基于无线通信技术的多功能智能小车视频传输系统

I 附件 4 序号 编码 第第 X X 届届 挑战杯挑战杯 广西大学生课外学术科技作品广西大学生课外学术科技作品竞赛 作品申报书 作品名称 作品名称 基于无线通信技术的多功能智能小车视频传输系统 学校全称 学校全称 广西科技大学 申报者姓名申报者姓名 集体名称 集体名称 陈竞雄 黄承鸿 莫潇文 覃禄枢 CHM 队 类别 自然科学类学术论文 哲学社会科学类社会调查报告和学术论文 科技发明制作 A 类 科技发明制作 B 类 II 摘要摘要 随着当今科技的飞快发展 很多企业设施都实现了智能化 运用 智能化的机器代替古老的人类体力劳动 这不仅提高了企业的生产效率 和效益 更是提高了人类的生活水平 促进了社会的发展步伐 而随着 无线通信技术的不断发展 无线通信技术在自动化方面的应用更是越来 越广泛 在自动化上可利用无线通信技术来实现数据的无线传输 最终 实现远程控制与数据采集等功能 该系统采用 NRF24L01 2 4G 无线模块作为智能小车的远程控制指令传 输器件 对智能小车的远程控制采用 JAV RX2288 JAV TX6729 2 4G 无线 AV 视频收发模块作为 AV 视频无线传输的器件 进行远程视频的 无线传输 采用 AV 转 USB 视频采集模块来将 AV 信号转换为数字信 号传输到上位 PC 机 运用 DHT11 模块进行温湿度数据采集 采用 C 上位机软件接收视频信息 温湿度信息 实现把采集到的信息在电脑上 显示出来 并且可以实现实时对视频的记录存储 使系统具有更好的实 用性和应用前景 关键词 单片机 远程控制 无线视频 温湿度传输 C 上位机软件 III 目录目录 摘要 II 目录 III 1 绪论 1 1 1 本设计的目的 意义 应解决问题和应达到的技术要求 1 1 2 选题背景 2 1 3 无线控制小车搭载无线视频传输 温湿度传输的含义及内容 4 2 主要应用硬件和应用软件简介 5 2 1 STC12C5A60S2 5 2 2 无线视频收 发模块 5 2 3 无线传输模块 NRF24L01 6 2 4 USB 视频采集卡 6 3 系统的总体设计方案 6 3 1 硬件子系统 7 3 2 软件子系统 8 4 硬件电路设计 9 4 1 远程控制系统设计 9 4 2 无线视频传输系统设计 9 4 3 供电系统设计 11 4 4 环境监测设计 11 4 5 控制台设计 12 IV 4 6 循迹方案设计 13 4 7 避障方案设计 14 5 系统软件设计 14 5 1 远程控制系统软件设计 14 5 2 上位机控制软件设计 15 6 调试和结果分析 16 6 1 上位机软件调试 16 6 2 无线视频传输系统调试 17 6 3 硬件调试 17 7 总结 18 附录 作品展示 19 主要参考文献 20 1 1 1 绪论绪论 1 11 1 本设计的目的 意义 应解决问题和应达到的技术要求本设计的目的 意义 应解决问题和应达到的技术要求 随着人类社会的不断发展 人们对智能化科技的需求也在不断的提 高 以机器劳动替代人类劳动 这是人们一直在构思的问题 也是当今 需要解决的问题 本设计作品 无线控制小车搭载无线视频传输 其 不仅能实现智能行走 还可以实现远程控制 我们可以对其进行远程操 作 并且 小车上搭载有无线视频传输系统 我们可以利用其进行远程 视频采集 本次我们小组参赛的作品是在 NRF24L01 JAV RX2288 JAV TX6729 无线传输模块技术资料的基础上 设计了一种基于无线通信技 术的多功能智能小车视频传输系统 系统分为小车采集端 控制台控制 端 电脑控制端 小车控制端负责采集视频 温度 湿度数据 然后发 送回控制台 控制台再将数据发送给 PC 机显示出来 本系统可在高污 染 高辐射 严重威胁人身安全的情况下对工厂机房或特定区域进行环 境温湿度的数据收集以及对周围事物的实时监视 最终整个设计实现了基于 STC12C5A60S2 单片机的智能小车远程 控制和远程视频采集的功能 循迹功能 避障功能以及环境检测功能 在接通电源后用户只需在电脑上打开上位机软件就可以进行远程视频采 集 存储与控制 以及环境温度 湿度的采集 并且通过操作电脑键盘 或者控制台就可以远程控制小车的运动 使小车的运动并不局限于黑线 上 可以更加灵活的控制小车 可以对指定区域各点进行数据检测 2 1 21 2 选题背景选题背景 在设计每个作品的时候 我们都会先对其进行需求状况 应用前 景进行分析 由于本设计的小车涵括了智控 远控 无线可视于一身 所以它的用途非常的广泛 正是由于它的用途广泛 它的市场需求也将 非常的广阔 它的应用前景更是非常的好 大致可以分为三个方面来阐 述它的需求 1 医院市场 智能小车首现北京地坛医院流感病房 在地坛医院收 治甲型 H1N1 流感患者的隔离病区 一种智能载物车被率先投入使用 一辆辆在规定时间行走在规定路线上的智能小车 把医用垃圾和被污染 衣物运走 同时送来洁净的衣物和药品 大大减少了医护人员和工作人 员进入隔离区的次数 据了解 这种智能小车每台自重 330 公斤 可 以驮起半吨的货物 它可以自己遥控走廊门 电梯的开闭 自己装卸药 品柜 遇到有人挡住去路 它还会请求对方避让 在污染区工作的小车 走专用路线 消毒方便 在一定程度上减少了人接触污染源的机率 据 了解 地坛医院是全国首家使用这种智能小车的医院 如今智能小车 的用途越来越广 也将广泛的应用于家庭 医院等各种场合 2 监控市场 由于本小车搭载了无线的视频传输系统 所以它可 以作为一个 活 的监控系统 在当今的许多大小型企业 社区 学校 等的安全监控中都是使用定点的监控系统 这使得很多地方都不能得到 很好的监控 假若要实现全面的监控 就得在各个角落都装上监控系统 在经济上这显得多么的浪费 而在应用上这又显得多么的不灵活 而小 车搭载无线视频传输不仅可以实现灵活的全面监控功能 而且还可以为 3 企业 社区 学校等节约开销 假若对其车型扩大化 他将可变成一个 机器 保安员 我们可以控制其在企业园区 社区 校园等范围内进 行日夜的监控 让它起到保卫人民的生命财产与人身生命安全作用 显 然 这活的监控系统的运用 将会为人们生活带来很多的便利 这也将 使它更加的为人们喜爱 市场需求必将增大 3 探险市场 在探险方面 由于我们对未知空间的探索和侦察工作 会存在一定的危险性 如果通过我们人类亲身去探索 那将可能造成不 必要的损失 有时甚至危机到生命的安全问题 则我们可以通过无线小 车的远程操作 对路况进行实时的探测和危险的评估 让其充当着一个 打前锋 侦察兵 的角色 让人们在未知领域的探索和研究中 可以把成 本和危险降至最低 而且小车搭载的无线视频传输 不仅可以实时地采 集图像信息 而且还可以在接收端存储起来 这使得探索的数据采集显 得更为详细和方便 这样用低成本的科技工具处理大事情 这不仅显得 效率高 而且还可以为人们免去不必要的损失 同时 机器人比赛是近几年在国际上迅速开展起来的一项高科技活 动 例如 飞斯尔 杯全国大学生智能车赛 全国大学生电子设计大赛 等 智能小车是其中很重要的一个项目 虽然历史不长 但由于智能小 车实用有趣 贴近生活 易于上手 集高新科技技术 娱乐 比赛与一 体 让越来越多的电子爱好者对智能小车的设计有了很深的兴趣 同时 引起了众多学者的广泛关注 总的来说 无线控制小车搭载无线视频传输功能用途非常的广泛以 及它的设计成本低而实用 使得它需求状况显得非常的好 随着科技的 4 进步 人类很多东西都已经向着智能化这一步走 用机器人劳动替代人 类的体力劳动 这是科学家们很早就提出来的假想 这样的智能化发展 这将大大的提高了人类的经济效益 加大了人类社会的发展步伐 特别 是机器人 保安员 这一方向的发展 更是体现了人类社会智能化这一 特色 而且它的用途不仅仅是以上几种 其用途还有很多 又随着当今 科技的不断发展 此设计也将不断的跟随科技的进步而不断的完善 使 它的功能更加强大 给人们的生活带来更多的好处 使之成为深受人们 喜爱的科技 宠物 1 31 3 无线控制小车搭载无线视频传输 温湿度传输的含义及内容无线控制小车搭载无线视频传输 温湿度传输的含义及内容 无线控制小车搭载无线视频传输 这笼统的说它就是一辆涵括智控 远控 无线可视于一身的小车 智控 指小车可以沿着人为的固定轨 道上智能寻迹行走 远控 指可以无线远程控制小车的行走方向 无 线可视 指可以无线远程采集小车运行过程中的图像视频 无线控制 小车搭载视频与一般的智能小车和监控系统不同的是 它不仅可以实现 智能化 而且还可以远程控制 在出现智能差错的时候只需通过电脑按 键远程控制来调制小车的运动 以免因智能部分出现差错而造成不必要 的损失 并且在这基础上小车搭载了无线视频传输 可以实现小车的远 程监视 智能小车结合无线远程监控 这就成为了 活的 监控系统 这也是它与一般的监控系统所不同之处 本设计的内容主要分为三部分 一 智能小车部分 小车安装寻 迹模块 实现小车的智能寻迹行走功能 安装避障模块 实现智能避障 5 功能 同时通过 DHT11模块 采集各点的温湿度数据 二 远程控制 系统 小车通过 NRF24L01模块集合上位机软件或控制台实现小车 的远程控制功能 无线传输系统 小车通过搭载摄像头和无线视频传 输系统实现图像视频的无线传输功能 搭载温湿度传感器和 NRF24L01 无线通信模块实现温湿度的远程传输功能 2 2 主要应用硬件和应用软件简介主要应用硬件和应用软件简介 2 12 1 STC12C5A60S2STC12C5A60S2 STC12c5a60s2 是一个增强型的 51 系列单片机 由于芯片内部自 带的 AD 转换 而小车在循迹过程中使用 TCRT5000 光电对管 需要 对检测到的电压进行采样 然后根据 路面黑线与白线的电压值的差异进行 循迹 这样简化了硬件的设计 同时 芯片内置 PWM 我们可以能更准确调节小车的速度 同时节约了芯片定时器资源 综上所 述 我们选择其作为我们小车的主控芯片 图 2 1 STC12c5a60s2 引脚图 2 2 无线视频收 发模块 JAV RX2288 RX2288是工作在2414 2468MHz ISM 频段内的 FM 视频接收解调模块 模块采用单芯片设计 该芯片集成了 VCO PLL 宽带 FM 视频解调 使模块体积小功耗低灵敏度高等特点 采取贴片或 6 是插件封装形式 本模块的应用只需简单连接电源 视频线 接上天线 就可接收图像信号 JAV TX6729 TX6729是工作在2414 2468MHz ISM 频段内的 FM 视频发射解调模块 模块采用单芯片设计 该芯片集成了 VCO PLL 宽带 FM 视频解调 FM 伴音解调 使模块体积小功耗低 灵敏度高等特点 采取贴片或是插件封装形式 本模块的应用只需简单 连接电源 单 双音频线 视频线 接上天线就可接收音乐 图像信号 2 32 3 无线传输模块无线传输模块 NRF24L01NRF24L01 nRF24L01是一款新型单片射频收发器件 工作于 2 4 GHz 2 5 GHz ISM 频段 nRF24L01功耗低 在以 6dBm 的功率发射时 工作电流也只有9mA 接 收时 工作电流只有12 3 mA 多种低功率工作 模式使节能设便 图2 2 nRF24L01封装图 2 4 USB 视频采集卡视频采集卡 USB 视频采集卡是数据采集卡采集数据后输入电脑设备的接口是 USB 接口 广泛应用于安防 医疗 生产 运输 商业 金融等领域 3 3 系统的总体设计方案系统的总体设计方案 利用 NRF24L01 JAV RX2288 JAV TX6729 无线传输模块实现智能 小车的远程控制和无线视频传输 最终要的问题是实现数据的无线传输 7 方面 无线传输模块品种多样 而且传输方式有模拟信号传输和数字信 号传输两种 通过对设计的实用性 结构设计 成本等方面的分析 作 出了一个实用性好 结构简单 功能实现简单 成本低的设计方案作为 本设计的设计方案 3 13 1 硬件子系统硬件子系统 本设计的硬件组成部分大致可以分为两个部分 远程控制系统和 无线传输系统 其硬件结构主要由 NRF24L01 2 4G 无线模块 JAV RX2288 JAV TX6729 无线视频收发模块 STC12c5a60s2 单片机控 制芯片模块 AV 转 USB 视频采集模块 AV 摄像头 电机驱动模块 温湿度传输模块 循迹模块 避障模块 控制台模块 PC 机控制模块 组成 系统结构图如图 3 1 所示 a 图为远程控制系统结构图 b 图为 无线视频传输系统结构图 a 图 远程控制系统结构图 b 图 无线视频传输系统结构图 8 图 3 1 系统结构图 远程控制系统是通过 NRF24L01收发模块结合单片机来进行远程控 制电机的转动 实现远控功能 3 23 2 软件子系统软件子系统 选择好硬件方案之后 接下来就是根据系统的要求设计软件 主要 分为两个部分 第一部分是远程控制接收端程序 流程图如图 3 2 所示 图 3 2 远程控制接收端流程 系统通过 NRF24L01 接收发送端 NRF24L01 发送来的指令码 然 后由 NRF24L01 传送到单片机 控制电机模块来控制小车的走向 第二部分是远程控制发送端程序 其流程图如图 3 3 所示 9 图 3 3 远程控制发射端流程图 系统通过单片机扫描遥控键盘模块的按键 如有按键按下 则給按 键进行相应的编码和设置要发送的指令接收端的地址 然后传送到 NRF24L01 上发射出去 4 4 硬件电路设计硬件电路设计 4 14 1 远程控制系统设计远程控制系统设计 功能 远程控制系统可分为接收部分和发射部分 也就是被控制部 分与控制部分 此部分用到的无线通信模块是 NRF24L01 模块 其结 合单片机最小系统和相关程序设计而成的远程控制系统可以实现远程控 制 遥控等功能 远程控制系统工作原理 远程控制系统的接收部分工 作原理 该部分利用 NRF24L01 收发模块作为接收端的通信模块 NRF24L01 模块接收发射端发送过来的指令 进而结合单片机运行程序 进行数据处理 也就是解码 解码后再根据解出来的数据信息由单片机 进行相关的控制 远程控制系统发射部分的工作原理 该部分同样是 利用跟接收端一样的通信模块 NRF24L01 来进行与接收端通信 键盘按键通过编程 能控制小车前进 左转 右转和后退 单片机通过 检测键盘按键那个被按下 然后根据该按键代表的意思进行编码 然后 通过 NRF24L01 向接收端发送指令 4 24 2 无线视频传输系统设计无线视频传输系统设计 10 功能 无线视频传输系统可分为视频接收和视频发射两部分 该系 统的接收部分主要由 JAV RX2288 AV 视频信号无线接收模块 AV 转 USB 视频采集模块和电脑监控系统组成 而发射部分主要由 AV 模拟信 号输出摄像头 JAV TX6729 AV 视频信号无线发射模块组成 整个无 线视频传输系统的功能是实现图像视频的无 线传输 可用于无线监控 无线车载探险 智能巡逻等方面 组成部分 无线视频传输系统由以下部分主 要组成 JAV RX2288 视频接收模块 RX2288 是工作在 2414 2468MHz ISM 频段内的 FM 视频接收解 调模块 其实物图如图 4 6 所示 图 4 6 JAV RX2288 JAV TX6729 TX6729 视频发射模块 其实物图如图 4 7 所示 图 4 7 JAV TX6729 拨码开关 拨码开关主要用于频率的选择 可以提高抗干扰能 力 可选择 4 组频率 摄像头系统用到的摄像头为模拟信号输出摄像头 其实物图如图 4 8 所示 11 图 4 8 OV7949 CMOS 模拟摄像头 USB 视频采集卡 它支持外部视频输入实时 MPEG 1 2 4影音压缩 即插即用 无须关机 既可安装 其实物图如图4 9所示 图 4 9 USB 视频采集卡 4 34 3 供电系统设计供电系统设计 1 功能 供电系统的功能主要是为用电设备提供电源 在本设计由于 各个的电子元件对电压的限值都不一样 图4 10是12V 转5V 5V 转3 3V 的供电系统的电路原理图 图 4 10 12V 转 5V 5V 转 3 3V 的供电系统的电路原理图 4 44 4 环境监测设计环境监测设计 DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复 合传感器 它可以同时监测湿度和温度 应用专用的数字模块采集技术和 温湿度传感技术 确保产品具有极高的可靠 性和卓越的长期稳定性 图4 11 MCU 与 DTH11连接图 12 4 54 5 控制台设计控制台设计 控制台集合有下载串口 NRF2401 模块 无线视频接收模块 12864 液晶以及控制按键共同组成远程控制台 实现人与智能小车的 互动 通过 RS232 串口线使控制台与电脑上的上位机相连 上位机或 控制台的按键产生控制指令 并通过 NRF2401 无线发送模块把产生的 指令发送给远处的小车以控制小车的行走模式 同时控制台的无线视频 接收模块接收从远处传回的视频信息 实时监控小车现场 液晶显示小车的 功能模式和控制指令 通过控制台控 制远程小车 简便易实现 及使人不 在现场也能通过小车传回的视频信息 很好的控制小车 图 4 12 主控制 台 功能模式简介 1 控制模式 控制小车的运动状态 例如前进 后退 左转 右转和停止 2 调速模式 调节小车两轮子的占空比 以达到调节小车速度的目的 13 3 循迹模式 小车通过红外对管寻找跑道上的黑线并按既定的黑线前进 并根据 自身的传感器从而发出指令控制运动状态和运动方向 4 避障模式 小车根据前头的光电对管传感器判断前方是否有障碍物存在 如果 有障碍物 小车停止前进并后退 后退时间由软件延时实现 5 采集模式 小车把自带的温湿度传感器所采集的温度和湿度数据通过 NRF2401 无线模块发送给主控制台 实时实现对周围环境的监测 6 视频模式 控制台上的无线视频接收模块接收小车传回的现场视频信息 7 自由模式 小车将根据自身的传感器自由行走 摆脱人 为控制 4 6 循迹方案设计循迹方案设计 TCRT5000 光电对管 光电红外接收管对黑线与白线的反射 会 产生不同的电压电压值 单片机通过对端口电压的差异判别黑线与白线 进行循迹 图 4 13 TCRT5000 4 7 避障方案设计避障方案设计 光电对管是通过集聚光线来控制光敏三极管的导通与截止 14 图 4 14 光电对管 5 5 系统软件设计系统软件设计 5 15 1 远程控制系统软件设计远程控制系统软件设计 系统软件设计主要是远程控制中的接收和发射部分程序的设计 在 发射部分里 主要的程序设计思路是先对 NRF24L01 模块初始化 然 后通过查询方法来查询是否有方向键盘按钮按下 如果有按钮按下 则 给按钮进行相应的编码并控制相应的信号指示灯亮灭 然后把对应的编 码赋给发送缓存区 TxBuf 最后由 NRF24L01 发送出去 其程序设计 流程图如图 5 1 图 5 1 发射端程序流程图 在接收端 主要的软件设计思路同样是先对 NRF24L01 系统初始 15 化 然后监听 NRF24L01 是否有数据接收 若有 则把接收到的数据 存放到接收数据缓存区 RxBuf 里 然后对接收到的信息解码 再根据 解码后的信息来控制电机驱动模块 若没有 则执行智能行走子程序 其总流程图如图 5 2 所示 图 5 2 远程控制接收端程序流程图 5 2 上位机控制软件设计上位机控制软件设计 C 是一种安全的 稳定的 简单的 优雅的 由 C 和 C 衍生出 来的面向对象的编程语言 C 是面向对象的编程语言 它使得程序员 16 可以快速地编写各种基于 MICROSOFT NET 平台的应用程序 MICROSOFT NET 提供了一系列的工具和服务来最大程度地开发利用 计算与通讯领域 我们采用 C 来编写上位机控制软件 图 5 5 上位机界面 6 6 调试和结果分析调试和结果分析 6 16 1 上位机软件调试上位机软件调试 首先将控制台与电脑通过串口连接 同时视频采集卡也与电脑连接 启动上位机软件 串口通信成功后 则上位机可以通过键盘方便自如的 控制小车的运动 控制小车的车 速 让小车在固定轨迹进行巡检 功能 如果在循迹过程中 遇到 障碍物 小车会自动进入避障模 式 进行避障 图 6 1 上位机小车调试 17 当接收到