基于W IFI的混合动力多功能智能探测器的设计

桂玲

（中南林业科技大学 计算机与信息工程学院，湖南 长沙 410004）

基于W IFI的混合动力多功能智能探测器的设计

桂玲

（中南林业科技大学 计算机与信息工程学院，湖南 长沙 410004）

基于WIFI的混合动力多功能智能探测器是一种基于Android手机平台、以单片机为驱动核心处理器、利用无线WIFI进行数据传输与接收，能实时地将探测器周围环境视频信息、温湿度、有害气体浓度等文本参数进行实时探测、存储和传输至手机控制端，可由太阳能和电力供电的混合动力多功能探测系统。

Andorid手机；WIFI；混合动力；单片机；智能探测系统

移动探测器作为物联网感知层的重要一种方式，广泛应用在工业、农业、国防、服务等各个行业，特别是在探测、救援、搜捕、辐射等有害与危险场合起到不可替代的作用，能最大限度地避免这些危险给探测、救援人工员带来二次危害。

WIFI作为一种无线局域网运用技术，凭借其组网方便、易于扩展以及高速传输等优点，得到广泛应用，智能手机已成为WIFI最常用的接入设备。当前，基于Android操作系统的手机已成为大众生活中不可或缺的工具，对其二次开发，将给本系统的设计带来巨大的方便。而太阳能作为可再生能源和无污染能源，在能源、环境和人类社会未来发展中占据越来越重要的地位。

1 设计方案

基于WIFI的混合动力多功能智能探测器从功能上看，由以下四个部分组成：电机驱动与检测系统、无线信息传输系统、控制端以及电源系统。系统结构框图设计如图1所示。手机控制端由Android智能手机搭建，通过无线路由设备与单片机开展信息传输：发送控制信息、接收与显示视频和文本信息；以单片机为核心的驱动与检测系统则根据控制信息驱动电机转动以及检测、存储、显示环境参数；电源系统采用混合动力，当有太阳时，该探测器采用太阳能板通过开关电源稳压电路对12V的可充电锂电池充电，以实现给探测器提供工作电源。当没有太阳，且当12V锂电池的电量基本用完时，为在急需时保证其正常工作，则采用电力充电器充电。采用此方案可灵活地操控探测器进行各类工作，高速地获取视频信息，准确地检测环境参数，极大地延长连续探测能力。

图1 系统总体设计框图

2 硬件设计

（1）太阳能充电电路的设计。锂电池的额定充电电压为12V，由太阳能板所提供的电能经4700u电解电容和0.1u瓷片电容滤波，送到稳压块输入端，进行稳压，其输出直流电再经滤波，便可得到十分稳定的12V直流输出电压给锂电池充电，电路设计如图2所示。

由于太阳能板的输出电压受多种因素的影响其稳定性较差。为此，太阳能充电电路部分，增加了7812三端稳压IC来提供12V电源。为防止太阳能电池在强光下由于遮挡受损,在太阳能电池组件输出端的两极并联一个旁路二极管,防止电池组在得不到光照而成为负载产生严重发热,旁路二极管的电流值不能低于该块太阳能组件的电流值。太阳能电池的额定输出电压要比蓄电池高1.3～1.5倍,那么一个额定12V电压的蓄电池应当选配的太阳能电池的电压应该在12V× 1.4=16.8V左右的太阳能电池。

图2 太阳能充电电路

（2）电源模块。由于探测器需要驱动四路直流电机、二路伺服电机以及一个大功率LED灯，而且探测器会在一些不平的路面进行探测工作，所以选择一个大容量的可由太阳能和电能等充电的锂电池，其输出电压为12V。

为防止电机类负载对单片机及其它集成芯片造成干扰，需要分开供电，并要加大容量的滤波电容以及必要的电感等储能元件,电源设计如图3所示。其中直流电机直接接入锂电池12V直流电压；而驱动摄像头的MG995型伺服电机，选用LM7805稳压芯片输出的5V电压。为获得稳定的5V电压，在LM7805输入、输出端分别并联一个极性电容和一个陶瓷电容用于滤除高低频干扰；对集成电路的供电选用了LM2596开关型降压稳压管，其输出端接一个68uH的电感储能和一个二极管给电感续流。

图3 电源模块设计框图

（3）主控制器模块。主控模块上连无线路由，下接各驱动与检测电路，是探测器控制与数据处理的核心。文章采用的是高速、低功耗、抗干扰能力强的STC12C5608AD单片机，其内部集成MAX810专用复位电路、4路PWM和8路高速10位A/D转换，十分适用于电机控制、数据转换、强干扰的场合。对它的设计主要包括电源电路、复位电路和时钟电路。

（4）传感器检测模块。传感器检测系统包括温湿度、气体浓度和红外测距传感器等构成以实时准确的获取探测器周围环境的各种参数。气体浓度检测采用MQ-2型可燃性气体浓度传感器,电路采用5V作为工作电压和加热电压。传感器输出的0～5V模拟信号接单片机P1.7口，经单片机内部A/D转换器转换为数字信号。温湿度检测以DHT11数字温湿度传感器为核心,其电路设计与气体浓度检测电路类似，传感器内部在检测信号的处理过程中要调用这些校准系数。红外测距检测以E18-D80NK-N为核心，它能实时检测障碍物，当小于安全距离(如8cm)时实现探测器自动避障。

（5）无线信息传输模块。无线信息传输模块主要由摄像头、路由器和云台构成。摄像头选择能满足上下左右00～900旋转的、可实现远距离打开或关闭的高质量高清的天敏S605型摄像头。通讯接口为USB协议。云台由两个MG995型舵机及其他辅助电路构成。路由器采用支持OpenWrt、工作电压为5V的TP-LINK全新推出的TL-WR703N型迷你3G无线路由器。

（6）驱动电路设计。驱动模块由伺服电机驱动电路、直流电机和大功率LED工作灯驱动电路三部分构成。伺服电机本身具备驱动电路，只需要通过单片机提供PWM信号并通过软件编程设置其占空比就可调节其角度旋转。而直流电机和大功率LED灯则需要专门的驱动电路，因为单片机I/O口驱动能力有限，不足以大功率LED的正常发亮。

直流电机驱动模块以内含两个H桥的高电压、大电流全桥式电机驱动芯片为核心，通过光电隔离、滤波器、整流保护电路输出驱动伺服电机。本研究拟采用了二路驱动电路来驱动四路直流电机，如图4所示；所述的大功率LED灯驱动模块采用恒流驱动芯片驱动LED，如图5所示。

图4 直流电机驱动电路设计框图

图5 大功率LED灯驱动电路设计框图

（7）LCD显示电路设计。为了能够方便的读取环境参数，这里采用了一块LPH7336用于显示参数，同时可以通过按键调出存储的历史参数显示在LCD上，以便对数据进行分析。其中，单片机I/O口P2.1与RST连接，P2.4-P2.7分别与液晶模块的CE、DC、DIN、CLK连接，便可实现LCD显示。

3 软件设计

软件控制智能探测器所有的运行状态,主要包括通信协议，客户端控制软件(上位机)和下位机软件。其中,路由操作系统采用OpenWrt，主要完成视频采集与传输等功能;上位机软件控制灯光、拍照、实时控制探测器运动等;下位机软件通过接收来自上位机的命令，执行相应操作。而连接上位机和下位机之间的纽带就是通信协议。基于本探测器软件设计的复杂,故文章只对上下位机程序设计的总体做简要说明。

（1）上位机软件设计。控制端UI主界面用于显示视频信息和接受到的数据信息，通过两个虚拟按键区实现对探测器的操作。在控制端软件中，将Raw InputEvent（原输入事件）转换成KeyEvent（按键事件）以实现虚拟按键操作。主界面左下方的前、后、左、右四个虚拟按键用于操控探测器的移动以及大功率LED灯的开启与关闭，右下方四个键用于操作两个伺服电机的90°旋转以及中间一个摄像头复位键。同时，重力感应虚拟选项用于开启与关闭重力感应功能来操控探测器的运行。

本设计选择Android2.3.3版本的操作系统，以IBM公司的Eclipse为平台。开发时先使用AVD在电脑上模拟一个虚拟的手机设备，然后通过Jave应用类设置相应的硬件配置，

以选择开发的版本、设备的屏幕尺寸大小等。并通过Eclipse插件ADT创建一个Android控制端应用软件，设计过程如图6所示。

图6 控制端软件简单流图

而上位通信则采用Socket的网络，Socket通信是采用客户机/服务器（Client/Server）的工作模式，利用Socket网络通信接口来实现客户机和服务器的通信。本设计采用的是面向连接的方式。Android中提供了Socket和ServerSocket2个类，并实现了所有的Socket客户端和服务器双向连接。

图7 单片机系统程序总体流程图

（2）下位机软件设计。下位机以单片机作为核心，与其它各个功能模块进行数据信息交换,以实现驱动控制。主要完成驱动、检测、显示等工作。通过编写单片机程序，以达到控制各个功能模块的作用。下位机软件的研发主要是四个：一是串口通讯软件设计,在单片机串口与无线路由器建立通信；二是基于伺服电机控制的PWM软件设计,通过设置PWM信号的占空比来实现对伺服电机转角的控制；三是驱动传感器模块工作的程序；四是按键及EEPROM软件设计,以实现存储环境参数和调出存储内的环境参数。其整体流程图如图7所示。

4 调试结果

图8 正面图

经过对整个系统的联调与测试，该探测器在手机的控制下能各方位地灵活运行；伺服电机能带动摄像头左右旋转和仰、俯视90°的全方位地采集图像信息，大功率LED工作灯在手机控制端的控制下能按需正常地工作和复位；传感器检测电路能快速、准确地获取环境参数信息，并把图像和文本数据实时地传输给手机；且能通过器上的LCD查看历史数据；各项性能完全符合设计的要求。调试结果如图8所示。

［1］杜敏，谭亮君.Android嵌入式系统的应用实验开发策略研究［J］.电子世界，2012，（7）：57-58.

［2］孙弋，徐瑞华.基于WIFI技术的井下多功能便携终端的设计与实现［J］.工矿自动化，2007，（3）：3-7.

［3］C.Smith，J.Meyer.3Gwireless with 802.16 and 802.11:WiMAX and WiFi［M］.New York:McGraw-Hill Professional，2004：56-145.

［4］陈益德.基于嵌入式单片机的电机控制系统设计［J］.计算机仿真，2011，（1）：395-399.

［5］候国照.基于OpenWrt的无线传感器网络协议研究与实现［D］.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2009.

Design of Hybrid M ultifunctional Intelligent Detector based on W IFI

GUI Ling
（Computer and Information Engineering College，Central South Forestry Science and Technology University，Changsha，Hunan 410004，China）

Hybridmultifunctional intelligentdetectorbased onWIFIisamobile phone platform based on Android，driven by the single chip processor as the core processor，transmitting and receiving data through wirelessWIFI，which can timely detect surrounding video information，environment temperatureand humidity，the concentration ofharmfulgases，and other textparameters，and then store and transmit the parameters tomobile phone，which can be powered by solarenergy and electric power.

androidmobilephones；WIFI；hybrid；single chipmicrocomputer；intelligentdetection system

TN92

A

2095-980X（2016）11-0042-03

2016-09-28

湖南省教育厅科学研究项目：基于WIFI的混合动力多功能智能探测系统的研究（项目编号：14C11665）。

桂玲（1974-），女，江西鹰潭人，硕士，讲师，主要研究方向：检测技术与自动化控制。