基于开源硬件的 Wi-Fi四

学士学位论文基于开源硬件的熙院系：计算与应用数学系学号：利刚教授完成时间：二一五年六月s 015中国科学技术大学学士学位论文致谢在中国科技大学完成本科学业的四年里，我所从事的学习和研究工作，都是在导师以及系里其他老师和同学的指导和帮助下进行的。在完成论文之际，请容许我对他们表达诚挚的谢意。首先感谢导师刘利刚教授多年的指导和教诲，是他把我带到了计算机图形学的研究领域。刘老师严谨的研究态度及忘我的工作精神，刘老师认真细致的治学态度及宽广的胸怀，都将使我受益终身。感谢班主任张瑞老师多年的关怀。感谢任广斌、宋光天、谭立湘等老师，他们在本科大一、大二阶段的指导给我大三、大四阶段的研究工作打下了基础。感谢王士玮、王春雪、王康、吴美娟等师兄师姐们的指点和照顾；感谢陈典、贺烈、夏潮、路寒、高瑞良等几位同班同学，与你们的讨论使我受益良多；特别感谢实验室的孙翰同学对我提供的帮助，我们在1207实验室共同学习共同生活，一起走过了这段愉快而难忘的岁月。感谢科大，感谢一路走过来的兄弟姐妹们，在最宝贵年华里，是你们伴随着我的成长。最后，感谢我家人一贯的鼓励和支持，你们是我追求学业的坚强后盾。夏熙2015年5月29日 2第二章 7第三章 牙和 16 18参考文献 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4988步进电机驱动模块. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4988驱动模块的接口. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4988与. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4988的步进模式接法. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17体表现为能与计算机进行了能控制小车的运动，处理们选择了开源单片机能接收到来自时解释指令后来控制电机的转动，以此来实现小车的前进、后退以及转向。为了使小车的运动更加精确可控，我们抛弃了传统的直流电机，改用两相混合式步进电机。该电机最大的特点就是能精确控制其转动的角度，以到达对小车前进距离和转向角度的精确控制。在们采用了使用简便的定制了模块的底板，使得模块能与我们的工作中，待计算机连接的作用，同时能将计算机传来的数据转换成于计算机的连接，算机建立一个接到服务器的8080端口，即可实现与模块的连接。我们在计算机端采用现传输控制指令，最终控制小车按我们的想法运动。关键词：进电机，能小车of In we to go In to s we C to of we to is to 体积、低能耗、开源化方向发展。越来越多的创客们有能力自己设计、组装或是改造一些开源硬件，以实现一些新奇的想法和有趣的点子。作为经常与计算机打交道的计算数学专业学生，除去我们擅长的算法之外，我们同样离不开一些硬件的支持，加上近年来3发一套可编程的硬件平台来支持3待扫描的物体进行全方位扫描。可能存在的问题包括手持的稳定性，扫描的方位和角度的无法自动判断。除此之外，对于大型的室内场景，需要较长的扫描时间。手持式的设备需要操作人员长时间的工作，一方面耗费人力，另一方面可能会随着时间较长降低稳定性和精准性。能自动的智能优化扫描路径，对还需进行采集的部位重点扫描，已经有足够数据的部位则减少扫描或不需再去扫描，同时，相别与手持设备固定于其上的摄像头能较稳定的完成工作，长时间的扫描也不会降低其准确性。自动化的扫描方式更能节省人力。这个想法具有很强的实用价值。首先是在虚拟现实中的应用。想象一下如果你能在游戏中置身于你所熟悉的真实场景，那该是一件多么有趣的事情。或者是房地产商能让顾客观察到真实的室内三维模型。第二是在实用家电中的应用。例如，现在市面上的普通扫地机器人，主要通过碰撞后的随机转向来遍历整个室内。但是这样可能造成一些地方没有打扫到或者是有些地方重复扫了很多次。要是能在扫地机器人上配备有能重建室内三维场景的算法，它就能根据它走过的路线来智能的选择接下来要去打扫的地方，大大的提高了打扫的效率，并且能尽量不留死角。该设想还可能有很多应用，就不一一列举。要要开展两方面的工作：第一，搭建一个属于我们自己的可编程硬件平台，计算机能控制其运动，并在其上搭载31中国科学技术大学学士学位论文时这个平台必须具有一定的运动精度和稳定性。第二，通过与计算机的交互，编写算法智能的完成扫描工作并在计算机上重建出三维场景。基于以上目的，本篇毕业设计的目的，即是搭建可编程的硬件平台。扫描的算法可留待以后进一步探究。们的硬件平台应具有以下功能：括轮子与底盘的稳定性、运动的稳定性以及在其上固定的扫描装置的稳定性。于上述功能，我们决定设计一个能与计算机进行后可以在其上安装我们的扫描设备。在考察市面上常见的单片机后，我们选择了来控制电机的工作并处理通讯数据。格低廉、有良好的社区支持等特点，非常适合没什么电路基础的人开发项目。电机方面为了精确运动的需要，采用能精确控制转动角度的工业级步进电机。与步进电机相对应的是常见的直流电机，其特点为一旦接上电源就会不断的朝某个方向转动，直到停止供电为止。这样，装有直流电机的小车的运动距离只与通电时间有关，不易精确控制小车前进的距离。与之不同的是，步进电机能根据脉冲信号的频率和脉冲数决定电机的转速和停止的位置。故可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度。串口是串行接口的简称，是指把数据位一位一位地按顺序传送的通讯方式，其结构简单，仅需一根线就能实现双向通讯，但是传送数据较慢。了使们采用面将分章节介绍上述硬件的搭建与使用，并简单介绍由发布与开放源代码）相同方式设计的计算机和电子硬件。开源硬件旨在考虑软件之外的领域的开源，是开源文化的一种表示形式。其中，件的开源主要指的是开放详细的硬件设计，如电路图、使用的材料、电路板的布局等。除此之外，开源硬件通常采用开源软件来驱动。开源硬件能让人们更容易开发自己的产品。例如一些工业产品的雏形设计，早期并不用考虑硬件的定制，即可利用开源硬件来验证产品的可行性。而像我们这样的学生也能尝试到别是在遇到某些不知原因的问题时，能从硬件设计中找到答案，这对我们的学习和研究无疑都有很多好处。有庞大的社区资源，大量的在线教程和示例，以及丰富的外部模块能对其进行扩展。虽然其本身计算能力和内存都有不足，但是能通过于不需要再额外的设计其他复杂的电路，故而不需要太多电路知识就能上手，非常适合非专业的数学系学生，并且其本身的功能就已经足够支撑我们的项目了。自己的存以及输入输出。它能从传感器处获得数据，进行简单的运算，并且将计算结果通过输出口传递给一些能发生状态改变的器件，如鸣器、电机等。从继电器读取电压来控制控制输入和输出在数字电子的时间里，输入和输出是最基本也是使用最多的功能。见的口，6个模拟数据读入口。其中的数字输出口类似于开关，你可以将其打开或者关闭。打开所对应的状态为高电平(5V)，而关闭所对应的状态为低电平(0V)。电子器件能捕获到高电平或低电平状态，例如：在低电平下表现为熄灭。除了输出高低电平外，为数字输入。例如：而改变对到开关控制小灯的目的。注意到，这与传统的通过断开电路使得小灯没有电流流过而熄灭的方式有所不同，存在数字输入和输出的过程，并且完数字输入与输出，就该讲到模拟输入和输出。模拟信号与数字信号的不同之处就像数学中连续和离散的区别，模拟信号主要指振幅和相位都连续的信号，而数字信号是指幅度取值是离散的，并且幅值别限定在有限个数值之类。如，先通过光敏电阻将光照强度转化为电阻的变化，再通过测量电阻一端即可换算出当前光照强度。对于模拟信号的输出，目的是通过数字信号输出来控制模拟电路，通过利用微处理器来改变方波占空比达到这一目的。简单的解释一下，是由于是过：可以控制鸣器的响度和频率，电机转动的快慢等。值得一提的是，口中，只有6个拥有余8个口只能进行普通的数字输出功能。位进行数据传输的一种方式，即数据是一位一位的传输或接收。这种通讯方式只用使用较少的数据线，可以减少通讯的成本。与串口通讯相对的是并行通讯，并行通讯能将一组数据的各个数据位分别同时在多条线上传输，提高了传输效率和传输速度。但是并行通讯也存在通讯成本高和抗干扰能力差等问题。而在涉及与尽量考虑通讯内容的简短。例如在我们的应用中，向可以用一个字节来表示，并用少数几个字节的数字来表示步长。故是能满足我们的需求，同时结构简单方便使用。后在循环部分将通讯的内容读出又重新写入了串口中，之后又向串口发送了一个成了一个回显的过程。我们可以在计算机上进行测试，打开串口与网络通讯测试软件整好串口号和波特率，输入用如：监控室内的温度、湿度，自制小乐器（根据手的位置发出不同频率的声音）等。根据我们的需求，我们需要让处理后的数据需要传递给电机并控制其运动。我们首先考虑的是后再来考虑如何用计算机控制电机运动。进电机和舵机。多玩具小车上都采用的是直流电机。其特点是结构简单，仅需接上电源就可转动。转动的方向取决于电源正负极所接的位置，而转动的快慢则取决于电源电压的高低。通过相当于改变加载在直流电机两端的电压。很自然的，直流电机是我们考虑小车运动时的第一选择。可是实际使用后发现，直流电机有一个很大的缺点，它的转动与否完全取决于是否通电，但需要精确控制运动距离时，直流电机显得无能为力。因为，通过计算通电时间来控制运动距离是很不精确的，加上通讯可能存在的延迟，装上直流电机的小车会比我们预想的跑得更远。们曾经考虑过舵机。舵机是一种为玩具汽车和飞机设计的电机，它不会像直流电机那样一直转圈，而是能根据你的指令旋转到0至180度之间的任意一个角度停下。舵机控制方便，很容易实现，使用它和直流电机的组合曾是我们考虑过的一种解决方案。类似于汽车那样，将前轮使用舵机来控制转向，而后轮使用直流电机来驱动。可是直流电机的精确性还是无法保证，仅仅将前轮换为舵机是不够的。舵机除了可用作小车转向之外，更重要的用处应该是将来在装上3像人的眼睛一样是扫描仪能朝向各个方向采集数据。步进电机驱动模块接收到一个脉冲，它就会驱动步进电机按给定的放向转动一个固定的角度（称为步进角）。而我们可以通过控制控制脉冲的个数来控制角位移，即步进电机转过的角度，从而达到精确定位的目的。除此之外，还可通过控制脉冲的频率来控制步进电机的速度和加速度，达到对小车运动的精确控制。步进电机在很多其他的领域也有广泛应用，如我们熟悉的三维打印机上的喷头就是由步进电机控制，从而能达到对模型的精确打印。在考察市场上常见的步进电机后，我们采用了采用了四个42系列两相混合式步进电机，其步距精度为5%，轴径为5长为19身长度为314988驱动模块的接口为了驱动步进电机，还需要有步进电机驱动模块。这里选用了能与4988模块是一个内置简单操作转换的微电机驱动器。它设计用以控制两相步进电机在全，半，四分之一，八分之一和十六分之一下步进模式，具有高达354988包括一个固定关断时间电流稳压器，具有可在慢或混合衰减模式下工作的能力。可驱动电动机产生一个微步，而无需相位顺序表，高频率控制行或复杂的界面。在一个复杂的微处理器不可用或负担过重的时候，步进电机的使用和调试要想让步进电机成功的运转，就离不开驱动模块。我们采用的以完成不同的功能。解了模块的接口后，中，1A、1B、2A、2顺序与模块连接即可。剩下的即为全步进模式（转一圈需要200个步进值）。如果要求更高的精度，我们可以选择1/4步进模式（转一圈需要800个步进值），此时则需将解了基础的接线之后，即可对步进电机的工作进行测试。其中使用到4988模块、步进电机、面包板、12中模式选择为全步进模式，即进电机的蓝线、红线、黑线和绿线依次接在B、1A、1个测试程序的目的和简单，即先让步进电机反转8圈600);4988的步进模式接法迟1秒后000);再正转8圈600)。我们可以发现步进电机确实按照我们所设想的方式运动，对其转动圈数的控制也很准确，测试结果非常成功。输出到机等做工原件上的。而在我们的应用中，传统的要借助串口通讯软件以及数据线。但是，为了远程控制我们的小车，数据线是显得不合适的。解决方案就是采用一些远程控制方式，如：红外遥控、蓝牙和红外、蓝牙和外接收电路则由红外接收二极管、三极管或硅光电池组成，它们将红外发射器发射的红外光转换为相应的电信号，再送后置放大器。（百度百科）。红外线信息传输可靠，功耗低，成本低只需要一个很小的模块就能发射和接收。但是不具有穿过障碍去控制对象的能力，故在物品较多的室内无法对小车很好的控制。除此之外，普通计算机不带收发红外线的功能，需要外置设备也是一个缺点。蓝牙是一种无线技术标准，牙使用跳频技术，将传输的数据分割成数据包，通过79个指定的蓝牙频道分别传输数据包。每个频道的频宽为1容纳40个频道。第一个频道始于240212480牙的主要特点有价格低廉易于使用，但是传输距离短（10米）。同红外遥控一样，有些电脑并不具有蓝牙设备需要外接蓝牙适配器。与蓝牙工作在相同的频段，相互之间有所干扰。与蓝牙不同，特点是传输速率较高（11传输距离长（100米）、保密性好、通信可靠（抗干扰和抗多径干扰强）。鉴于以上三种通讯技术的综合考虑，首先排除红外遥控，主要因其必须点对点的可视遥控，无法绕过障碍物。而蓝牙与能不满足今后的需求，并且蓝牙需要另配适配器。故特点更适合我们的工作需求。需要外接模块来实现。其中红外遥控和蓝牙由于结构简单，模块也较为简单，构也较复杂故面常见的解决方案有：是基于传统的创新的且超传统得是并未被本次项目采用，主要原因有：习和实验的主板都是此对. 对于几十元就能买到的是随着后续项目的开展，加上我们已经对其他硬件比较了解，以后换上项目的实际进展中我们考虑了将其都买了回来进行测试。网上能找到的最低廉的结构简单，只有四根接线口，两根电源线，两根信号传输线。以直接用外将两根信号传输口分别接到口上，即可完成将市面上买到的模块不可能紧跟官方的固件版本，故而在实际使用中需要更新固件。在实际测试中，固件升级模式中，为了与电脑连接需要在模块上另接一个是因为此，我们选择了意到，升级固件的原理就是将相应的二进制文件烧写到保证择好串口号和波特率即可开始烧写。以通过浏览器访问并进行设置，避免了使用基础的短了者在基础功能上基本相同，只不过用更简便，在实际项目中可以考虑使用 通过串口通讯传递给基础格式为： = 如：” 192:168:11:254”， 3”，设置网络模式为 1”，打开下面对测试过程中，我们首先通过 3将模块设置为后，用 后用 ”接已有的无线路由器。接下来利用 ”192:168:1:104”;8080建立意到我们之前已经在计算机上开启了一个监听8080端口的后我们使用 4来传输4个字节的数据”之后便可在服务器端接收到”至此关于成了数据的传输。但是我们可以发现，由于实际使用中显得比较繁琐。为了简化使用的过程，以通过浏览器访问来设置，大大简化了使用过程，使得我们可以在连接上模块后即开始数据通讯。这也是我们最终考虑使用是在我们今后的应用当中，需要自己编写程序来连接此，在之前的基础上，我们需要进一步学习实现网络通讯。指网络上的两个进程通过一个双向的通信连接实现数据的交换，这个连接的一端称为一个话通信的双方即不同计算机上的两个进程，任何人在通话之前首先要占用一个电话，相当于申请了一个时要知道对方的电话号码，即知道对方后才能进行呼叫。对方拿起话筒后，连接正式建立，之后就15中国科学技术大学学士学位论文是通话结束后，一方挂上电话，即关闭后连接断开。户不用关心数据通讯的细节，只用知道对方的以，程通信之前必须各自创建一个端点，正如打电话之前需要有电话机一样。首先要提到的就是中的中流式之后要用到的就是果有需要，内核会为客户端选择合适的函数初始化三次握手，当连接建立或发生错误后返回。注意：来的建一个新的s;s;连接建立之后，客户端可以通过送和接收的数据的格式和长度都能在程序中进行自定义，从而我们可以简单的通过发送“令小车向前一百个单位，将命令转换为与之对应的步进值去驱动步进电机转动。通过实验我们最终能精确的测量出小车每前进一米对应对于多少个步进值，以及转过给定角度需要两边的步进电机分别以多少的步进频率运动。到此，我们通过计算机精确控制小车的目的已经达到。们最终完成了基础硬件平台的搭建。具有两个基本的功能，即运动精度和计算机可控。为此我们主要开展了两方面的工作：学习使用步进电机，并以其为基础带动小车的运动；学习使用了成计算机对小车的控制。步进电机