摘要

山西大學(xué)、國(guó)網(wǎng)山西省電力公司、國(guó)網(wǎng)甘肅省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院的研究人員王秀麗、宋健等，在2018年第7期《電氣技術(shù)》雜志上撰文，以單片機(jī)Arduino為核心，利用無(wú)線(xiàn)WiFi技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信和圖像傳輸，PC控制端通過(guò)讀取紅外、溫濕度、PM2.5及速度傳感器傳回的數(shù)據(jù)和圖像監(jiān)測(cè)小車(chē)運(yùn)行環(huán)境和自身狀態(tài)，以L(fǎng)298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)來(lái)控制小車(chē)行進(jìn)。在此基礎(chǔ)上加入太陽(yáng)能自動(dòng)追光系統(tǒng)，采用光電追蹤方式實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)能的有效利用。

構(gòu)建智能化設(shè)備是當(dāng)前科技發(fā)展的主旋律，而節(jié)能高效是局限所在。因此，提高可再生新能源的有效利用，對(duì)智能化發(fā)展具有重要意義。

本文設(shè)計(jì)了一種智能型太陽(yáng)能追光系統(tǒng)，使太陽(yáng)能利用裝置始終保持與太陽(yáng)光垂直，最大程度的提高太陽(yáng)能的利用率。同時(shí)把該系統(tǒng)應(yīng)用于基于無(wú)線(xiàn)WiFi通信的智能小車(chē)上，其環(huán)境感知、數(shù)據(jù)處理、控制策略及系統(tǒng)搭建的研究與實(shí)現(xiàn)，能夠在一定程度上推動(dòng)科考、搶險(xiǎn)救災(zāi)的智能化發(fā)展，進(jìn)一步為未來(lái)軍事探測(cè)構(gòu)建體系結(jié)構(gòu)、初步構(gòu)建智能工業(yè)的模型與理論基礎(chǔ)提供了功能性技術(shù)價(jià)值。

1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

本設(shè)計(jì)以Arduino Mega2560核心電路板為主控制單元，通過(guò)APC220無(wú)線(xiàn)傳輸裝置和主控制單元通信，其發(fā)送的數(shù)據(jù)包括除圖像之外的所有模塊需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)小車(chē)移動(dòng)及其他配置的功能。另外再獨(dú)立有圖像模塊，利用發(fā)送設(shè)備TS832和接收設(shè)備RC832通過(guò)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信方式建立圖像與PC上位機(jī)的傳輸。

為實(shí)現(xiàn)能量的可持續(xù)清潔利用，使用太陽(yáng)能電池板來(lái)對(duì)太陽(yáng)能進(jìn)行轉(zhuǎn)化利用，并通過(guò)舵機(jī)來(lái)使太陽(yáng)能得到最有效利用。通過(guò)溫度、濕度、氣體、速度和紅外傳感器構(gòu)成的多傳感器系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多方位的檢測(cè)功能。

系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)如圖1所示，其工作流程為：在PC上位機(jī)的控制信號(hào)下，多傳感器系統(tǒng)對(duì)自身狀態(tài)及現(xiàn)實(shí)環(huán)境不同特征進(jìn)行檢測(cè)并傳回主控制單元Arduino，利用APC220無(wú)線(xiàn)傳輸裝置和圖像傳輸系統(tǒng)把處理后的數(shù)據(jù)選擇性傳回PC上位機(jī)，PC端再根據(jù)傳回信號(hào)來(lái)對(duì)智能小車(chē)實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步操作。系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)控制方式多樣化的同時(shí)，根據(jù)需要進(jìn)行相應(yīng)的系統(tǒng)控制對(duì)象的改變，使整體具有冗余性和互補(bǔ)性[5-6]。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件部分分為兩部分，其中Arduino下位機(jī)部分作為系統(tǒng)的控制層，其處理多傳感器系統(tǒng)、自身狀態(tài)檢測(cè)裝置及太陽(yáng)能自動(dòng)追光系統(tǒng)傳回?cái)?shù)據(jù)并加以實(shí)施控制信號(hào)。第二部分PC上位機(jī)實(shí)現(xiàn)智能小車(chē)的示教和人機(jī)交互功能，不僅能夠通過(guò)感知各傳感模塊的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)對(duì)環(huán)境變量及自身狀態(tài)進(jìn)行分析，而且還能遠(yuǎn)距離發(fā)出決策命令，這將極大的改善智能小車(chē)系統(tǒng)的性能，提高系統(tǒng)的可靠性和可操作性。

2.1 Arduino下位機(jī)設(shè)計(jì)思路

下位機(jī)采用的Arduino開(kāi)發(fā)板本身已經(jīng)有完善的模板，將APC220及各種外設(shè)的初始化工作放在setup()函數(shù)中，loop()函數(shù)中直接調(diào)用各模塊函數(shù)實(shí)現(xiàn)功能。Loop()中的函數(shù)主要有WiFi()函數(shù)，其主要掌控消息接收和發(fā)送，解析接收數(shù)據(jù)并執(zhí)行；其余的函數(shù)均為各模塊的處理函數(shù)，例如Wire_end_ Sun()電源和太陽(yáng)能之間的關(guān)系處理及數(shù)據(jù)更新。

該系統(tǒng)屬于普通實(shí)時(shí)系統(tǒng)，同上位機(jī)一樣設(shè)置中斷函數(shù)，并設(shè)置信號(hào)量機(jī)制避免各同優(yōu)先級(jí)中斷函數(shù)之間互相干擾。

此程序的設(shè)計(jì)在于模板化，針對(duì)于智能小車(chē)給出了模板類(lèi)，封裝為庫(kù)文件，當(dāng)需要添加功能時(shí)，只需將該功能加入到模板中即可。針對(duì)于小車(chē)的移動(dòng)，給出了模板類(lèi)，調(diào)用時(shí)只需輸入相應(yīng)控制引腳即可。而信息傳遞函數(shù)WiFi()的設(shè)置，也只需根據(jù)需要添加調(diào)用模塊條件調(diào)用相應(yīng)函數(shù)即可。此程序可以應(yīng)用任何相同開(kāi)發(fā)板的智能小車(chē)，只需修改對(duì)應(yīng)引腳，對(duì)應(yīng)功能也只需要寫(xiě)入對(duì)應(yīng)模塊即可，無(wú)需重新編寫(xiě)程序[7-8]。

圖2 下位機(jī)程序流程圖

2.2 PC上位機(jī)設(shè)計(jì)思路

上位機(jī)使用Matlab的GUIDE（圖形用戶(hù)接口開(kāi)發(fā)環(huán)境）構(gòu)建，其中定義了圖像模塊、WiFi控制模塊、電源模塊、遙控模塊、太陽(yáng)能模塊、傳感器模塊。

圖像模塊的實(shí)現(xiàn)機(jī)理：視頻采集端由FPV（First Person View）針孔攝像頭和發(fā)送設(shè)備TS832組成；TS832由12V電源供電，輸出5V電壓給攝像頭供電，而后FPV視頻輸出端通過(guò)信號(hào)線(xiàn)將視頻數(shù)據(jù)傳遞給TS832，由其進(jìn)行傳輸。

視頻接收端，由RC832和視頻采集卡、上位機(jī)組成，RC832通過(guò)與TS832相同的頻率將視頻數(shù)據(jù)接收，通過(guò)AV線(xiàn)與視頻采集卡連接，視頻采集卡主要起轉(zhuǎn)換接口和緩存視頻數(shù)據(jù)的功能，上位機(jī)軟件讀取采集卡的數(shù)據(jù)將視頻顯示，其讀取和顯示的核心代碼如圖7和圖8所示，最終的cam是其接口，顯示時(shí)將其捕獲。

圖3 讀取部分

圖4 顯示部分

WiFi模塊的實(shí)現(xiàn)過(guò)程：首先WiFi模塊的APC220也是一對(duì)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的傳輸模塊。下位機(jī)置放一個(gè)APC220，上位機(jī)處置放一個(gè)APC220。下位機(jī)傳回?cái)?shù)據(jù)時(shí)，其APC220與Arduino板進(jìn)行串口通信，將Arduino板上各模塊的數(shù)據(jù)根據(jù)規(guī)定協(xié)議封裝后傳回到上位機(jī)APC220，上位機(jī)軟件通過(guò)串口與其通信，通過(guò)數(shù)據(jù)處理將數(shù)據(jù)提取顯示。上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，其APC220將操作命令依據(jù)傳輸協(xié)議封裝后發(fā)送給另一個(gè)APC220，Arduino板對(duì)其進(jìn)行解析并執(zhí)行命令。傳輸協(xié)議采用自定義協(xié)議，協(xié)議如下：

起始位‘SOH’數(shù)據(jù)類(lèi)別 數(shù)據(jù)位位數(shù) 數(shù)據(jù) 終止位‘EOT’

當(dāng)數(shù)據(jù)類(lèi)別為傳感器等一類(lèi)事物的總稱(chēng)時(shí)，數(shù)據(jù)位的第一位數(shù)據(jù)將其分別標(biāo)明是哪一類(lèi)的傳感器。由于APC220具有自帶的檢錯(cuò)功能，所以協(xié)議中沒(méi)有定義檢錯(cuò)位。

上位機(jī)與APC220的連接和數(shù)據(jù)的封裝函數(shù)如圖5和圖6所示。

圖5 連接部分

圖6 封裝部分

上位機(jī)軟件的實(shí)現(xiàn)設(shè)置了3個(gè)主要處理機(jī)制，分別對(duì)應(yīng)與WiFi模塊的接收、WiFi發(fā)送指令、圖像的接收。由于該系統(tǒng)屬于典型的實(shí)時(shí)系統(tǒng)，需要無(wú)時(shí)無(wú)刻的接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，因此就可能產(chǎn)生死鎖問(wèn)題，因此需要定義合理的中斷優(yōu)先級(jí)，此軟件將WiFi的接收定義為最高優(yōu)先級(jí)，WiFi的發(fā)送次之，最低優(yōu)先級(jí)為圖像的接收。通過(guò)信號(hào)量機(jī)制使系統(tǒng)變的穩(wěn)定可靠。

WiFi接收中斷，當(dāng)掃描到串口有數(shù)據(jù)到來(lái)時(shí)，會(huì)觸發(fā)串口終端去處理并解析數(shù)據(jù)；定時(shí)器中斷掃描全局變量中斷標(biāo)志，當(dāng)標(biāo)志位置1時(shí)，有指令發(fā)送，將該指令封裝發(fā)送。圖像接收按鈕回調(diào)，當(dāng)圖像為顯示狀態(tài)時(shí)，顯示圖像[9-10]。

此軟件利用定時(shí)器中斷和數(shù)據(jù)接收串口中斷構(gòu)造了一個(gè)典型的實(shí)時(shí)系統(tǒng)，對(duì)下位機(jī)進(jìn)行檢測(cè)控制。其中傳輸數(shù)據(jù)幀的格式模仿TCP/IP協(xié)議，自定義出一套完整的幀協(xié)議，相對(duì)于TCP/IP協(xié)議的最大優(yōu)點(diǎn)在于不需要限制一幀數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)大小，簡(jiǎn)潔實(shí)用。

圖像接收端也采用新穎獨(dú)特的方式顯示圖像，使得圖像清晰度和實(shí)時(shí)度相較于其他方式的視頻顯示大大提升。此軟件的一個(gè)缺點(diǎn)在于當(dāng)打開(kāi)圖像顯示時(shí)，該軟件會(huì)一直占用當(dāng)前窗口實(shí)時(shí)顯示，不過(guò)仔細(xì)思考，動(dòng)態(tài)刷新圖像，更好地顯示了系統(tǒng)強(qiáng)大的實(shí)時(shí)性。

圖8為設(shè)計(jì)出來(lái)的上位機(jī)控制軟件平臺(tái)界面。

圖7 上位機(jī)程序流程圖

圖8 上位機(jī)控制平臺(tái)界面

結(jié)論

本設(shè)計(jì)在含有多種傳感器的無(wú)線(xiàn)智能小車(chē)基礎(chǔ)上集成了一種雙軸自動(dòng)追光設(shè)備，經(jīng)性能指標(biāo)測(cè)試實(shí)驗(yàn)，小車(chē)能夠做到遠(yuǎn)距離實(shí)時(shí)操控及環(huán)境圖像的準(zhǔn)確高效傳輸，追光設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)移動(dòng)光源的自動(dòng)追蹤，此系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用必然會(huì)帶來(lái)可觀的環(huán)境效益與經(jīng)濟(jì)效益。