摘 要: 设计了一种基于Android手机平台控制、以单片机为驱动核心处理器、利用无线WiFi进行视频传输与接收、能实时地将摄像头拍摄到的图像传输至手机的通信终端，并能对环境温度、湿度等多项参数进行时探测、存储和显示的多功能探测车。该探测车能替代人工工作,应用在坑道探测、救援、搜捕、排雷、辐射等有害与危险场合,能有效地防止二次伤害的发生。
关键词： Andorid控制端； WiFi； 单片机； 视频传输； 传感检测
Android是由谷歌公司开发的移动智能终端操作系统，与其他系统相比具有真正开放、应用程序相互平等和应用程序之间沟通无界限等无法比拟的优势。在Android平台下开发应用程序,不仅能较方便地实现应用程序间的数据共享,还可通过移动通信连接到网络上，实现数据、应用等资源共享[1]。
WiFi作为一种无线局域网运用技术，凭借其组网方便、易于扩展以及高速传输等优点，得到广泛应用[2]。WiFi技术与探测车的有机结合产生了集无线通信、视频传输、灯光照明控制、环境检测等功能为一体的多功能智能遥感探测车。该车以WiFi网络为视频传输平台，以高速MCU为数据处理中心，通过Andorid手机等设备进行远程控制和显示，并能对其功能实现拓展[3-4]。
1 系统方案设计
为实现通过嵌入式手机平台远程控制智能探测车，并把视频信号通过无线通信网络传回手机，在手机屏幕上实时显示，直观地掌握现场信息。同时,多个传感检测电路能更全面地获取环境参数，所采集的环境数据通过车载LCD显示器显示,并储存到存储器内，以便后期进行数据分析。本设计确立了包括以单片机为核心的驱动与检测系统、车内的无线信息传输系统以及手机控制端系统三个主要模块,其系统结构框图设计如图1所示。其中，手机控制端与无线路由设备通信发送控制信息，接收与显示视频信息；无线路由设备作为手机与单片机的信息传输媒介;以单片机为核心的驱动与检测系统则根据控制信息驱动伺服电机转动以及检测、存储、显示环境参数。
2 系统硬件电路设计
该探测车的硬件主要由车体部分、驱动模块、电源模块、主控制器模块、传感器检测系统、车载无线信息传输模块、手机控制端以及LCD显示电路等构成。其中,车体部分主要由4个车轮直流驱动电机和可充电的锂电池组构成；LCD显示电路由LPH7366LCD构成。本文主要介绍驱动模块、电源模块、主控制器模块、传感器检测系统、车载无线信息传输模块等模块。
2.1 电源模块
为防止电机类负载对单片机及其他集成芯片造成干扰，需要分开供电，并要加大容量的滤波电容以及必要的电感等储能元件,电源设计如图2所示。其中直流电机直接接入锂电池12 V直流电压;驱动摄像头的MG995型伺服电机，选用LM7805稳压芯片输出的5 V电压供电。为获得稳定的5 V电压，在LM7805输入、输出端分别并联一个极性电容和一个陶瓷电容用于滤除高低频干扰。对集成电路的供电选用了LM2596开关型降压稳压管，其输出端接一个68 ?滋H的电感储能和一个二极管给电感续流。
2.2 主控制器模块
主控模块上连无线路由,下接各驱动与检测电路,是系统控制与数据处理的核心。本文采用的是高速、低功耗、抗干扰能力强的STC12C5608AD单片机，其内部集成MAX810专用复位电路、4路PWM和8路高速10位A/D转换,十分适用于电机控制、数据转换、强干扰的场合。对它的设计主要包括电源电路、复位电路和时钟电路。
2.3 传感器检测模块
气体浓度检测采用MQ-2型可燃性气体浓度传感器,电路采用5 V作为工作电压和加热电压。传感器输出的0~5 V模拟信号接单片机P1.7口,经单片机内部A/D转换器转换为数字信号。
湿度检测以HR202型湿度传感器为核心,其电路设计与气体浓度检测电路类似，但无需加热清洗,输出湿度范围为20 ％RH～95 ％RH。
2.4 车载无线信息传输模块
车载无线信息传输模块主要由摄像头、路由器和云台构成。摄像头选择能满足上下左右0°～180°旋转的、可实现远距离打开或关闭的高质量高清的天敏S605型摄像头。通信接口为USB协议。云台由两个MG995型舵机及其他辅助电路构成。路由器采用支持OpenWrt、工作电压为5 V的TP-LINK全新推出的TL-WR703N型迷你3G无线路由器。
2.5 驱动电路设计
伺服电机本身具备驱动电路，只需要通过单片机提供PWM信号以调节其角度即可。但直流电机和大功率LED灯则需要专门的驱动电路，因单片机I/O口驱动能力有限，不足以驱动它们。
2.5.1 直流电机驱动模块设计
为了确保探测车能够在恶劣的环境下正常工作，选择了L298N作为直流电机驱动模块的驱动核心。本文采用了二路L298N驱动电路驱动四路直流电机，下面以一路进行分析,如图3所示。
为减少在直流电机启动时给单片机、路由器等电路造成干扰，提高系统的稳定性，L298N驱动电路采用光耦隔离输入，并对+5 V和+12 V电源消除高低频干扰; 而输出端接整流二极管(D15-D22)以保护芯片的输出端不致因反向电压过高而被击穿。
2.5.2 大功率LED灯驱动模块设计
由于探测车经常会工作在黑暗或光线较暗的环境中，所以一个大功率LED工作灯必不可少。本文采用一个额定电流为600~700 mA、功率为3 W的LED作为车载工作灯，对其驱动采用额定电流为350 mA的AMC7135恒流驱动芯片, 故应采用2块AMC7135并联以获得700 mA左右的恒定电流，如图4所示。
为实现手机无线方式控制工作灯的开关，采用继电器控制方式以连通与断开驱动芯片。在单片机控制I/O口与继电器K1间接入一个ULN2003用于驱动继电器。
3 软件设计
软件部分是探测车智能化的体现，它控制智能探测车所有的运行状态,主要包括通信协议，客户端控制软件(上位机)和下位机软件。其中,路由操作系统采用OpenWrt，此部分在路由器刷机部分完成，主要完成视频采集与传输等功能;上位机软件控制灯光、拍照、实时控制车体运动等;下位机软件通过接收来自上位机的命令，执行相应操作。而连接上位机和下位机之间的纽带就是通信协议。图5是未考虑中断的情况下的数据控制流向流程图，它表明了通过软件控制的从手机控制端到无线路由器再到单片机与具体电路的数据流向。可见，系统软件设计过程较为复杂, 因此本文主要介绍通信协议和上位机的开发。
3．1 串口通信协议
本设计通过单片机串口与无线路由器建立通信。上位机发送命令数据包到路由器，路由器通过解包把数据包解开，通过串口发送到单片机并通过控制模块执行相关操作[5]。
因单字符通信方式干扰较大,上位机采用数据包格式传送指令。格式如下:包头标志位、功能控制位以及包尾标志位。其中包头为0XFF，包尾用0XFF，无校验位; 每进行一次操作,传输一个数据包。单片机与无线路由设备通信的通信协议如表1所示。
3．3 下位机软件设计
下位机即以单片机为核心的驱动与检测系统，其主要功能是接收来自路由器转发的上位机命令，实现环境参数的探测、存储和显示,控制摄像头云台方位、电机转向车灯等。其程序主要包括初始化、定时器设置、串口通信与中断、云台方位控制、环境参数探测、存储和显示，历史数据的调用与回放等子程序。限于文章篇幅,这里不再赘述。
4 调试结果
对整个系统的调试与性能测试表明,该视频探测车在Andorid手机终端的控制下能前后左右地运动；伺服电机能带动摄像头左右旋转180°和仰、俯视全方位地采集图像信息；浓度和湿度检测电路也能快速、准确地获取环境参数信息，并能查看历史数据；大功率LED工作灯在也能按需正常地工作，各项性能完全符合设计的要求。
同时，该探测车稳定性良好，无线交互式操作操控的灵敏度高，获取的实时视频信息清晰、流畅，检测的环境参数准确，其各项性能完全符合设计的要求。本设计提供的解决方案不仅仅局限于探测车，只需要稍做修改便可应用于多种远程控制系统。
参考文献
[1] (美)伯内特.Android基础教程[M].张波,等译.北京：人民邮电出版社，2011.
[2] 李扬.WiFi技术原理及应用研究[J].科技信息，2010(6):241-242.
[3] 张学武，何玉钧.基于WiFi的远程视频传输智能机器人设计[J].电子科技，2013,26(2):4-6.
[4] 孙弋，徐瑞华.基于WiFi技术的井下多功能便携终端的设计与实现[J].工矿自动化，2007(3):03-07.
[5] 候国照.基于OpenWrt的无线传感器网络协议研究与实现[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2009.
[6] 杜敏,谭亮君.Android嵌入式系统的应用实验开发策略 研究[J].电子世界，2012(7):57-58.
[7] MEIER R. Professional Android 2 application development[M]. New Jersey：WroX， 2010.