基于Android平台的无线遥控智能小车

第３６卷第３期　２０１３年６月　电子器件　Ｃｈｉｎｅｓｅ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｄｅｖｉｃｅｓ　Ｖｏ１．３６　Ｎｏ．３　Ｊｕｎ．２０１３　Ａｎｄｒｏｉｄ－Ｂａｓｅｄ　Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ　Ｃａｒ　ｗｉｔｈ　Ｗｉｒｅｌｅｓｓ　Ｒｅｍｏｔｅ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　ＺＨＵ　Ｄａｎｆｅｎｇ　，ＧＥ　Ｚｈｕｒａｎ，ＬＩＮ　Ｘｉａｏｌｅｉ　（Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ　Ｍｅｄｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｗｅｎｚｈｏｕ　Ｍｅｄｉｃａｌ　Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｗｅｎｚｈｏｕ　Ｚｈｅｊｉａｎｇ　３２５０３５。Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｄｅｓｉｇｎ　ｔｈｅ　ｈａｒｄｗａｒｅ　ａｎｄ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｉｎ　ｔｈｅ　Ａｎｄｒｏｉｄ—ｂａｓｅｄ　ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ　ｃａｒ　ｗｉｔｈ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｒｅｍｏｔｅ　ｃｏｎｔｒｏ１．Ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｈａｓ　ｔｗｏ　ｋｉｎｄｓ　ｏｆ　ｒｅｍｏｔｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｗａｙｓ：Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ　ａｎｄ　ＷｉＦｉ．Ａｓ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｈａｒｄｗａｒｅ，ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｔａｋｅｓ　ＳＴＣ１２Ｃ５Ａ６０Ｓ２　ｓｉｎｇｌｅｃｈｉｐ　ａｓ　ｔｈｅ　ｃｏｒｅ，ｏｔｈｅｒｓ　ｉｓ　ｍａｉｎｌｙ　ｃｏｍｐｏｓｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅ　Ａｎｄｒｏｉｄ　ｄｅｖｉｃｅｓ，ｐｏｗｅｒ　ｓｕｐｐｌｙ　ｍｏｄｕｌｅｓ，　ＤＣ　ｍｏｔｏｒ　ｄｒｉｖｅｒ　ｍｏｄｕｌｅ，ｔｒａｃｋｉｎｇ　ｍｏｄｕｌｅ，ｏｂｓｔａｃｌｅ　ａｖｏｉｄａｎｃｅ　ｍｏｄｕｌｅ，ｌｉｇｈｔ—ｓｅａｒｃｈｉｎｇ　ｍｏｄｕｌｅ，ＷｉＦｉ　ｍｏｄｕｌｅ　ａｎｄ　ｃａｍｅｒａ　ｍｏｄｕｌｅ．Ｒｅｇａｒｄｉｎｇ　ｔｈｅ　ｓｏｆｔｗａｒｅ，ｃｏｍｐｌｅｔｅ　ｔｈｅ　ｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ　ｏｆ　Ａｎｄｒｏｉｄ　ｄｅｖｉｃｅ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｕｐｐｅｒ　ｃｏｍｐｕｔｅｒ　ａｎｄ　ｓｉｎ－　ｇｌｅｃｈｉｐ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｌｏｗｅｒ　ｃｏｍｐｕｔｅｒ．Ａｆｔｅｒ　ｃｏｍｐａｒｉｎｇ　ｔｈｅ　ｐｒｏｇｒａｍｓ　ａｎｄ　ｔｅｓｔｉｎｇ　ｔｈｅ　ｒｅｌｅｖａｎｔ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ　ｃａｒ　ｉｓ　ｓｔａｂｌｅ　ａｎｄ　ｉｔ　ｃａｎ　ａｃｈｉｅｖｅ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｒｅｄ　ｇｏａｌｓ　ｂｙ　ｐｅｒｆｅｃｔｌｙ　ｐｅｒｆｏｒｍｉｎｇ　ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｒｅｍｏｔｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ，ｔｒａｃｋｉｎｇ，ｏｂｓｔａｃｌｅ　ａｖｏｉｄａｎｃｅ，ｌｉｇｈｔ—ｓｅａｒｃｈｉｎｇ，ｖｉｄｅｏ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ａｎｄ　ＳＯ　ｏｎ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ａｎｄｒｏｉｄ；ＷｉＦｉ；ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ；ｓｉｎｇｌｅｃｈｉｐ；ｍｏｎｉｔｏｒ；ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ　ｃａｒ　ＥＥＡＣＣ：７７３０　ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００５—９４９０．２０１３．０３．０２７　基于Ａｎｄｒｏｉｄ平台的无线遥控智能小车　朱丹峰　，葛主冉，林晓雷　（温州医学院生物医学工程系，浙江温州３２５０３５）　摘　要：设计基于Ａｎｄｒｏｉｄ平台的无线遥控智能小车的软硬件。该系统具有蓝牙和ＷｉＦｉ两种遥控方式。在硬件方面，该系　统以ＳＴＣ１２Ｃ５Ａ６０Ｓ２单片机为核心，其他主要由Ａｎｄｒｏｉｄ设备、稳压电源模块、直流电机驱动模块、循迹模块、避障模块、寻光模　块、蓝牙模块、ＷｉＦｉ模块及摄像头模块等组成。在软件方面，完成了上位机Ａｎｄｒｏｉｄ设备程序、下位机单片机程序的编写。经　过方案的对比，相关参数的测试，实验结果表明该智能小车系统稳定，能完成无线遥控、循迹、避障、寻光、视频监控等功能，达　到预期目标。　关键词：Ａｎｄｒｏｉｄ；ＷｉＦｉ；蓝牙；单片机；监控；智能小车　中图分类号：ＴＰ２４２．６　文献标识码：Ａ　文章编号：１００５—９４９０（２０１３）０３—０４０８—０５　目前，蓝牙和ＷｉＦｉ技术得到了空前广泛的应　的任务，具有一定的实际意义。　用，使用蓝牙和ＷｉＦｉ的产品非常多，如手机、电　脑、汽车、游戏设备和医疗设备等。在中国，手机　的普及率已经很高，通过移动设备实现远程控制　已成为人们需求的方向…。Ａｎｄｒｏｉｄ是一种以　Ｌｉｎｕｘ为基础的开放源码操作系统，基于此平台的　应用程序开发，越来越热门　Ｊ。基于Ａｎｄｒｏｉｄ平台　的蓝牙遥控小车具有远程控制（蓝牙，ＷｉＦｉ）、自动　循迹、自动避障、寻找电光源等功能，有一定的新　颖度，能够运用到实际生产，有一定的社会需求，　可以进一步开发用来完成一些目前人类无法完成　收稿日期：２０１２—１２—０３　修改日期：２０１２—１２—１８　１智能小车硬件设计　１．１总体方案设计　智能小车硬件以ＳＴＣ１２Ｃ５Ａ６０Ｓ２单片机为控制　核心，用光电传感器获取外界信号，使用电机驱动电　路驱动直流电机。整个系统分为以下几个模块：　Ａｎｄｒｏｉｄ设备、稳压电源模块、控制器模块、直流电机　驱动模块、循迹模块、避障模块、寻光模块、蓝牙模　块、ＷｉＦｉ模块及摄像头模块组成。总体硬件框图如　图１所示　第３期　朱丹峰，葛主冉等：基于Ａｎｄｒｏｉｄ平台的无线遥控智能小车４０９　惹　Ｋ　。　Ａｎｄｒ０ｉｄ设备　流电机驱动模　图１　总体硬件框图　１．２智能小车控制系统硬件电路设计　１．２．１智能小车控制器模块　控制器是智能小车的核心，本系统采用５１系列　单片机，具体型号为ＳＴＣ１２Ｃ５Ａ６０ｓ２。ＳＴＣ１２Ｃ５Ａ６０Ｓ２　系列单片机是宏晶科技生产的单时钟／机器周期　（１Ｔ）的单片机，指令代码完全兼容传统８０５１，但速度　比８０５１快８倍～１２倍，片上集成１　２８０　ｂｙｔｅ　ＲＡＭ，针　对电机控制，强干扰场合，内部结构包括中央处理器　（ＣＰＵ）、程序处理器（Ｆｌａｓｈ）、数据存储器（ＳＲＡＭ）、定　时／计数器、ＵＡＲＴ接口、串口２、Ｉ／０口、高速Ａ．／Ｄ转　换、ＳＰＩ接口、ＰＣＡ、ＭＡＸＳ１０专用复位电路、看门狗及　片内Ｒ／Ｃ振荡器和外部晶体振荡电路等模块。本系　统需要单片机实现复位，Ｉ／Ｏ口控制，ＰＷＭ调速等　功能　引。　１．２．２直流电机驱动模块　目前大多采用开关型驱动方式驱动直流电机，　最常见的驱动方式是脉冲宽度调制（ＰＷＭ）　］。本　系统电机驱动芯片采用Ｌ２９８Ｎ，采用单片机ＰＷＭ　调速，Ｌ２９８Ｎ可以驱动两组直流电机，其单组驱动电　流可达２　Ａ。电机驱动模块原理如图２所示。　Ｉ　１００１ａ　ＦＩ　ｌ（）４　Ｉ千　Ｌ２９８Ｎ　：　　ｌｌ　Ｐ１　ｌ　ｌ　ｌ　２　Ｐ１３　６　电机１　Ｐ１４　ｌｌ　Ｐ２　ｌ　２　８　电机２　图２　电机驱动模块原理图　１．２．３循迹、避障、寻光模块　循迹模块采用发射接收一体式红外传感器　ＴＣＲＴＳ０００，体积小、灵敏度高、光电转换速度快、能　防止其他光线干扰。ＴＣＲＴ５０００输出信号经门电路　整形后可以给单片机提供稳定的１ＴｒＬ信号，使寻线　更加准确稳定。　避障模块采用发射接收一体化反射式光电传感　器，用红外接收头和红外发光二极管进行避障，红外　接收头接收已调制好的信号，受其他光源的影响很　小。避障传感器感应距离在３　ｃｍ～８０　ｃｍ。　寻光模块采用光敏二极管的光电效应对周围环　境光的强度进行检测。光敏二极管灵敏度高，线性　好，方向性好，可感知固定方向的可见光，能将光信　号转变成电信号，便于单片机判断。　循迹、寻光模块原理如图３所示。　＋５　Ｖ　（ａ）循迹模块　光敏二极　：　（ｂ）寻光模块　图３循迹、寻光模块原理图　１．２．４蓝牙模块　蓝牙设备体积小、功耗低，广泛地应用在嵌入式　平台上。本系统采用ＨＣ一０６蓝牙模块，ＨＣ一０６蓝　牙模块可以通过ＡＴ指令修改参数，可以掉电保存　参数，给蓝牙模块上电，不配对的情况下就是进入　ＡＴ模式了，指令间隔１　Ｓ左右。　１．２．５　ＷｉＦｉ模块　Ｏｐｅｎｗｒｔ是一个小型Ｌｉｎｕｘ系统，ＤＢ１２０一ＷＧ路　由器安装上Ｏｐｅｎｗｒｔ后，其功能将变为异常强大，可　做为一台小型服务器，安装好数据转发和监控软件　后，可以实现与单片机的串口通信，并用ＷｉＦｉ传输　视频信号，实现视频监控功能　Ｊ。本系统安装的视　频监控软件为ＭＪＰＧ—ｓｔｒｅａｍｅｒ，安装好后通过命令启　４１０　电　子　器件　第３６卷　动该软件，ｍｊＰｇ—ｓｔｒｅａｍｅｒ—ｉ”ｉｎｐｕｔ—ＵＶＣ．ＳＯ—Ｙ—ｄ／　ｄｅｖ／ｖｉｄｅｏ０”一ｏ”ｏｕｔｐｕｔｈｔｔｐ．ＳＯ－ｐ　８０８０－ｗ／ｗｗｗ／　—ｃａｍｗｅｂ”。ｍｊＰｇ—ｓｔｒｅａｍｅｒ启动成功后，则可以通过　浏览器访问ｈｔｔｐ：／／路由ＩＰ：８０８０／？ａｃｔｉｏｎ＝ｓｔｒｅａｍ　查看视频。　ＤＢ１２０一ＷＧ需要安装Ｓｅｒ２ｎｅｔ实现网络转串　口　，并设置波特率为９６００　ｂｉｆｓ，８　ｂｉｔ数据位，１　ｂｉｔ　停止位。ＤＢ１２０一ＷＧ通过ＷｉＦｉ接收上位机Ａｎｄｒｏｉｄ　设备的命令，然后通过Ｓｅｒ２ｎｅｔ转发给单片机串口，　用来控制小车运动。　１．２．６摄像头模块　虽然Ｌｉｎｕｘ系统对芯片为ＺＣ３０１的摄像头驱动　支持更好，但是现在市场上摄像头多为ＵＶＣ摄像　头，且摄像头像素更高，所以本系统采用ＵＶＣ摄像　头，摄像头通过ＵＳＢ接口与ＤＢ１２０路由器相连接，　安装好驱动和视频监控软件后即可通过ＤＢ１２０一　ＷＧ的ＷｉＦｉ功能传输视频信号。　２智能小车控制器软件设计　２．１主程序流程　本系统的软件需完成以下功能：　（１）检测小车所处的环境状态，如黑白线，障碍　物，光照强度等；　（２）控制电机的运转方向与速度；　（３）接收上位机Ａｎｄｒｏｉｄ设备的控制命令。　下位机软件流程如图４所示。　图４下位机软件流程图　２．２系统初始化　单片机上电后，首先执行初始化动作，包括Ｉ／Ｏ　口工作模式、中断、串口、ＰＷＭ初始化等。　２．３串口通信　单片机与蓝牙模块、ＷｉＦｉ模块的无线通信是利　用单片机的ＵＡＲＴ接口。ＳＴＣ１２Ｃ５Ａ６０ｓ２单片机具　有２个采用ＵＡＲＴ工作方式的全双工串行通信接　口。每个串行口由２个数据缓冲器、一个移位寄存　器、一个串行控制寄存器和一个波特率发生器等　组成。　２．４循迹、避障、寻光的实现算法　单片机通过传感器，检测外界环境状态，作出判　断，从而改变小车行驶状态。由于单片机资源利用　率不高，所以小车的循迹、避障、寻光都采用轮询方　式。传感器检测到的信号与环境状态关系如表１　所示。　表１传感器信号与环境状态关系表　２．５电机驱动与ＰＷＭ调速　ＳＴＣ１２Ｃ５Ａ６０ｓ２单片机集成了两路可编程计数　器阵列（ＰＣＡ）模块，可用于软件定时器、外部脉冲的　捕捉、高速输出以及脉宽调制（ＰＷＭ）输出。ＰＷＭ　初始化代码如下：　ＰｌＭ１＝０ｘ００：　Ｐ１Ｍ０　ｌ＝０ｘ１８；／／设置Ｐ１．３，Ｐ１．４口为强推挽输出，输　出ＰＷＭ信号　ＣＭＯＤ　Ｉ＝０ｘ０４；／／选择定时器　的溢出率为ＰＷＭ时　钟源，控制ＰＷＭ波的频率　ＣＣＡＰＭ０　Ｉ－０ｘ４２；／／允许比较器功能，开启ＰＷＭ０　ＣＣＡＰＭ１　Ｉ＝０ｘ４２；／／允许比较器功能，开启ＰＷＭ１　ＣＬ＝０ｘＯ０；／／计数器清零　ＣＨ＝０ｘ００；　ＣＲ＝１；／／启动ＰＷＭ　可以通过改变寄存器ＣＣＡＰＯＬ、ＣＣＡＰＯＨ、　ＣＣＡＰ１Ｌ、ＣＣＡＰ１Ｈ的值来分别改变两路ＰＷＭ占空　比。通过示波器测得的ＰＷＭ波形如表２所示。　３　Ａｎｄｒｉｏｄ架构及Ｅｃｌｉｐｓｅ开发环境　３．１　Ａｎｄｒｏｉｄ系统架构　Ａｎｄｒｏｉｄ系统架构由５部分组成，分别是Ｌｉｎｕｘ　内核（Ｌｉｎｕｘ　Ｋｅｒｎｅ１）、运行环境（Ａｎｄｒｏｉｄ　Ｒｕｎｔｉｍｅ）、开　发库（Ｌｉｂｒａｒｉｅｓ）、应用框架（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　Ｆｒａｍｅｗｏｒｋ）、　应用程序（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ）　］。Ａｎｄｒｏｉｄ系统架构如图５　所示。　３．２　Ａｎｄｒｏｉｄ应用程序开发环境Ｅｃｌｉｐｓｅ　Ａｎｄｒｏｉｄ应用程序开发支持Ｗｉｎｄｏｗｓ、Ｌｉｎｕｘ、　Ｍａｃ　ＯＳ等操作系统，当前中国主流的操作系统是微