基于4G 的实时图传智能探测车

黄志芳，李伟鑫，谢宋汕，李喆滔

（嘉应学院物理与电子工程学院，广东梅州 514015）

随着科学技术的不断发展和进步，很多具有一定危险性的工作也逐步被智能化的设备所取代，如采煤行业中执行安全隐患排查和生命探测的设备、在地形地貌较为复杂地区执行特殊任务的探测小车、在具有环境风险地区执行环境采集数据的无人机等[1-3]。上述的智能化设备在以上特殊场景中使用较为广泛，然而无人机在一些树木茂密、建筑物密集区域限制了其使用，此时需要灵活机动的多功能探测车，利用车上搭载的各种传感器实现对相关参数的监测，搭载的高清摄像头实时传输现场画面到终端[4-5]。与3G网络通信相比，4G通信的速度成倍提升，基于低延时、高清图传、多功能、智能化的探测小车在电子消费、工业应用、特种抢险救灾等领域具有十分广泛的应用前景[6]。文中设计了一种以STM32F407ZGT6 和TM32F103CET6 为小车端和遥控端的核心处理器，小车端搭载DHT11 以及MQ2 采集温湿度、空气颗粒浓度等参数，通过NRF24L01 在遥控端和小车端传输数据，遥控端既能远程控制小车又能通过OLED屏幕上获得环境数据。小车端使用Cortex-A7 处理器将图像数据转为rtmp 格式，FFmpeg 编解码器将rtmp 推流到搭建在阿里云平台上的Nginx 流媒体服务器。用户可在移动终端通过拉取流媒体服务器上的rtmp 数据流，实现实时查看现场环境图像。

1 整体方案设计

探测小车的整体是由智能小车终端和远程遥控端两部分构成。小车终端以STM32 作为处理器，搭载温湿度检测模块，空气质量检测模块，无线收发模块及USB 摄像头，实时采集温湿度、空气质量参数信息，通过无线收发模块（NRF24L01）接收遥控端的指令信息，并向遥控端回传温湿度和空气质量参数信息。4G 模块将通过开源软件FFmpeg 将图像数据压缩后推流至流媒体服务器。远程遥控端同样使用STM32 作为处理器，具有无线收发模块、OLED 显示屏、A/D 转换摇杆按键等外设。OLED 实时显示通过无线收发模块接收到的温湿度、空气质量参数信息，遥杆按键控制小车前进后退以及摄像头转动。用户可通过PC 端或APP 实时查看小车所处区域的画面。

智能小车是由STM32 微处理器、DHT11 温湿度模块、可燃气体检测模块、NRF24L01 无线传输模块、180°舵机模块、摄像头模块和L298N 电机驱动模块等7个模块组成。STM32驱动NRF24L01接收遥控端的指令来控制L298N 电机，完成小车运动状态控制和舵机旋转等操作。STM32 驱动DHT11 模块和气体检测模块，将采集到的温湿度和空气质量参数信息传送到遥控端，在Linux 开发板上通过FFmpeg 开源程序将图像以rtmp 格式推送到流媒体服务器[7]，智能小车终端的硬件系统框图和实物图如图1、图2 所示。

图1 小车端硬件系统图

图2 小车端实物图

遥控终端是由STM32、电源管理芯片、5 V 微型电池、OLED 显示模块、NRF24L01 无线传输模块、摇杆按键模块6 部分组成，遥控端使用5 V 微型电池。工作时，单片机通过内置的A/D 转换模块获得遥感按键输出模拟量[8]，通过NRF24L01 将指令发送至小车端，在OLED 上显示温湿度、空气质量参数信息，遥控终端的实物图如图3 所示。

图3 遥控终端实物图

2 硬件设计

2.1 单片机

在目前的单片机应用市场，ARM 系列单片机因处理速度更快、搭配的资源更多，从而占据了单片机主流应用市场[9]。小车端和遥控端的单片机选择了STM32系列。遥控端的单片机选择STM32F103CET6，小车端选择STM32F407ZGT6，因为需要实现图像实时传输，图像采集和处理数据较为庞大，所以选择Cortex-A7 处理器完成图像数据处理。

2.2 推流端和流媒体服务器

摄像头采集的图像原始数据巨大，需要对图像信息进行压缩编码。使用不同的编码器得到不同的压缩格式，如今比较主流的视频编码为H.264 编码和MPEG-2 编码[10]。推流端编解码器中比较常用的是FFmpeg，它是一套非常成熟的开源代码，支持绝大多数的编码格式和流媒体协议，功能强大且资料非常齐全，所以选择其为推流端编码器[11]。

流媒体服务器的主要功能是以流式协议（RTO/RTSP、MMS、RTMP 等）将视频文件传输至用户端，用户可以实时查看图像，用户实时查看的功能要求服务器必须做到外网与云平台连接。阿里云是各项功能较为丰富的云平台，流媒体服务器选择购买云服务器来实现。当下比较流行的Web 流媒体服务器有3种，分别是Apache、Nginx、Lighttpd。Lighttpd的稳定性不足，Apache 对该设计的系统压力较大，所以选择Nginx 流媒体服务器搭建于阿里云服务器上[12]。

2.3 通信模块

通过4G技术实现图像数据传输到云平台，小车端和遥控端两者之间通过NRF24L01 模块来完成数据传输，传输距离在空旷环境下最大能达到1 000 m，满足性能需求。NFR24L01是一款工作在2.4～2.5 GHz的ISM 频段的单片无线收发器芯片，最低供电电压为1.9 V，最大数据传输速率为2 000 kbps，发送模式（0 dBm）和接收模式（2 000 kbps）状态下的电流消耗分别为11.3 mA 和12.3 mA，使用的温度范围为-40～+85 ℃[13]。

2.4 DHT11温湿度模块

DHT11 数字传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。湿度测量范围在20%RH～90%RH，温度在0～50 ℃，在25 ℃下，温度的误差范围在±2 ℃之间，湿度误差在±5%RH 之间，具有感应快、抗干扰能力强、体积小、性价比极高的优点[14]。

2.5 小车端电路原理设计

小车的硬件系统包括STM32 系统板、12 V 转5 V供电电路、L298N 电机驱动模块、两对直流电机、无线收发模块、温湿度传感器、可燃气体传感器和180°转向舵机。硬件SPI 驱动无线收发模块接收指令，需连接到小车端单片机的特定引脚上，自带的A/D 转换获取气体检测模块的模拟输出，单总线方式驱动DHT11传感器获取温湿度信息，内置的PWM 波产生器输出周期为20 ms占空比不同的PWM，控制舵机转动带动摄像头转动[15]，小车端的电路原理图如图4所示。

图4 小车端电路原理图

2.6 遥控端电路原理设计

遥控端的硬件系统包括了STM32MCU 核心板、USB 充电口、5 V 微型电池、电源管理芯片、OLED、无线收发模块和一对遥感按键。系统使用5 V 电池充电，为遥控手柄提供电源支持。使用遥感按键时，需将遥感按键的两个模拟量输出引脚接入遥控端单片机的A/D 转换引脚，用来判断遥感按键按下的状态。系统通过SPI 驱动无线收发模块，遥控端中的无线收发模块需连接到单片机对应的引脚上，通过模拟IIC 驱动OLED 屏幕显示信息。遥控端的电路原理图如图5 所示。

图5 遥控终端电路原理图

3 软件设计

3.1 小车端程序设计

小车端的总体程序设计可以分为5 个模块程序，包括定时器初始化、DHT11 初始化、MQ2 初始化、无线模块初始化以及无线模块接收程序，主程序流程如图6 所示。系统上电后开始进行初始化，如配置单片机的A/D转换模块（读取传感器输出的数据），配置I/O口的输入、输出和复用模式，配置硬件SPI 参数（驱动无线收发模块）等[16]。小车端需要接收和发送数据，为了避免在两种不同模式下频繁切换，造成系统资源的浪费，NRF24L01 无线模块配置为带应答确认信号及有效载荷的接收模式。在主程序循环中，系统首先读取传感器的数据并处理，处理完成后，检测是否有来自遥控端的无线收发模块信息，如有就执行相应指令信息内容，且因为小车端接收到信息后需要发送确认收到信息给遥控端的无线模块，则温湿度等空气质量参数信息放入应答信号的有效载荷中回传给遥控端。

图6 小车端程序流程图

3.2 遥控终端程序设计

遥控端的总体程序设计分为9 个模块，包括定时器初始化、NRF 初始化、ADC 初始化、按键初始化、OLED 初始化、扫描AD 值、按键检测、NRF 发送程序和OLED屏显示程序，主程序流程如图7所示。系统上电后，程序开始对模块进行初始化，如配置使用I/O口模拟软件（驱动OLED 屏幕），配置DMA 参数（方向、是否循环、每次搬运字节大小）用来搬运A/D 转换结果，暂存寄存器的值放入RAM 中数组中，并将系统中的无线收发模块配置为应答确认信号及有效载荷的发送模式。在主程序循环中，读取DMA 自动搬运到数组中的A/D 转换值，判断遥感按键按下的方向，将对应的指令通过无线收发模块发送到小车端。配置成带应答信号的发送模块，需要接收小车端的应答信号，在发送完成后将在OLED 屏上显示读取应答信号中小车端发送的空气质量信息。

图7 遥控终端程序流程图

4 调试结果

系统上电后，将小车移动到离遥控端一定距离外，控制摇杆方向远程控制小车的运动状态，转动舵机控制按键，舵机能按照指令带动摄像头完成转动，并用手机播放器连接到阿里云服务器，查看车载摄像头的实时传输回来的画面，人为改变小车周边温湿度等环境参数，判断温湿度模块工作是否正常，遥控端是否显示对应的温湿度及变化。经过一系列的调试后，遥控端能实现对小车和航机的控制，小车能够检测周围环境的温湿度、可燃气体浓度，并将相应的数据传输至遥控端的OLED 屏进行显示。运行在Linux 上的推流程序将rtmp 推流到搭建在阿里云平台上的流媒体服务器，通过PC 端或者移动端播放器拉取流媒体服务器的数据视频流进行播放，实时查看小车的图像画面，视频时延控制在2.5s以内。

5 结论

基于4G 的实时图传智能探测车的研究，达到了初期的性能指标，实现了监测空气质量数据、远程控制、图像实时传输的功能。通过搭载支持UVC 协议的USB 摄像头，图像数据信息通过4G 推送到阿里云服务器上，使得公网网络能对流媒体数据进行拉流，即图像支持的传输距离非常远，突破了距离的限制，支持多用户同时访问。基于4G 的实时图传智能探测车能够代替人工监测，应用于煤炭生产、探测、救援、排雷等相关行业，具有较为广泛的研究和应用价值。