基于無線通信技術(shù)的多功能智能小車視頻傳輸系統(tǒng)方案

1、第X屆“挑戰(zhàn)杯”大學生課外學術(shù)科技作品競賽作品申報書 作品名稱：基于無線通信技術(shù)的多功能智能小車視頻傳輸系統(tǒng) 學校全稱： 科技大學 申報者類別：自然科學類學術(shù)論文哲學社會科學類社會調(diào)查報告和學術(shù)論文科技發(fā)明制作A類科技發(fā)明制作B類摘要隨著當今科技的飛快發(fā)展，很多企業(yè)設施都實現(xiàn)了智能化。運用智能化的機器代替古老的人類體力勞動，這不僅提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率和效益，更是提高了人類的生活水平，促進了社會的發(fā)展步伐。而隨著無線通信技術(shù)的不斷發(fā)展，無線通信技術(shù)在自動化方面的應用更是越來越廣泛，在自動化上可利用無線通信技術(shù)來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸，最終實現(xiàn)遠程控制與數(shù)據(jù)采集等功能。該系統(tǒng)采用NRF24L01 2.

2、4G無線模塊作為智能小車的遠程控制指令傳輸器件，對智能小車的遠程控制采用JAV-RX2288/JAV-TX6729 2.4G無線AV視頻收發(fā)模塊作為AV視頻無線傳輸?shù)钠骷M行遠程視頻的無線傳輸。采用AV轉(zhuǎn)USB視頻采集模塊來將AV信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號傳輸?shù)缴衔籔C機。運用DHT11模塊進行溫濕度數(shù)據(jù)采集。采用C#上位機軟件接收視頻信息、溫濕度信息，實現(xiàn)把采集到的信息在電腦上顯示出來，并且可以實現(xiàn)實時對視頻的記錄存儲，使系統(tǒng)具有更好的實用性和應用前景。關鍵詞：單片機、遠程控制、無線視頻、溫濕度傳輸、C#上位機軟件目錄摘要II目錄III1.緒論11.1本設計的目的、意義、應解決問題和應達到的技術(shù)要

3、求11.2選題背景21.3無線控制小車搭載無線視頻傳輸、溫濕度傳輸?shù)暮x與容42.主要應用硬件和應用軟件簡介52.1 STC12C5A60S252.2 無線視頻收/發(fā)模塊52.3無線傳輸模塊NRF24L0162.4 USB視頻采集卡63.系統(tǒng)的總體設計方案63.1硬件子系統(tǒng)73.2軟件子系統(tǒng)84.硬件電路設計94.1遠程控制系統(tǒng)設計94.2無線視頻傳輸系統(tǒng)設計94.3 供電系統(tǒng)設計114.4環(huán)境監(jiān)測設計114.5控制臺設計124.6循跡方案設計134.7避障方案設計145.系統(tǒng)軟件設計145.1遠程控制系統(tǒng)軟件設計145.2上位機控制軟件設計156.調(diào)試和結(jié)果分析166.1上位機軟件調(diào)試166

4、.2無線視頻傳輸系統(tǒng)調(diào)試176.3 硬件調(diào)試177.總結(jié)18附錄：作品展示19主要參考文獻2020 / 241.緒論1.1本設計的目的、意義、應解決問題和應達到的技術(shù)要求隨著人類社會的不斷發(fā)展，人們對智能化科技的需求也在不斷的提高。以機器勞動替代人類勞動，這是人們一直在構(gòu)思的問題，也是當今需要解決的問題。本設計作品無線控制小車搭載無線視頻傳輸，其不僅能實現(xiàn)智能行走，還可以實現(xiàn)遠程控制，我們可以對其進行遠程操作。并且，小車上搭載有無線視頻傳輸系統(tǒng)，我們可以利用其進行遠程視頻采集。本次我們小組參賽的作品是在NRF24L01、JAV-RX2288/JAV-TX6729無線傳輸模塊技術(shù)資料的基礎上，設

5、計了一種基于無線通信技術(shù)的多功能智能小車視頻傳輸系統(tǒng)。系統(tǒng)分為小車采集端、控制臺控制端、電腦控制端。小車控制端負責采集視頻、溫度、濕度數(shù)據(jù)，然后發(fā)送回控制臺，控制臺再將數(shù)據(jù)發(fā)送給PC機顯示出來。本系統(tǒng)可在高污染、高輻射、嚴重威脅人身安全的情況下對工廠機房或特定區(qū)域進行環(huán)境溫濕度的數(shù)據(jù)收集以與對周圍事物的實時監(jiān)視。最終整個設計實現(xiàn)了基于STC12C5A60S2單片機的智能小車遠程控制和遠程視頻采集的功能、循跡功能、避障功能以與環(huán)境檢測功能。在接通電源后用戶只需在電腦上打開上位機軟件就可以進行遠程視頻采集、存儲與控制，以與環(huán)境溫度、濕度的采集。并且通過操作電腦鍵盤或者控制臺就可以遠程控制小車的運動

6、，使小車的運動并不局限于黑線上，可以更加靈活的控制小車，可以對指定區(qū)域各點進行數(shù)據(jù)檢測。1.2選題背景在設計每個作品的時候，我們都會先對其進行需求狀況、應用前景進行分析。由于本設計的小車涵括了智控、遠控、無線可視于一身，所以它的用途非常的廣泛。正是由于它的用途廣泛，它的市場需求也將非常的廣闊，它的應用前景更是非常的好。大致可以分為三個方面來闡述它的需求。1.醫(yī)院市場：智能小車首現(xiàn)地壇醫(yī)院流感病房，在地壇醫(yī)院收治甲型H1N1流感患者的隔離病區(qū)，一種智能載物車被率先投入使用：一輛輛在規(guī)定時間行走在規(guī)定路線上的智能小車，把醫(yī)用垃圾和被污染衣物運走，同時送來潔凈的衣物和藥品，大大減少了醫(yī)護人員和工作人

7、員進入隔離區(qū)的次數(shù)。據(jù)了解，這種智能小車每臺自重330公斤，可以馱起半噸的貨物。它可以自己遙控走廊門、電梯的開閉，自己裝卸藥品柜。遇到有人擋住去路，它還會請求對方避讓。在污染區(qū)工作的小車走專用路線，消毒方便，在一定程度上減少了人接觸污染源的機率。據(jù)了解，地壇醫(yī)院是全國首家使用這種智能小車的醫(yī)院如今智能小車的用途越來越廣，也將廣泛的應用于家庭、醫(yī)院等各種場合。2.監(jiān)控市場：由于本小車搭載了無線的視頻傳輸系統(tǒng)，所以它可以作為一個“活”的監(jiān)控系統(tǒng)。在當今的許多大小型企業(yè)、社區(qū)、學校等的安全監(jiān)控中都是使用定點的監(jiān)控系統(tǒng)，這使得很多地方都不能得到很好的監(jiān)控，假若要實現(xiàn)全面的監(jiān)控，就得在各個角落都裝上監(jiān)控

8、系統(tǒng)，在經(jīng)濟上這顯得多么的浪費，而在應用上這又顯得多么的不靈活。而小車搭載無線視頻傳輸不僅可以實現(xiàn)靈活的全面監(jiān)控功能，而且還可以為企業(yè)、社區(qū)、學校等節(jié)約開銷。假若對其車型擴大化，他將可變成一個機器“保安員”，我們可以控制其在企業(yè)園區(qū)、社區(qū)、校園等圍進行日夜的監(jiān)控，讓它起到保衛(wèi)人民的生命財產(chǎn)與人身生命安全作用。顯然，這活的監(jiān)控系統(tǒng)的運用，將會為人們生活帶來很多的便利，這也將使它更加的為人們喜愛，市場需求必將增大。3.探險市場：在探險方面，由于我們對未知空間的探索和偵察工作會存在一定的危險性，如果通過我們?nèi)祟愑H身去探索，那將可能造成不必要的損失，有時甚至危機到生命的安全問題，則我們可以通過無線小車

9、的遠程操作，對路況進行實時的探測和危險的評估，讓其充當著一個打前鋒“偵察兵”的角色！讓人們在未知領域的探索和研究中，可以把成本和危險降至最低。而且小車搭載的無線視頻傳輸，不僅可以實時地采集圖像信息，而且還可以在接收端存儲起來，這使得探索的數(shù)據(jù)采集顯得更為詳細和方便。這樣用低成本的科技工具處理大事情，這不僅顯得效率高，而且還可以為人們免去不必要的損失。同時，機器人比賽是近幾年在國際上迅速開展起來的一項高科技活動，例如“飛斯爾”杯全國大學生智能車賽、全國大學生電子設計大賽等、智能小車是其中很重要的一個項目。雖然歷史不長，但由于智能小車實用有趣、貼近生活、易于上手、集高新科技技術(shù)、娛樂、比賽與一體，

10、讓越來越多的電子愛好者對智能小車的設計有了很深的興趣，同時引起了眾多學者的廣泛關注。 總的來說，無線控制小車搭載無線視頻傳輸功能用途非常的廣泛以與它的設計成本低而實用，使得它需求狀況顯得非常的好。隨著科技的進步，人類很多東西都已經(jīng)向著智能化這一步走，用機器人勞動替代人類的體力勞動，這是科學家們很早就提出來的假想，這樣的智能化發(fā)展，這將大大的提高了人類的經(jīng)濟效益，加大了人類社會的發(fā)展步伐。特別是機器人“保安員”這一方向的發(fā)展，更是體現(xiàn)了人類社會智能化這一特色。而且它的用途不僅僅是以上幾種，其用途還有很多。又隨著當今科技的不斷發(fā)展，此設計也將不斷的跟隨科技的進步而不斷的完善，使它的功能更加強大，給

11、人們的生活帶來更多的好處，使之成為深受人們喜愛的科技“寵物”。1.3無線控制小車搭載無線視頻傳輸、溫濕度傳輸?shù)暮x與容無線控制小車搭載無線視頻傳輸，這籠統(tǒng)的說它就是一輛涵括智控、遠控、無線可視于一身的小車。智控指小車可以沿著人為的固定軌道上智能尋跡行走，遠控指可以無線遠程控制小車的行走方向，無線可視指可以無線遠程采集小車運行過程中的圖像視頻。無線控制小車搭載視頻與一般的智能小車和監(jiān)控系統(tǒng)不同的是，它不僅可以實現(xiàn)智能化，而且還可以遠程控制，在出現(xiàn)智能差錯的時候只需通過電腦按鍵遠程控制來調(diào)制小車的運動，以免因智能部分出現(xiàn)差錯而造成不必要的損失。并且在這基礎上小車搭載了無線視頻傳輸，可以實現(xiàn)小車的遠

12、程監(jiān)視，智能小車結(jié)合無線遠程監(jiān)控，這就成為了“活的”監(jiān)控系統(tǒng)，這也是它與一般的監(jiān)控系統(tǒng)所不同之處。本設計的容主要分為三部分：一、智能小車部分小車安裝尋跡模塊，實現(xiàn)小車的智能尋跡行走功能，安裝避障模塊，實現(xiàn)智能避障功能。同時通過DHT11模塊，采集各點的溫濕度數(shù)據(jù)；二、遠程控制系統(tǒng)小車通過NRF24L01模塊集合上位機軟件或控制臺實現(xiàn)小車的遠程控制功能；無線傳輸系統(tǒng)小車通過搭載攝像頭和無線視頻傳輸系統(tǒng)實現(xiàn)圖像視頻的無線傳輸功能，搭載溫濕度傳感器和NRF24L01無線通信模塊實現(xiàn)溫濕度的遠程傳輸功能。2.主要應用硬件和應用軟件簡介2.1 STC12C5A60S2STC12c5a60s2是一個增強型

13、的51系列單片機。由于芯片部自帶的AD轉(zhuǎn)換，而小車在循跡過程中使用TCRT5000光電對管，需要對檢測到的電壓進行采樣，然后根據(jù)路面黑線與白線的電壓值的差異進行循跡，這樣簡化了硬件的設計。同時芯片置PWM，我們可以能更準確調(diào)節(jié)小車的速度，同時節(jié)約了芯片定時器資源。綜上所述，我們選擇其作為我們小車的主控芯片。圖2.1 STC12c5a60s2引腳圖2.2 無線視頻收/發(fā)模塊JAV-RX2288: RX2288是工作在2414-2468MHz ISM頻段的FM視頻接收解調(diào)模塊。模塊采用單芯片設計，該芯片集成了VCO、PLL、寬帶FM視頻解調(diào)，使模塊體積小功耗低靈敏度高等特點；采取貼片或是插件封裝形

14、式，本模塊的應用只需簡單連接電源，視頻線，接上天線就可接收圖像信號。JAV-TX6729：TX6729是工作在2414-2468MHz ISM頻段的FM視頻發(fā)射解調(diào)模塊。模塊采用單芯片設計，該芯片集成了VCO、PLL、寬帶FM視頻解調(diào)、FM伴音解調(diào)，使模塊體積小功耗低靈敏度高等特點；采取貼片或是插件封裝形式，本模塊的應用只需簡單連接電源，單/雙音頻線，視頻線，接上天線就可接收音樂、圖像信號。2.3無線傳輸模塊NRF24L01nRF24L01是一款新型單片射頻收發(fā)器件,工作于2.4 GHz2.5 GHz ISM頻段。nRF24L01功耗低,在以-6dBm的功率發(fā)射時，工作電流也只有9mA;接收時

15、，工作電流只有12.3 mA，多種低功率工作模式使節(jié)能設便。 圖2.2 nRF24L01封裝圖 2.4 USB視頻采集卡USB視頻采集卡是數(shù)據(jù)采集卡采集數(shù)據(jù)后輸入電腦設備的接口是USB接口。廣泛應用于安防、醫(yī)療、生產(chǎn)、運輸、商業(yè)、金融等領域。 3.系統(tǒng)的總體設計方案利用NRF24L01、JAV-RX2288/JAV-TX6729無線傳輸模塊實現(xiàn)智能小車的遠程控制和無線視頻傳輸。最終要的問題是實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸方面，無線傳輸模塊品種多樣，而且傳輸方式有模擬信號傳輸和數(shù)字信號傳輸兩種，通過對設計的實用性、結(jié)構(gòu)設計、成本等方面的分析，作出了一個實用性好、結(jié)構(gòu)簡單、功能實現(xiàn)簡單、成本低的設計方案作為本

16、設計的設計方案。3.1硬件子系統(tǒng)本設計的硬件組成部分大致可以分為兩個部分遠程控制系統(tǒng)和無線傳輸系統(tǒng)。其硬件結(jié)構(gòu)主要由NRF24L01 2.4G無線模塊、JAV-RX2288/JAV-TX6729無線視頻收發(fā)模塊、STC12c5a60s2單片機控制芯片模塊、AV轉(zhuǎn)USB視頻采集模塊、AV攝像頭、電機驅(qū)動模塊、溫濕度傳輸模塊、循跡模塊、避障模塊、控制臺模塊、PC機控制模塊組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3.1所示（a圖為遠程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，b圖為無線視頻傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖）：a圖 遠程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖b圖 無線視頻傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖圖3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖遠程控制系統(tǒng)是通過NRF24L01收發(fā)模塊結(jié)合單片機來進行遠程控制電

17、機的轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)遠控功能。3.2軟件子系統(tǒng)選擇好硬件方案之后，接下來就是根據(jù)系統(tǒng)的要求設計軟件。主要分為兩個部分：第一部分是遠程控制接收端程序，流程圖如圖3.2所示。圖3.2 遠程控制接收端流程系統(tǒng)通過NRF24L01接收發(fā)送端NRF24L01發(fā)送來的指令碼，然后由NRF24L01傳送到單片機，控制電機模塊來控制小車的走向。第二部分是遠程控制發(fā)送端程序。其流程圖如圖3.3所示。圖3.3 遠程控制發(fā)射端流程圖系統(tǒng)通過單片機掃描遙控鍵盤模塊的按鍵，如有按鍵按下，則給按鍵進行相應的編碼和設置要發(fā)送的指令接收端的地址，然后傳送到NRF24L01上發(fā)射出去。4.硬件電路設計4.1遠程控制系統(tǒng)設計功能：遠程

18、控制系統(tǒng)可分為接收部分和發(fā)射部分，也就是被控制部分與控制部分，此部分用到的無線通信模塊是NRF24L01模塊，其結(jié)合單片機最小系統(tǒng)和相關程序設計而成的遠程控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)遠程控制、遙控等功能。遠程控制系統(tǒng)工作原理：遠程控制系統(tǒng)的接收部分工作原理該部分利用NRF24L01收發(fā)模塊作為接收端的通信模塊，NRF24L01模塊接收發(fā)射端發(fā)送過來的指令，進而結(jié)合單片機運行程序進行數(shù)據(jù)處理，也就是解碼。解碼后再根據(jù)解出來的數(shù)據(jù)信息由單片機進行相關的控制，遠程控制系統(tǒng)發(fā)射部分的工作原理該部分同樣是利用跟接收端一樣的通信模塊NRF24L01來進行與接收端通信。鍵盤按鍵通過編程，能控制小車前進、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)和后退

19、，單片機通過檢測鍵盤按鍵那個被按下，然后根據(jù)該按鍵代表的意思進行編碼，然后通過NRF24L01向接收端發(fā)送指令。4.2無線視頻傳輸系統(tǒng)設計功能：無線視頻傳輸系統(tǒng)可分為視頻接收和視頻發(fā)射兩部分，該系統(tǒng)的接收部分主要由JAV-RX2288 AV視頻信號無線接收模塊、AV轉(zhuǎn)USB視頻采集模塊和電腦監(jiān)控系統(tǒng)組成，而發(fā)射部分主要由AV模擬信號輸出攝像頭、JAV-TX6729 AV視頻信號無線發(fā)射模塊組成。整個無線視頻傳輸系統(tǒng)的功能是實現(xiàn)圖像視頻的無線傳輸，可用于無線監(jiān)控，無線車載探險，智能巡邏等方面。組成部分：無線視頻傳輸系統(tǒng)由以下部分主要組成： JAV-RX2288 視頻接收模塊，RX2288是工作在

20、2414-2468MHz ISM頻段的FM視頻接收解調(diào)模塊。其實物圖如圖4.6所示。 圖4.6 JAV-RX2288 JAV-TX6729，TX6729視頻發(fā)射模塊，其實物圖如圖4.7所示。圖4.7 JAV-TX6729撥碼開關 ，撥碼開關主要用于頻率的選擇，可以提高抗干擾能力，可選擇4組頻率。攝像頭系統(tǒng)用到的攝像頭為模擬信號輸出攝像頭，其實物圖如圖4.8所示。 圖4.8 OV7949 CMOS 模擬攝像頭USB視頻采集卡，它支持外部視頻輸入實時MPEG-1/2/4影音壓縮。即插即用、無須關機、既可安裝。其實物圖如圖4.9所示。圖4.9 USB視頻采集卡4.3 供電系統(tǒng)設計1 功能：供電系統(tǒng)的

21、功能主要是為用電設備提供電源。在本設計由于各個的電子元件對電壓的限值都不一樣。圖4.10是12V轉(zhuǎn)5V、5V轉(zhuǎn)3.3V的供電系統(tǒng)的電路原理圖。圖4.10 12V轉(zhuǎn)5V、5V轉(zhuǎn)3.3V的供電系統(tǒng)的電路原理圖4.4環(huán)境監(jiān)測設計DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準數(shù)字信號輸出的溫濕度復合傳感器，它可以同時監(jiān)測濕度和溫度，應用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性和卓越的長期穩(wěn)定性。圖4.11 MCU與DTH11連接圖4.5控制臺設計控制臺集合有下載串口，NRF2401模塊，無線視頻接收模塊，12864液晶以與控制按鍵共同組成遠程控制臺，實現(xiàn)人與智能小車的互動。通過RS

22、232串口線使控制臺與電腦上的上位機相連，上位機或控制臺的按鍵產(chǎn)生控制指令，并通過NRF2401無線發(fā)送模塊把產(chǎn)生的指令發(fā)送給遠處的小車以控制小車的行走模式。同時控制臺的無線視頻接收模塊接收從遠處傳回的視頻信息，實時監(jiān)控小車現(xiàn)場。液晶顯示小車的功能模式和控制指令。通過控制臺控制遠程小車，簡便易實現(xiàn)，與使人不在現(xiàn)場也能通過小車傳回的視頻信息很好的控制小車。 圖4.12 主控制臺功能模式簡介(1)控制模式控制小車的運動狀態(tài)，例如前進、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)和停止。 (2)調(diào)速模式 調(diào)節(jié)小車兩輪子的占空比，以達到調(diào)節(jié)小車速度的目的。(3)循跡模式小車通過紅外對管尋找跑道上的黑線并按既定的黑線前進，并根據(jù)自

23、身的傳感器從而發(fā)出指令控制運動狀態(tài)和運動方向。(4)避障模式 小車根據(jù)前頭的光電對管傳感器判斷前方是否有障礙物存在，如果有障礙物，小車停止前進并后退，后退時間由軟件延時實現(xiàn) 。 (5)采集模式小車把自帶的溫濕度傳感器所采集的溫度和濕度數(shù)據(jù)通過NRF2401無線模塊發(fā)送給主控制臺，實時實現(xiàn)對周圍環(huán)境的監(jiān)測。(6)視頻模式 控制臺上的無線視頻接收模塊接收小車傳回的現(xiàn)場視頻信息。(7)自由模式 小車將根據(jù)自身的傳感器自由行走，擺脫人為控制。4.6循跡方案設計TCRT5000光電對管，光電紅外接收管對黑線與白線的反射，會產(chǎn)生不同的電壓電壓值。單片機通過對端口電壓的差異判別黑線與白線進行循跡。 圖4.1

24、3 TCRT50004.7避障方案設計光電對管是通過集聚光線來控制光敏三極管的導通與截止。圖4.14 光電對管5.系統(tǒng)軟件設計5.1遠程控制系統(tǒng)軟件設計系統(tǒng)軟件設計主要是遠程控制中的接收和發(fā)射部分程序的設計。在發(fā)射部分里，主要的程序設計思路是先對NRF24L01模塊初始化，然后通過查詢方法來查詢是否有方向鍵盤按鈕按下，如果有按鈕按下，則給按鈕進行相應的編碼并控制相應的信號指示燈亮滅，然后把對應的編碼賦給發(fā)送緩存區(qū)TxBuf，最后由NRF24L01發(fā)送出去，其程序設計流程圖如圖5.1。圖5.1 發(fā)射端程序流程圖在接收端，主要的軟件設計思路同樣是先對NRF24L01系統(tǒng)初始化，然后監(jiān)聽NRF24L

25、01是否有數(shù)據(jù)接收。若有，則把接收到的數(shù)據(jù)存放到接收數(shù)據(jù)緩存區(qū)RxBuf里，然后對接收到的信息解碼，再根據(jù)解碼后的信息來控制電機驅(qū)動模塊。若沒有，則執(zhí)行智能行走子程序。其總流程圖如圖5.2所示。圖5.2 遠程控制接收端程序流程圖5.2上位機控制軟件設計C#是一種安全的、穩(wěn)定的、簡單的、優(yōu)雅的，由C和C+衍生出來的面向?qū)ο蟮木幊陶Z言。C#是面向?qū)ο蟮木幊陶Z言。它使得程序員可以快速地編寫各種基于MICROSOFT .NET平臺的應用程序，MICROSOFT .NET提供了一系列的工具和服務來最大程度地開發(fā)利用計算與通訊領域。我們采用C#來編寫上位機控制軟件。圖5.5上位機界面6.調(diào)試和結(jié)果分析6.1上位機軟件調(diào)試首先將控制臺與電腦通過串口連接，同時視頻采集卡也與電腦連接。啟動上位機軟件，串口通信成功后，則上位機可以通過鍵盤方便自如的控制小車的運動、控制小車的車速。讓小車在固定軌跡進行巡檢功能。如果在