只要对简单的接口进行操作即可实现数据的无线通信。在此基础上，低功耗，低价格的nRF905作为近程通信手段值得研究。

本文主要研究的是nRF905的无线数据通信方面的内容，研发出一套集数据采集，数据无线传输、无线行为控制与执行于一体的环境探测车载系统，通过nRF905的射频传输系统将可移动小车的探测信息传输到人为控制台，并且由控制台进行后续系统处理，并通过控制台对小车进行行为控制以及命令执行。此环境探测小车可以进行一系列行车功能，可以通过较复杂路面，并且能够实时将探测数据根据需要传回控制台。研究本文，可以深入了解射频技术的主要思想，并能在在无线通信方面作普及应用发展，循序渐进的将进入物联网这个广泛的领域中，根据项目特色以及功能需求，本系统主要由车载系统和控制台系统两部分组成。

车载系统主要由微控制STC89C52、DS18B20数字式温度采集模块、US-015超声波模块、L298N驱动模块、电机、nRF905无线收发模块以及LCD1602液晶显示模块组成，此外还有关键示的电源模块，L298N的是7.2V供电，nRF905收发模块是3.3V供电，其他模块均采用5V供电。

本文采用的STC89C52RD是以微控制器8051为内核的ISP，即系统可编程。80MHZ是本文采用芯片的最高工作频率，但是由于MOS管的限制，一般都是采用12MHZ的晶振作为它的工作频率。在本芯片中内含8K 字节Flash ROM，它的器件兼容一般通用51指令系统及其所包含的各种引脚结构，芯片内容十分丰富，而且它也集成了8位CPU和ISP Flash MMU，是可以系统编程的，配合PC端的烧录软件即可将用户的程序代码下载进单片机内部， STC89C52RD微控制器是单时钟的向下兼容8051 内核单片机，是集快速速与低功耗于一体的新一代8051 单片机。它具有全新的流水线处理方式和精简指令集结构，内部已经集成了MAX810 专用复位电路，此外内部还包含有8路AD转换器，省去了外接的AD转换器，相对于老式的80C51有着更稳定的控制。

DS18B20数字式温度采集器，在其内部厂家已经提供了9位温度度数，指示器件表面的温度。温度采集器在环境中所采集的实时温度信息经过一条线接口被传输到数字式温度采集器DS18B20上或者由其传送出去。鉴于此，从微处理器STC89C52到DS18B20之间的连接就仅仅要共地线和一条数据线就可以完成本文所要完成的温度采集任务。DS18B20数字式温度采集器在读、写方面以及完成器件实时温度变换时所需要的电源都可以从这条数据线本身来满足需求，因此它并不需要接外部电源。鉴于出厂时，一个DS18B20都对应着唯一一个系列号（这些系列号由出厂时制定），因此可以将多个DS18B20放置在同一条总线上，这样的话就可以直接实现多点测量。正因为有此特性，DS18B20非常适合本文所研究的环境监测。

目前，US-015是市场上分辨率较高，重复测量一致性较好的超声波测距模块。US-015的分辨率高于1mm，可达0.5mm，测距精度高。在测试中，US-015超声波测距模块完全胜任2厘米至4米的需要接触的测距功能，5V是它的供电电压，也就意味着不像nRF905无线收发模块那样需要电源转换，仅需用5V开关稳压源供电即可。工作电流为2.2mA，支持GPIO通信模式，测距工作稳定可靠。

US-015超声波模块的VCC接+5V直流电源，定义外部电路的Trig端，此端口需要微控制器输入一个10uS以上的高电平，以此来出发模块测距。定义外部电路的Echo端，用以接收回声信号。当一次测距结束时，此管脚会接收输出一个高电平，电平宽度为超声波往返时间之和。

L298N 是一种双H桥电机驱动芯片，其中每个H桥可以提供2A的电流，功率部分的供电电压范围是2.5-48V，逻辑部分5V供电，接受5V TTL电平。一般情况下，功率部分的电压应大于6V否则芯片可能不能正常工作，由于采用的器件的短板，所以这就需要本文给它提供单独的供电电源，采用的是7.2电池组给L298N供电。电机驱动模块是双通道的电机驱动，可以驱动两组电机。只有当通道A使能和通道B使能为高时，两通道才能同时工作。

1602液晶显示器是一种专门用来显示字母、数字、符号的点阵型液晶模块。它是由若干个5x7或者5x11的点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以用显示一个字符，每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用。

单片射频无线收发芯片nRF905工作在433/868/915MHZ的ISM（工业、科学、医疗）频段。以它为基础的无线收发器是由一个完全集成的频率调制器，一个带解调器的接收器，一个功率放大器，一个晶体振荡器和一个调节器组成。ShockBurst工作模式的特点就是它会自动产生前导码和CRC（循环冗余校验码）。由于它可以很容易通过SPI接口进行编程配置，所以操作起来相对简单。此外，nRF905还有Power Down模式和StandBy模式，可以在满足通信要求下最节能方式。它的工作电流消耗也很低，非常适合低功耗无线数据传输。

nRF905无线收发模块首先处于接收状态，当nRF905无线收发模块接收到指令信息时，微控制器STC89C52控制L298N电机驱动模块驱动电机，在此时DS18B20数字温度采集模块和US-015超声波模块将温度信息和声波的回声发送给微控制器STC89C52，经过微控制器STC89C52的处理信息通过LCD1602模块在车载系统上显示，紧接着微控制器STC89C52也将信息传送给nRF905无线收发模块，nRF905无线收发模块将从微控制器STC89C52接收到信息发送出去。这样车载系统就完成了一次周期循环状态。

控制台系统独立按键总共有四个，分为四种控制功能，远程控制车轮的前进、后退以及拐弯。控制台nRF905收发模块初试状态也是接收状态，当有按键按下时，微控制器STC89C52读取到独立按键信息，则微控制器STC89C52使nRF905无线收发模块转换到发射模块，将指令信息发送到车载控制系统，车载系统端接收到指令后，执行指令后同时会将环境信息发送出去，当结束按键的时候控制台自动跳转到一次接收状态，控制台将此时接收的环境信息通过LCD1602液晶显示模块显示出来，这样就能通过控制台监测车载系统端的环境信息，这个过程就是完成了控制台系统的一个周期的运转。分别对车载系统端和控制台系统的微控制器STC89C52的编程即可协调整个系统的正常运转。

本文研究的系统中的软件都是通过微控制器STC89C52协调控制实现，软件编程主要通过Keil uvison来完成。由于系统被模块化处理，因此对该模块的编程就采用分成驱动程序包的形式进行编程，需用到模块采用驱动文件直接调用驱动函数即可。

此驱动程序可以进行不同的温度读取，限于本文，仅采用简单读法。首先初始化，调用DS18B20初始化函数，然后对ROM进行操作，在本驱动程序中，通过编程直接跳过对只读存储器的操作，然后将温度转换指令发送出去，紧接着再一次跳过对只读存储器的操作，将读取温度命令发送出去。最后，读取温度。

经过测试，小车可以被无线遥控行进，控制台也能接收到来自车载系统段的环境信息，由车载系统和控制台系统组成的整套系统可以完成如下任务：

（1）通过控制台系统的按键可以完成无线控制小车的前进、后退、拐弯。

（2）车载系统上的DS18B20温度采集模块和US-015超声波模块可以较为精确地采集温度信息和距离信息，并且通过LCD1602液晶显示模块在车载系统上显示。

（3）控制台系统可以正确接收来自车载系统的温度信息和距离信息，并且可以在控制台的LCD1602液晶显示模块显示出来。

在整体系统的信息处理上，由于nRF905的半双工通信特点，车载系统端和控制台系统端之间的通信有一定量的延时，延时的时间大概是两个周期的循环程序，也就是说在程序的设计时若代码中延时过多或者代码过长容易导致两者双方通信延时过长，导致信息的不正确甚至是信息丢失。在处理延时的问题上，有两种方法，第一种是用精简指令的方法，缩小指令之间的延时同时采用双触发标志指令来出发接收与发送数据；第二种是更换芯片，采用nRF2410无线收发模块等具有全双工通信的芯片来满足要求。限于文要求，采用第一种方法，采用精简指令和缩小延时的方法，除去半双工原理上导致的延时，其延时问题基本上得以解决。经过测试，在满足基本通信的情况下满足整个系统的基本需求（延时小于2S）。

此外，两者之间的通信距离也不能太近，由于对于硬件抗干扰方面的设计匮乏，通信双方会因为电磁干扰使通信质量变差，甚至使接收到的信息为乱码，所以经过测试当通信距离大于2M时，通信质量得到很大的改善。

由于半双工问题带来的延时影响是可以忽略的，而且通讯距离过近带来的信息干扰影响也是可以忽略不计的。所以，改良后，经过测试以及考虑系统功能需求，对于本可以设计的系统来讲，以nRF905无线收发模块为基础的通讯完全满足本文所涉及的系统的三个基本功能。

本文介绍的无线遥控环境监测小车，经微控制器STC89C51控制nRF905无线收发模块发送和接收指令，结合DS18B20温度采集模块和US-015超声波模块完成车载系统端的环境信息采集处理以及发送共享，实现远程无线遥控小车并达到环境监测的目的。本文所介绍的由车载系统和控制台系统组成的无线遥控环境监测小车系统通过实际通信验证，运行稳定可靠，整个系统都是系统模块化的结构，体积小，功耗低以及通信距离长的特点。可以广泛应用于安全生产、公安消防。汽车等行业的应用技术研究。具有向更宽泛的物联网以及智能探测方面研究的潜力。

参考文献：

[1] 罗三定.基于视觉反馈的智能小车系统研究[D].中南大学，2007.

[2] 吴文平.基于视觉反馈的智能小车控制系统研究[D].电子科技大学，2012.