毕业设计（论文）-基于wifi技术的智能家庭机器人的设计与实现.doc

摘 要基于WiFi技术的家庭智能机器人由电机、车体、STC89C52RC单片机最小系统、无线收发模块、电机驱动模块、LED灯和辅助其他成分。基本原理将WIFI收发模块与上位机连接，通过上位机接收并显示视频信号，实现视频的实时传输，与此同时上位机可以发送指令给wifi收发模块。WIFI模块通过串口通过指令，单片机读取串口命令和执行，就可以控制智能机器人的操作和LED的亮出来，从而实现上位机通过无线控制下位机的操作，实现智能化和无线遥控等功能。关键词：WIFI，家庭，机器人，视频，智能化IIIAbstractBased on WiFi technology, home intelligent robot by a motor vehicle body, STC89C52RC smallest single-chip system, wireless transceiver module, motor drive module, LED lights and other auxiliary components. The basic principle will WIFI transceiver module is connected with the host computer to receive and display video signals through the PC, to achieve real-time video transmission, while the host computer can send commands to a wifi transceiver module. WIFI module instruction, the microcontroller through the serial port to read and execute commands, you can control the operation of intelligent robots and LEDs light out, enabling the host computer via a wireless control bit machine operation, intelligent wireless remote control and other functions.Key word：WIFI，Fimaly，Robots， Video，Intelligent苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计目 录摘 要IAbstractII1 绪论11.1 选题的背景和意义11.2 系统设计主要任务12 方案的论证与选择32.1 总体设计方案32.1.1 整机系统32.1.2 整机工作原理32.2 系统方案的选择与比较43 硬件电路设计53.1 无线路由器53.1.1 刷机固件介绍53.1.2 刷机步骤63.2 单片机最小系统设计73.2.1 STC89C52RC主控芯片73.2.2 单片机最小系统83.2.3 STC89C52R单片机的使用93.3 电机驱动电路93.3.1 LM298N电机驱动芯片的产品参数103.3.2 驱动的原理及电路图103.4 摄像头介绍113.4.1 摄像头简介113.4.2 摄像头的工作原理123.4.3 摄像头的主要构造124 系统程序设计134.1 系统程序简介134.2 程序流程图134.2.1 主程序流程图134.2.2 串口中断子函数144.2.3 定时器中断子函数155 程序编写175.1 软件介绍175.2 程序编写175.3 实物调试25结论28致 谢29附录30参考文献32苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计1 绪论1.1 选题的背景和意义 当您忘记关闭灯熄灭或空调等电器，打开软件关掉在家里的所有的电器。当你出门忘记关窗，不收拾自己的衣服，打开软件关闭所有门窗，把家里和衣服收好。当房子不速之客闯入家中会发出报警声。并如实告知您小偷的当前位置。无论你在世界任何地方，只需在计算机网络上转，您可以在家里的每一个角落监控，以目前的情况.你可能会说，这些都是科幻电影和小说的场景在现实生活中，哪里有这样的事情？事实上，科幻小说的力量被技术变成了现实，这是智能生活带来的便利1。随着信息科技的迅速发展，人们的生活工作、信息通讯之间的联系越来越大。科技在影响人们工作习惯和生活方式的同时，也向传统的住宅方式发起了挑战，技术以及社会经济的发展更让人们的思想观念发生巨变。人们对家居环境的要求已经不仅仅是一个物理空间来满足，更要注意的是提供一个舒适、安全、方便的家居环境。智能化时代已经来临，人们已经不需要再去用传统方式做事，智能设备已经可以解决。不管是人们的生活还是工作都逐步走向网络化、智能化，将智能机器人用于家庭智能生活具有广阔的应用前景。近来智能家庭方面的机器人引起了国内外的特别关注，智能家庭机器人技术已经成为机器人技术的一个新分支2。基于WIFI遥控智能机器人也已发表在电子产品在世界上，它的应用将越来越广泛。鉴于其目前的研究和开发已成为人们生活中一个流行的技术，并探索高技术的发展有很高的价值意义2。设计的WIFI智能家居机器人是利用移动电话或个人电脑作为PC的，而在微控制器作为下位机，对无线电信号进行通过WIFI模块和路由器，有线电视信号，然后串行传输进行处理，使上位机通过无线较低的机器操作，智能无线遥控等功能的控制。家庭智能机器人在家庭的安全，监控，节能和控制等领域已具有广泛的应用。由于Wifi信号在没有障碍阻挡的环境下传输距离为 300米左右，室内有阻挡的时候传输距离也可达100米，将WIFI应用于智能家庭控制控制绰绰有余。所以本设计所做的智能家庭机器人可以在家庭安全检测控制等方面起到很重要的作用，可以节省时间，只需打开手机或电脑通过互联网控制小车机器人就可以监测和控制家中的电器等。 随着无线网络技术的进一步发展，我相信电子产品的无线控制将蓬勃发展，促进科学技术与人类生活质量的进一步提高，其发展前景是非常可观的。1.2 系统设计主要任务基本任务包括：系统设计方案的确定、元器件的购买、单个模块的测试、整体硬件的搭建和MCU程序的编写、控制软件的编写、整机联调3。硬件方面： 家庭智能机器人控制系统的六大部分硬件分别为：WIFI收发模块、摄像头模块、电机驱动模块、STC89C52RC单片机与和电源部分。用户可以通过上位机和手机连接路由器来实现视频的实时传输及实现机器人的控制。 软件方面： 软件方面主要包含四大部分：即Openwrt路由器固件的烧写、C#上位机的编写，Andriod 机器人控制APP的编写，单片机程序的编写。 12 方案的论证与选择2.1 总体设计方案WIFI家庭智能机器人主要由电机驱动lm298n模块、USB摄像头模块、WiFi模块、单片机STC89C52RC单片机最小系统模块组成。2.1.1 整机系统本系统包含51单片机最小系统、电机驱动LM298N模块、AR9331WIFI模块，电机、5V稳压电路、USB摄像头、灯光电路等。系统框图如图2-1所示。wifi模块 单片机STC89C52RCLed照明电机驱动模块摄像头模块电脑控制终端/手机APP电机图2-1系统结构框图51单片机最小系统是家庭机器人的控制核心。它负责接收指令，控制着整个系统的协调运作。WIFI模块主要用于将摄像头采集到的视频信号无线传输到手机或电脑等终端设备，与此同时也可以接收手机或者电脑等终端设备发送过来的指令，并将指令传送给单片机4；LM298N电机驱动电路模块主要用于驱动电机正反转动，使车体做出相应的控制动作，并且模块上集成了5v稳压模块，可以为单片机提供电源；电机的主要作用就是让机器人车体运动；电源电路作用是为机器人系统共电；照明电路为机器人在房间内提供照明；USB摄像头主要用于视频信号的采集。2.1.2 整机工作原理将WIFI收发模块与上位机连接，通过上位机显示视频信号，实现视频的实时传输，与此同时上位机可以发送指令给wifi收发模块。Wifi模块通过串口将数据发送，单片机把wifi模块收到的数据通过串口读取出来，然后单片机内部判断执行相关指令数据，进而控制小车运动、指示灯的亮灭，从而实现上位机通过无线来控制下位机的运作，实现智能化和无线遥控等功能。2.2 系统方案的选择与比较方案一：选择STM32作为主控芯片，其自带硬件PWM输出。利用db120-wg无线路由器做为wifi模块，重新烧录系统，安装固件。自己再够买元器件。方案二：选择STC89C52RC为主控芯片，模拟生成PWM。使用改装过的机器人专用的TPLINK WR703N路由器作为wifi模块，自己再购买其他元器件。方案三：选择MSP430F149为主控芯片，自带硬件PWM。接下来与方案二一样，使用改装过的路由器，自己再购买其他元器件。方案选择：考虑到实现的成本和制作性最终选取了方案二。3 硬件电路设计3.1 无线路由器AR9331核心板模块是基于Atheros AR9331 SOC方案的wifi模块。系统频率达400MHz, 板载64MB DDR2 RAM，8MB flash，对外引出USB、GPIO、UART、I2S、以太网接口、wifi天线接口。 本模块体积小、功耗低、发热量小，wifi、网口传输性能稳定。运行openwrt（linux）系统，可长期稳定运行。模块外围电路非常简单，仅需加上3.3V DC电源，即可让系统启动，并可通过WIFI控制。采用2个1x19 2.0mm镀金排针接口，可非常稳定的固定在底板上。 可用于智能家居、IP camera、VOIP、遥控拍摄飞行器、远程监控系统、便携式3G路由器、简单的WEB网络服务器、简单的FTP服务器、远程下载、遥控视觉小车等超多应用,并提供详细的开发资料，方便用户学习、开发。 路由器WIF模块如图3-1所示图3-1路由器模块3.1.1 刷机固件介绍固件说明：1、Ser2net串口透传功能修改波特率，设置开机启动。2、mjpg_streamer摄像头驱动更改启动文件，设置开机启动。3.1.2 刷机步骤1、把电脑用无线或者有线连接路由器，登陆路由器管理界面。然后进入固件更新，选择需要下载的文件后，点击更新5。更新结束后，重新启动路由器。2、网络配置连接路由器wifi，登录putty后，进行命令行操作安装固件，如图3-2所示。图3-2 putty登陆界面输入设定的IP地址，点击open。如果弹出什么窗口，点“是”即可。接着进入命令行界面，输入用户名：root+Enter 然后输入设置的密码登陆；登陆后输入；opkg update安装插件。opkg install kmod-video-uvcopkg install mjpg-streameropkg install ser2net opkg install kmod-usb-serial-ch341opkg install usbutilsopkg install luci-i18n-base-zh-cnopkg install luci-i18n-base-enopkg install luci-app-mjpg-streamer6、登陆WINSCP，文件协议选择SCP然后输入IP：，输入用户名和密码登陆。7、修改波特率，设置串口开机启动。由于晶振的限制波特率最大为9600，找到/etc/ser2net.conf文件，打开修改为波特率为96008、打开网络串口调试助手，把电脑和路由器通过usb转串口线相连。与此同时，电脑通过网线或无线相连路由器，打开串口。如果可以互发数据说明安装成功。3.2 单片机最小系统设计选用51系列单片机STC89C52RC作为最小系统主控芯片3.2.1 STC89C52RC主控芯片该芯片具有以下几个特点：1、 宽电压输入2.76V；2、16位定时/计数器；3、5个中断源；4、1个全双工异步串行口；5、8 K字节flash；6、512字节数据存储空间；7、具有EEPROM 功能。STC89C52RC单片机的寄存器复位状态6，如图3-3：图3-3 寄存器复位状态3.2.2 单片机最小系统STC89C52RC单片机最小系统由电源电路、时钟电路、复位电路组成。其组成方框图如图3-4所示：单片机电源电路时钟电路复位电路图3-4 单片机最小系统组成方框图a电源电路本设计的单片机电源由LM298N模块上的7805稳压电路提供。b时钟电路一种为晶振、电容和内部振荡电路组成的内部时钟方式；另一种是外部直接提供时钟源的方式。具体的电路如图3-5所示。（a）内部时钟方式 。 （b）外部时钟方式图3-5 单片机时钟电路图c复位电路包含上电自动复位方式和手动复位方式。它的功能是让单片机恢复到一个确定的初始状态。（a）上电自动复位 （b）手动复位图3-6 单片机复位电路图3.2.3 STC89C52R单片机的使用本设计采用单片机的定时中断、串口中断和普通的输入输出端口操作功能。图3-7 单片机最小系统电路图单片机的I/O口操作主要是针对于对串口中断接收到的命令进行相应的操作，实现小车的运转和led的开关，利用定时器中断模拟生成PWM驱动LM298N的使能端实现速度控制。3.3 电机驱动电路本设计采取LM298N电机驱动模块，具有高可靠性，宽电压输入的特点，符合我们的实际要求。3.3.1 LM298N电机驱动芯片的产品参数a、双H桥直流电机驱动芯片；b、驱动供电为+5V到+35V；c、驱动峰值电流为2A；d、逻辑供电为+5V到+7V；e、最大功耗为20W。3.3.2 驱动的原理及电路图LM298N模块内含两个使能控制端ENA和ENB分别控制两个输出口。当ENA使能的时候，OUT1和OUT2随着IN1和IN2的变化而变化，当ENA失能的时候，OUT1和OUT2没输出；ENB同理。本设计采用两块L298N模块驱动4个直流电机的转动。图3-8 LM298N模块图3-9 LM298N模块原理图 图3-10 LM298N驱动电机状态图3.4 摄像头介绍本设计摄像头相当于一个可以远程控制的移动监控器，可以随时了解家里每个地方的实时情况。3.4.1 摄像头简介摄像头是一种图像捕获设备，将所捕获的数字图像转化为数字信号传输出去。现在主要用于视频和监控。随着互联网技术的不断发展，再加上摄像头制造技术的发展，它已经变得更加便宜。普通的人也能用摄像头在远方进行视频沟通，与此同时，目前流行的影音和视频处理都离不开它。3.4.2 摄像头的工作原理摄像头工作原理：刚开始摄像头进行光电转换将光信号转化为电信号。然后经过A/D转换将模拟信号变成数字信号，送给数字信号处理芯片处理发送。路由器收到数字信号后转发出去。手机或电脑接收视频信号后通过软件显示实时画面。3.4.3 摄像头的主要构造a、主控芯片；b、镜头；c、感光芯片；摄像头模块如图3-11所示：图3-11摄像头模块4 系统程序设计4.1 系统程序简介本系统作为一个整体，功能是由软硬件共同完成的，不可分割。硬件结构一旦确定，软件需要在硬件基础上构筑。软件是整个设计的灵魂核心，硬件是整个设计的肉体7。为了易于编程调试我们采取模块化的程序设计减少了设计的故障率。本设计是通过单片机串口不断接收路由器传过来的命令，根据指令执行相应的操作，与此同时摄像头不断的采集视频信息传送给路由器，通过路由器传送给智能终端。所以在程序中我们需要涉及到串口、定时器、I/O口的控制使用。4.2 程序流程图我们整个的软件系统主要是WIFI智能机器人对命令的接收和执行。4.2.1 主程序流程图系统主程序首先是初始化程序，包含对定时器pwm的初始化和串口的初始化。然后在主程序中不断扫描和执行智能终端发送过来的指令，等待串口中断执行命令。单片机程序总设计流程如下图4-1所示。图4-1主函数流程图判断串口接收的指令。开始初始化小车前进。小车后退。小车左转。小车右转。小车停止。小车灯开。小车灯关。小车寻迹。温湿度采集。4.2.2 串口中断子函数单片机和路由器之间通过串口来进行通讯。初始化程序初始化串口之后，打开串口中断。当有数据传输过来之后进入串口中断。进入中断后关掉中断，避免数据信号重复干扰，读取数据。在主函数中不断的扫描接收到的数据并执行。具体流程图如下图4-2所示。结束指令类型数据。接收到结束命令。NY串口中断将IR归零。将接收到的数据命令赋给标志。小车前进。小车后退。小车左转。小车右转。开/关灯。图4-2串口中断流程图4.2.3 定时器中断子函数设定定时器的初值和计数次数，生成10KHz 的PWM信号来控制家庭机器人的速度。其流程图如下图4-3所示。结束tzkb1tzkb2中断标志位清零定时中断初始化T2t自加。ENA控制端归零。ENB控制端归零。ENA控制端置位。ENB控制端置位。图4-3定时中断函数流程图t=zhouqit=05 程序编写本次设计需要对上位机、下位机和手机app进行编程5.1 软件介绍 1、eclipseEclipse是一个多功能的集成开发环境，可以安装各种插件，主要用于java语言开发8。2、KEIL软件KEIL是 一个C语言开发编译的系统5。可以用于实现单片机应用的各类编程实现，具有很强的可读和结构性，方便编程人员的使用和学习。3、Microsoft Visual StudioVS是一个相对完善的开发工具集，包含许多开发工具，C#只是其中之一9。5、STC下载软件 STC单片机串口可以仅使用在线烧写程序，非常方便完成a、 安装STC-ISP软件。 b、 启动软件。c、STC89C52RC单片机的选型（还有其他型号，这取决于你的选择，你可以仔细看看型芯片上的模型）d、 选择要烧写的文件，点击打开程序文件e、 点击下载/编译，等待下载完成。 5.2 程序编写1、单片机程序*又快到做毕业设计的时候了，大家这个时候忙碌找工作，忙于考研，无暇做毕业设计，本团队可为大家提供帮助，诚信第一，价格最低，黑狼团队由在校学生组成，作为过来人最懂您的指导老师，为您提供专业服务，三年代做经验，可做电子类和计算机类。*专 抠 专 欢迎 *业 抠 为 您的 *代 群 大 加入 *做 2 学 *毕 4 生 *设 6 服 * 3 务 * 8 解 * 2 决 * 2 问 * 3 题 * *212、上位机部分程序界面,如图5-1所示图5-1上位机运行界面3、手机app部分程序界面10，如图5-2所示图5-2 家庭智能机器人系统控制界面图5-3 家庭智能机器人系统登陆界面5.3 实物调试系统调试可分为硬件调试、软件调试和软硬件联调三个部分。1硬件调试由于此设计实物是由模块搭建，首先对电路各功能模块进行调试，看是否正常工作。然后组装，为了避免因电路接线错误，导致上电损坏模块。然后用万用表对系统是否短路、断路进行整体检查。最后对电路各功能模块进行分级调试，逐步实现系统的整体功能。2软件调试此系统的软件程序需要使用JAVA、C#、C语言分别对andriod、上位机、单片机程序进行编写。调试时，借助串口调试助手和网络调试助手软件。首先，利用串口助手调试串口程序，然后编写电机驱动程序。接着编写电机驱动程序。然后再借助网络调试助手对wifi模块和上位机软件进行调试。最终将各子程序模块进行有机组合、联调，最终完成整个系统的软件调试。3软硬联调系统软硬件联调的主要是把软件和实物结合起来测试整个系统的功能和效果，结合手机app和上位机对智能小车进行控制。图5-4 系统软硬件联合调试图 图5-5 控制系统运行图结论一直以来自己都想好好学一下andriod和C#的socket控件，物联网也是未来的发展方向，对它也充满了浓浓的兴趣。即使现在没接触到，接下来的日子里自己也一定会去学习。通过对wifi家庭智能机器人的研究，论文的准备和实际的目标，对自己存在的缺点的进一步认识。在andriod APP方面还相差很多，与此同时自己对socket控件理解更加深刻，为后来的学习买下了基础。在路由器方面，想起了在嵌入式方面学到的课程，以前是在Red Hat系统而现在是Openwrt，几乎都是差不多