嵌入式无线视频监控小车

赵丽丽 王 兵 谢静雯 关学忠 崔 凡 卞 强

(1.东北石油大学电气信息工程学院；2.中国石油大庆炼化公司；3.大庆油田电力集团供电公司星火工区)

嵌入式无线视频监控小车

赵丽丽1王 兵2谢静雯3关学忠1崔 凡1卞 强1

(1.东北石油大学电气信息工程学院；2.中国石油大庆炼化公司；3.大庆油田电力集团供电公司星火工区)

结合嵌入式系统与数据无线传输技术，设计了一个基于WiFi的嵌入式无线视频监控小车系统。介绍系统的总体结构，给出系统的软硬件设计。试验结果表明：该系统运行稳定可靠，能够达到视频监控的要求和预期效果。

无线视频监控小车 嵌入式系统 STM32控制器 无线WiFi路由器

无线视频监控小车具有性能强大、集成度高及成本低廉等优点，可以在操作人员难以行动的工作场合中完成各种特殊任务[1]，因此近年来在一些布线困难地点、需要监控的场所、危险作业地点、各类军事演习及军事活动等环境中得到了广泛应用。嵌入式处理器因具有高性能、低功耗及结构轻巧等优点，促使更多技术向着与嵌入式系统结合的方向快速发展。

随着嵌入式系统、数据无线传输技术的发展，基于WiFi的嵌入式无线视频监控小车随之产生。在此，笔者设计了一个集微处理器、无线WiFi路由器、免驱动摄像头及VS(Visual Studio)软件等于一体的嵌入式无线视频监控小车系统[2]，以实现小车行走控制、实时视频传输、数据回传、避障及循迹等功能。

1 系统总体设计

嵌入式无线视频监控小车系统(图1)采用STM32F103ZET6作为主控制器，并结合视频采集、数据无线传输、红外避障、红外遥控、循迹及舵机等模块。软件部分包括系统软件设计和PC机用户界面设计，主控制器以WiFi为传输介质，以PC机为控制端来驱动小车行动，并将摄像头所捕捉的视频数据信息在控制端操作界面上进行显示。

图1 嵌入式无线视频监控小车系统结构框图

2 系统硬件部分

嵌入式无线视频监控小车系统采用STM32F103ZET6作为主控制器，工作频率为72MHz，内置高速存储器、144个I/O端和两条APB总线外设，包括3路12位DAC、4个通用定时器、两个高级定时器和两个基本定时器。标准和先进的通信接口包括3路SPI接口、两路I2S接口、两路I2C接口、5路USART、一个USB从设备接口、一个CAN接口和一个SDIO接口，可兼容SRAM、NOR和NAND Flash接口的16位总线FSMC。因此，在嵌入式系统设计和应用领域，STM32F103ZET6是理想的选择。

系统摄像头为免驱动型USB接口摄像头，该摄像头驱动开发简单并且基本结构大都集中于一体，因此只需加载摄像头USB驱动即可实现实时采集数字视频信息的功能[3]。控制器对小车的运动状态和小车周围环境进行实时采集后，将采集的数据送到控制界面显示，以达到监控的目的。

红外避障模块采用HJ-IR2型芯片。当小车前进时，红外避障模块不间断地发射红外线对前方进行扫描，若没有阻碍物，红外线由于距离远而逐渐消失；若有阻碍物，红外线碰到阻碍物后将被反射到传感器探测头[4]，然后传感器将相应的信号发送给主控制器，对它进行分析处理，以协调小车车轮的运动状态。

利用红外遥控模块，通过按压相应的“前进”、“后退”、“左转”、“右转”按键，进而控制小车的运动状态。具体的工作原理(图2)是：当按下遥控器的按键后，遥控器会产生一系列键位扫描脉冲信号，此信号由红外一体化接收头接收后，输出解调后的脉冲信号，进而控制小车运动。

图2 红外遥控模块工作原理

系统采用3路循迹红外模块，即根据小车的运行情况，当被某一探头检测到后，3个探头分为3种情况对小车进行转向控制：

a. 黑色赛道被左侧探头检测到，说明小车已偏移到赛道右侧，此时应该左转。

b. 黑色赛道被中间探头检测到，说明小车已在赛道正常运行，此时继续直行。

c. 黑色赛道被右侧探头检测到，说明小车已偏移到赛道左侧，此时应该右转。

SG90舵机模块的工作原理是，首先主控制器输出信号到舵机，舵机内部可以生成周期为20ms、宽度为1.5ms的基准稳压信号，将直流偏置电压和电位器的电压做比，得到电压差(正负)输出量[5,6]。此电压差输出到电机驱动芯片来确定电机的正反转。当电机转速到一定程度时，由级联减速齿轮带动电位器旋转，使电压差为0，电机停止转动。脉宽与舵机转动角度的关系如图3所示。

图3 脉宽与舵机转动角度的关系

电机驱动模块采用L293D型芯片，如图4所示，一个芯片可以驱动两个直流伺服电机。该芯片有两个使能信号，可以操纵电机的正反转，继而改变小车的行进状态。对于变化中的车速，可以通过改变电机电压与平均电压之间的占空比来改变高低电平的转换，进而操控小车调速。

图4 电机驱动模块电路

在本系统中，控制指令和摄像头视频信息的传输都是基于无线WiFi路由器的。首先经由局域网与小车进行UDP连接，连接成功后，就可以通过控制终端软件向小车发送各类操作命令并获得采集的视频数据。

3 系统软件部分

系统软件部分包括系统软件设计和应用软件设计。系统软件设计是在相应的硬件平台上进行的程序设计，需要设计者根据需求进行编程设计。应用软件设计是根据设计者的应用需求，在特定的软件上进行软件设计，一般包括用户界面设计和功能实现设计。

系统采用Linux嵌入式内核，主控制器需要完成的功能有：采用串口连接PC机和无线路由器，进行指令相互传送；控制小车行走的4个电机；控制小车完成遥控、避障、循迹及控制摄像头旋转方向等功能。其设计流程如图5所示。

图5 系统软件设计流程

应用软件程序采用Visual C++开发。上位机界面的功能有：在PC机监控界面中可以实时显示控制端发出的指令信息和摄像头所采集的视频数据；在上位机的应用软件界面设计中，可随时调节更改系统的模式；保留所有采集的视频数据和发送的命令信息，以备查询。作为控制下位机和视频显示的平台，该上位机具有控制简单、界面友好和功能多的特点。

4 结束语

笔者设计了一个基于WiFi的嵌入式无线视频监控小车系统，通过PC机实现对小车各运动模式的远程视频控制。该系统与操作人员相比，具有安全性高和费用低的特点；能够建立人机交互界面，实现视频的实时记录；能够通过设定PID参数来调整舵机转向。试验结果证明，该系统运行稳定可靠，能够达到视频监控的要求和预期效果。若继续完善，该系统将在军事侦探、排雷排险及防核化污染等危险复杂环境中展示出巨大的应用潜力。

[1] 李婕.基于STM32的无线视频监控智能小车设计[D].兰州:兰州理工大学,2014.

[2] 罗回彬,巫敏锋.基于WiFi的可实时视频同传的探测小车[J].单片机与嵌入式系统应用,2015,15(6):41～43.

[3] 张金.基于Linux平台的开放式数控系统研究[D].广州:华南理工大学,2005.

[4] 雷鹏飞,沈华东,高坎贷,等.红外传感器在智能车避障系统的应用[J].电脑与信息技术,2010,18(4):52～53.

[5] 范甜甜,俞志伟,杨屹巍,等.基于STM32F103VET6的四足机器人控制系统设计[J].机械与电子,2012,(12):53～55.

[6] 武文杰,石红瑞.Tripod机器人的视觉处理应用研究[J].石油化工自动化,2015,51(4):53～55.

DesignofWirelessVideoSurveillanceCarBasedonEmbeddedTechnology

ZHAO Li-li1, WANG Bing2, XIE Jing-wen3, GUAN Xue-zhong1, CUI Fan1, BIAN Qiang1

(1.College of Electrical Engineering and Information, Northeast Petroleum University; 2.CNPC Daqing Refining and Chemical Company; 3.Xinghuo Work Area of Power Supply Company, Daqing Oilfield Electrical Power Group Co.)

Based on embedded system and wireless data transmission technology, a WiFi-based embedded wireless video surveillance car system was designed and the system’s overall structure, hardware and software design were presented. The test results show that, this system can run reliably and both requirements and desired effects of the video surveillance can be satisfied.

wireless video surveillance car, embedded system,STM32 controller,wireless WiFi router

TH862

A

1000-3932(2017)05-0492-03

赵丽丽(1992-)，硕士研究生，从事检测技术与自动化装置的研究，18545772186@163.com。

2016-12-08，

2016-12-29)