基于STM32的智能掃雪機(jī)設(shè)計(jì)獲獎(jiǎng)科研報(bào)告

基于STM32的智能掃雪機(jī)設(shè)計(jì)獲獎(jiǎng)科研報(bào)告

摘要：本文提出通過(guò)STM32F103ZET6作為開發(fā)平臺(tái)制作智能掃雪機(jī)，可實(shí)現(xiàn)手機(jī)APP遠(yuǎn)程操控，在機(jī)器釋放的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中工作，通過(guò)攝像頭將來(lái)人圖像傳輸?shù)绞謾C(jī)終端，對(duì)掃雪的情況實(shí)時(shí)反饋以專門的電動(dòng)機(jī)為掃雪刷提供動(dòng)力，達(dá)到最佳的掃雪效果，并采用履帶式底盤，抓地力強(qiáng)不易打滑，提高掃雪效率。

關(guān)鍵詞：掃雪機(jī);STM32F103ZET6;智能

引言：在我國(guó)北方，冬季降雪期長(zhǎng)且降雪量大，每次下雪后積雪給居民的生活帶來(lái)很多棘手的問題。而現(xiàn)有的小型掃雪機(jī)多為手扶式，操作人員需要在雪地里進(jìn)行除雪作業(yè)，工作環(huán)境惡劣。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，在4G時(shí)代和5G時(shí)代的到來(lái)，智能手機(jī)可以說(shuō)已經(jīng)成為了家庭的智能控制中心，已被廣泛使用且在智能家居和移動(dòng)機(jī)器人控制等領(lǐng)域，但現(xiàn)階段對(duì)智能手機(jī)遠(yuǎn)程操控掃雪機(jī)的研究較少。因此可參考其他領(lǐng)域的智能手機(jī)控制技術(shù)研究小型掃雪機(jī)手機(jī)控制系統(tǒng)。結(jié)合智能手機(jī)控制技術(shù)提升小型掃雪機(jī)的自動(dòng)化水平，使操作人員可在舒適的環(huán)境下例如待在溫暖的室內(nèi)用智能手機(jī)控制掃雪機(jī)作業(yè)，對(duì)于提高人們的生活質(zhì)量具有積極的意義。

一、方案設(shè)計(jì)

在本次研究中，智能掃雪機(jī)主要由智能掃雪機(jī)的控制系統(tǒng)和機(jī)械結(jié)構(gòu)主體兩個(gè)部分組成，其中控制系統(tǒng)主要包括Android手機(jī)客戶端、智能掃雪機(jī)的控制器、攝像頭模塊和Wi-Fi模塊，該控制系統(tǒng)響應(yīng)使用者從Android手機(jī)客戶端發(fā)出的命令通過(guò)Wi-Fi無(wú)線網(wǎng)絡(luò)對(duì)掃雪機(jī)進(jìn)行控制，以完成操作者想要實(shí)現(xiàn)的各種除雪動(dòng)作。

經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn)智能掃雪機(jī)手機(jī)控制系統(tǒng)的重要意義在于冬季方便操作者足不出戶實(shí)現(xiàn)對(duì)其庭院進(jìn)行除雪作業(yè)。因此該小型掃雪機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案必須要實(shí)現(xiàn)對(duì)室外掃雪場(chǎng)景的圖像進(jìn)行無(wú)線傳輸?shù)墓δ?，以使操作者可在室?nèi)通過(guò)手機(jī)控制掃雪機(jī)在庭院里進(jìn)行除雪作業(yè)，并可通過(guò)手機(jī)屏幕對(duì)工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，同時(shí)掃雪機(jī)上必須要有一個(gè)控制器將掃雪機(jī)手機(jī)控制系統(tǒng)所選用的攝像頭不斷地采集除雪作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的圖像，將其壓縮成視頻流，然后經(jīng)Wi-Fi模塊處理，通過(guò)Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到Android手機(jī)客戶端，及時(shí)反映除雪作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)狀況。

二，智能掃雪機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

掃雪機(jī)使用了伺服電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，裝配有攝像采集模塊、L293D電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、STM32F103ZET6控制模塊。用戶在遠(yuǎn)程操控掃雪機(jī)各種動(dòng)作之前，需要將掃雪機(jī)通過(guò)無(wú)線局域網(wǎng)連接到互聯(lián)網(wǎng)。用戶可以通過(guò)Android

APP或網(wǎng)頁(yè)前端控制掃雪機(jī)前進(jìn)后退以及左右轉(zhuǎn)向移動(dòng)或調(diào)整攝像頭方向。攝像采集模塊包含有無(wú)線局域網(wǎng)熱點(diǎn)釋放模塊，可以連接到無(wú)線局域網(wǎng)熱點(diǎn)為視頻傳輸提供網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)。攝像頭通過(guò)串型通用總線接口的方式與攝像采集模塊連接，我們采用免驅(qū)動(dòng)的高清攝像頭，分辨率可以達(dá)到480p，并能夠自動(dòng)對(duì)焦。STM32F103ZET6模塊負(fù)責(zé)控制電機(jī)、信號(hào)的產(chǎn)生，并由L293D電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作。伺服電機(jī)輸入電壓為6～12V，直流驅(qū)動(dòng)。

系統(tǒng)分為三個(gè)部分：數(shù)據(jù)采集控制模塊部分、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、圖像回傳無(wú)線局域網(wǎng)模塊。數(shù)據(jù)采集控制模塊部分由各種傳感器和STM32F103ZET6核心板組成;電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊由L293D四倍高電流H橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片及其控制板組成;圖像回傳WiFi模塊由一個(gè)高清攝像頭和一個(gè)無(wú)線局域網(wǎng)數(shù)傳模塊組成。

無(wú)線局域網(wǎng)數(shù)傳模塊是是掃雪機(jī)的重中之重。因此對(duì)它做了一定的要求。系統(tǒng)中的無(wú)線局域網(wǎng)模塊與Android平臺(tái)之間可以進(jìn)行無(wú)線通信，攝像頭將拍攝的視頻通過(guò)USB接口實(shí)時(shí)傳輸給無(wú)線局域網(wǎng)模塊，由于控制模塊處理視頻數(shù)據(jù)速度不夠，因此系統(tǒng)中WIFI模塊將視頻數(shù)據(jù)直接傳輸給Android平臺(tái)，在Android平臺(tái)上實(shí)時(shí)顯示攝像頭拍攝的視頻。Android平臺(tái)發(fā)送的控制命令也是通過(guò)無(wú)線局域網(wǎng)信道傳輸給無(wú)線局域網(wǎng)模塊，通過(guò)WIFI模塊的串行接口傳輸給控制模塊，控制模塊對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，根據(jù)解碼信息控制掃雪機(jī)實(shí)現(xiàn)超聲波測(cè)距避障、循跡、跟隨和遙控運(yùn)行等功能。

三、智能掃雪機(jī)的軟件設(shè)計(jì)

掃雪機(jī)上的視頻采集模塊采用了定制的AndroidAPP，提供網(wǎng)絡(luò)連接、指令轉(zhuǎn)發(fā)和視頻流采集、傳輸功能。當(dāng)APP通過(guò)遠(yuǎn)程服務(wù)連接到掃雪機(jī)后，APP可以請(qǐng)求到當(dāng)前掃雪機(jī)攝像頭上的視頻信息;同時(shí)，視頻采集模塊也將APP上傳來(lái)的控制信號(hào)解析為指定格式和功能的協(xié)議數(shù)據(jù)，并通過(guò)串口發(fā)送到STM32控制模塊。

掃雪機(jī)上的STM32F103ZET6控制模塊在接收到相關(guān)控制信號(hào)后，調(diào)整輸出脈沖信號(hào)的占空比，由L293D驅(qū)動(dòng)板轉(zhuǎn)換輸出電平后直接控制電機(jī)做出相應(yīng)的動(dòng)作，從而完成用戶想要的功能。

對(duì)于只需要實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的掃雪機(jī)控制的話，我們只需要實(shí)現(xiàn)通過(guò)串口向STM32控制模塊發(fā)送控制信號(hào)即可，簡(jiǎn)單的控制信號(hào)協(xié)議如下：

所有的掃雪機(jī)控制命令都是以FFH開始和結(jié)束的，根據(jù)第一個(gè)字節(jié)的不同區(qū)分掃雪機(jī)運(yùn)動(dòng)指令、舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)指令和掃雪機(jī)工作模式切換指令。對(duì)于掃雪機(jī)運(yùn)動(dòng)指令，由第二個(gè)字節(jié)控制掃雪機(jī)停止、前進(jìn)、后退和左右轉(zhuǎn)等多種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

結(jié)束語(yǔ)：通過(guò)對(duì)掃雪機(jī)的測(cè)試，結(jié)果表明：Android平臺(tái)與掃雪機(jī)之間WIFI傳輸正常，實(shí)時(shí)拍攝視頻在手機(jī)上顯示清晰、無(wú)延遲;水平舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度可達(dá)到-9