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作者：郑州轻工业学院 李阳 杨坤兴 刘洋

指导教师：郑安平 石军

　　作品简介

　　随着网络和图像采集技术的不断发展与成熟，网络视频监控系统在公共安防、家庭防盗、危险环境远程监控等领域发挥着越来越重要的作用。传统的视频监控大多采用有线网络，导致网络布线复杂、造价高，而免付费的无线网络传输数据量少，不适合传输图像信号。为解决上述问题，我们设计了一个基于无线wifi网络的视频监控小车(如图1所示)。

　　本系统以STC15F2K61S2单片机为主控制核心，采用大亚科技的一款无线路由器(可接USB摄像头)作为图像采集传输、信息收发媒介，向支持wifi的上位机(Linux PC、Windows PC、Android手机或Android平板电脑)实时传送图像信息，远处的监控人员根据小车采集的图像信息，了解监控现场的实时信息，并可以通过上位机控制小车的前进、后退、转向等运动，进一步掌握监控人员想要获取的信息。若将无线路由器接入Internet，那么在世界上任何一个有网络的地方都可以通过路由器的唯一IP地址来对此监控小车进行操控。

　　使用说明：

　　1、接上电池，打开电源总开关，给单片机最小系统和路由器上电，打开电机驱动板开关，等待路由器启动完成(一分钟左右)。

　　2、启动上位机软件，点击相应控件进行操作即可。

　　3、通过对键盘上的上、下、左、右方向键和空格键分别实现对监控小车的“前进”、“后退”、“左转”、“右转”、“停止”控制，或使用鼠标点击上位机软件窗口上的“前进”、“后退”、“左转”、“右转”、“停止”按钮实现对小车的控制。

　　平台选型说明

　　STC15F2K61S2单片机开发板

　　设计说明

　　1、监控系统组成与工作原理

　　无线视频监控小车的工作原理如图2所示。系统包括上位机软件、无线路由器及图像采集设备、单片机系统、动力系统及其驱动电路。

　　上位机使用QT编写，通过窗口内嵌入网页浏览器的方式，连接到无线路由器，能够观看到摄像头的实时视频，并发出操控命令。无线路由器及图像采集设备使用的是大亚科技DB120路由器，在路由器上刷入Openwrt系统，安装开源的软件MJPG-Streamer，把摄像头挂载在路由器上，使之成为一个网络视频服务器。单片机系统采用的是STC公司的15系列高端8位单片机，使用串口将单片机与路由器进行通信。使得命令信号能够通过路由器发给单片机。单片机机向小车发命令，小车按照命令执行前进、后退、左转、右转的命令，同时将视频信号发回上位机。车模通过两个电机驱动，前部以万向轮作支撑，利用两个电机的差速实现小车转弯。

　　2、系统硬件设计

　　2.1 无线路由器部分

　　无线路由器选择的一个重要指标就是它必须具有USB主接口(用来连接USB摄像头)和串口引出(用来与单片机通信)，在软件上目前无线路由器上运行的多为OpenWrt操作系统。相对原厂固件而言，OpenWrt不是一个单一、静态的固件，而是提供了一个可添加软件包的可写的文件系统。这使用户可以自由的选择应用程序和配置，而不必受设备提供商的限制，并且可以使用一些适合某方面应用的软件包来定制你的设备。对于开发者来说，OpenWrt是一个框架，开发者不必麻烦的构建整个固件就能得到想要的应用程序;对于用户来说，这意味着完全定制的能力，与以往不同的方式使用设备。

　　本系统中的路由器的固件版本已安装了丰富的设备驱动软件，通过简单配置即可识别市场上大多数USB摄像头。另外该系统支持自动识别和挂载USB在容量存储设备，在安装软件时，只需将软件拷贝到U盘中，通过命令行命令进行安装，无需重新安装整个系统，极大地方便了调试。为完成图像采集，还需在路由器上安装相应的上层应用软件，经过综合考虑，本系统采用MJPG-STREAMER作为视频服务器。

　　2.2 单片机系统

　　本系统采用STC15F2K61S2高端8位单片机作为主控制核心，单片机最小系统电路采用大赛组委会指定的stc15单片机开发板。

　　STC15系列单片机是STC生产的单时钟/机器周期(1T)的单片机，是高速、高可靠性、低功耗、超强抗干扰的新一代8051单片机采用第八代加密技术，加密性超强，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8~12倍。单片机内部集成高精度R/C时钟，±1%温漂，常温下温漂5‰，5MHz~35MHz宽范围可设置，可彻底省掉外部昂贵的晶振和外部复位电路(内部已集成高可靠复位电路，8级可选复位门槛电压)。用此单片机可以构成结构简单、功能强大的控制系统。

　　在本系统中，STC单片机负责接收无线路由器转发来的控制命令，并解析为占空比不同脉冲信号来控制电机转速，配合两个通用I/O口控制电机转动方向。单片机采用TTL串口与无线路由器通信，只需两根信号线就能完成双向通信(整个系统共地)，线路简单，易于控制，加上软件校验算法，可实现快速、高可靠性信息传输。串口以中断方式接收信息，相比于查询方式占用更少的cpu资源，并能在最短时间内响应控制命令，增强了控制的实时性。

　　STC15F2K61S2单片机具有三路片内PCA模块，可以相应地产生三路占空比不同的PWM波形，用于直流电机调速。PWM全称脉冲宽度调制(Pulse Width Modulator)，工作原理是通过改变输出方波的占空比使负载上的平均电流功率从0-100%变化，从而改变负载功率，如灯光亮度/电机速度。利用脉宽调制方式实现调光/调速，它的优点是电源的能量功率能得到充分利用，电路的效率高。另外采用脉宽调制方可以使负载在工作时得到几乎满电源电压，样有利于克服电机内在的线圈电阻而使电机产生更大的力矩。本系统只使用其中两路PCA模块，结合用与非门搭建的数据分配器，实现了对两个电机的独立控制，这样小车在行进过程中能够平滑变速，自由转向，且能保证车身运行的稳定度，防止图像抖动。

　　2.3 电机驱动电路

　　由于电机运行会产生很多杂波，且PWM脉冲的频率高达50kHz，驱动电路中存在着较强的干扰信号，如果这些干扰信号窜入数字电路，将对单片机、路由器的稳定运行造成严重影响。为将干扰信号限制在较小的范围内，电路设计中通过光电耦合器将单片机PWM信号送入电机驱动电路，从而较好地实现对干扰的隔离。

　　电机驱动芯片采用BTS7970，该芯片电流驱动能力强，发热量少，效率高，能保证小车较长时间的连续运行。由于电路中光电耦合器的工作电压为5V，而电池电压为7.2V，故采用LM2940稳压芯片进行电压转换。该芯片能在较小的输入输出电压差的情况下实现稳定电压输出，非常适合本系统的电压条件。电机驱动电路如图3所示。

　　3、系统软件设计

　　3.1上位机软件

　　上位机软件基于QT平台采用C++语言编写，实际完成的上位机软件运行主界面如图4所示。基于QT平台设计的软件有很好的可移植性，其源码无需修改或经过少量修改，在编译之后就能运行于多种操作系统上(Windows、Linux、嵌入式Linux等)，扩大了软件的适用范围，同时减少了上位机软件设计的工作量。另外网络上也很容易找到安卓系统上位机软件，这使得很多手机和平板电脑也能作为本系统控制终端。

　　上位机软件的主要功能为实时接收显示图像和发送操控命令。软件主界面中包含若干操控按钮和图像显示控件，操控按钮用来进行网络连接、开关视频、设置参数、发送小车行进控制命令等。图像显示控件实际为一个嵌入窗口中的网页浏览器，该网页浏览器通过访问指定IP地址来获取网页信息，并执行网页中的javascript脚本获取和渲染图像，进而显示在窗口中。另外软件需配置正确参数方可实现相应功能，参数设定可在其子窗口中进行。可设置的参数包括小车行进命令、命令转发端口和视频访问地址。我们设计的参数设定界面如图5所示。

　　3.2、下位机软件设计

　　单片机软件的主要任务是接收和解析控制命令，然后执行命令，其主程序和串口中断服务程序的流程如图6、7所示。

　　命令接收程序放在中断服务程序中，这样能最大限度地减少命令接收延时和防止数据丢失。路由器发来数据时，单片机产生串口中断，进入中断服务程序，在中断服务程序中接收数据，并保存在数组中。当一个命令接收完成时(收到5个字节数据)，把命令接收完成标志Rec_flag置位。在主程序中，循环体不断检查命令接收完成标志Rec_flag，当Rec_flag为1时，校验收到的数据，若为无效命令则舍弃掉然后进入下一个循环;若为有效命令，则执行相应的动作。

　　作品特色

　　我们设计的基于无线wifi网络的视频监控小车有如下特色：

　　1、数据传速速率高：使用了wifi网络为视频信号传输媒介，最高传输速度可达到10Mbps，完全可以胜任视频流的传输。

　　2、小车运动灵活：使用两轮差速控制，使得转向更灵敏，实现成本更低，小车行走也更为灵活，并可以原地360度转弯。在危险环境中，无需人员进入，利用监控小车的灵活性，可远程探测未知情况，操作人员可通过传回的图像了解现场环境。

　　3、综合成本低：只需一次性投资，无须挖沟埋管。由于15单片机只有三路ccp可编程计数阵列，也就是最多只可以输出三路PWM，为了使小车两路电机都可以正反转，我们使用了两路PWM配合与非门开关电路，使得一路PWM实现了对一个电机的正反转控制。

　　4、支持多用户：在网络中的每一台计算机，在获得了相应权限后，只要安装了客户端的软件，就能使用本监控系统，且同一监控设备支持多用户同时访问。

　　5、支持远程监控：遵循全球统一的技术标准和通讯协议TCP/IP，可以进行跨地域的远程实时监控。

　　6、安全性高：无线网络具有ESSID、MAC地址过滤及WEP加密等安全措施，为系统信息安全提供了有力保证。