摘要

山西大學、國網(wǎng)山西省電力公司、國網(wǎng)甘肅省電力公司經(jīng)濟技術(shù)研究院的研究人員王秀麗、宋健等，在2018年第7期《電氣技術(shù)》雜志上撰文，以單片機Arduino為核心，利用無線WiFi技術(shù)實現(xiàn)遠距離通信和圖像傳輸，PC控制端通過讀取紅外、溫濕度、PM2.5及速度傳感器傳回的數(shù)據(jù)和圖像監(jiān)測小車運行環(huán)境和自身狀態(tài)，以L298N電機驅(qū)動來控制小車行進。在此基礎上加入太陽能自動追光系統(tǒng)，采用光電追蹤方式實現(xiàn)對太陽能的有效利用。

構(gòu)建智能化設備是當前科技發(fā)展的主旋律，而節(jié)能高效是局限所在。因此，提高可再生新能源的有效利用，對智能化發(fā)展具有重要意義。

本文設計了一種智能型太陽能追光系統(tǒng)，使太陽能利用裝置始終保持與太陽光垂直，最大程度的提高太陽能的利用率。同時把該系統(tǒng)應用于基于無線WiFi通信的智能小車上，其環(huán)境感知、數(shù)據(jù)處理、控制策略及系統(tǒng)搭建的研究與實現(xiàn)，能夠在一定程度上推動科考、搶險救災的智能化發(fā)展，進一步為未來軍事探測構(gòu)建體系結(jié)構(gòu)、初步構(gòu)建智能工業(yè)的模型與理論基礎提供了功能性技術(shù)價值。

1 系統(tǒng)簡介

本設計以Arduino Mega2560核心電路板為主控制單元，通過APC220無線傳輸裝置和主控制單元通信，其發(fā)送的數(shù)據(jù)包括除圖像之外的所有模塊需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，從而實現(xiàn)小車移動及其他配置的功能。另外再獨立有圖像模塊，利用發(fā)送設備TS832和接收設備RC832通過點對點的通信方式建立圖像與PC上位機的傳輸。

為實現(xiàn)能量的可持續(xù)清潔利用，使用太陽能電池板來對太陽能進行轉(zhuǎn)化利用，并通過舵機來使太陽能得到最有效利用。通過溫度、濕度、氣體、速度和紅外傳感器構(gòu)成的多傳感器系統(tǒng)實現(xiàn)多方位的檢測功能。

系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)如圖1所示，其工作流程為：在PC上位機的控制信號下，多傳感器系統(tǒng)對自身狀態(tài)及現(xiàn)實環(huán)境不同特征進行檢測并傳回主控制單元Arduino，利用APC220無線傳輸裝置和圖像傳輸系統(tǒng)把處理后的數(shù)據(jù)選擇性傳回PC上位機，PC端再根據(jù)傳回信號來對智能小車實現(xiàn)進一步操作。系統(tǒng)在實現(xiàn)控制方式多樣化的同時，根據(jù)需要進行相應的系統(tǒng)控制對象的改變，使整體具有冗余性和互補性[5-6]。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)的軟件設計

本系統(tǒng)軟件部分分為兩部分，其中Arduino下位機部分作為系統(tǒng)的控制層，其處理多傳感器系統(tǒng)、自身狀態(tài)檢測裝置及太陽能自動追光系統(tǒng)傳回數(shù)據(jù)并加以實施控制信號。第二部分PC上位機實現(xiàn)智能小車的示教和人機交互功能，不僅能夠通過感知各傳感模塊的實時數(shù)據(jù)對環(huán)境變量及自身狀態(tài)進行分析，而且還能遠距離發(fā)出決策命令，這將極大的改善智能小車系統(tǒng)的性能，提高系統(tǒng)的可靠性和可操作性。

2.1 Arduino下位機設計思路

下位機采用的Arduino開發(fā)板本身已經(jīng)有完善的模板，將APC220及各種外設的初始化工作放在setup()函數(shù)中，loop()函數(shù)中直接調(diào)用各模塊函數(shù)實現(xiàn)功能。Loop()中的函數(shù)主要有WiFi()函數(shù)，其主要掌控消息接收和發(fā)送，解析接收數(shù)據(jù)并執(zhí)行；其余的函數(shù)均為各模塊的處理函數(shù)，例如Wire_end_ Sun()電源和太陽能之間的關(guān)系處理及數(shù)據(jù)更新。

該系統(tǒng)屬于普通實時系統(tǒng)，同上位機一樣設置中斷函數(shù)，并設置信號量機制避免各同優(yōu)先級中斷函數(shù)之間互相干擾。

此程序的設計在于模板化，針對于智能小車給出了模板類，封裝為庫文件，當需要添加功能時，只需將該功能加入到模板中即可。針對于小車的移動，給出了模板類，調(diào)用時只需輸入相應控制引腳即可。而信息傳遞函數(shù)WiFi()的設置，也只需根據(jù)需要添加調(diào)用模塊條件調(diào)用相應函數(shù)即可。此程序可以應用任何相同開發(fā)板的智能小車，只需修改對應引腳，對應功能也只需要寫入對應模塊即可，無需重新編寫程序[7-8]。

圖2 下位機程序流程圖

2.2 PC上位機設計思路

上位機使用Matlab的GUIDE（圖形用戶接口開發(fā)環(huán)境）構(gòu)建，其中定義了圖像模塊、WiFi控制模塊、電源模塊、遙控模塊、太陽能模塊、傳感器模塊。

圖像模塊的實現(xiàn)機理：視頻采集端由FPV（First Person View）針孔攝像頭和發(fā)送設備TS832組成；TS832由12V電源供電，輸出5V電壓給攝像頭供電，而后FPV視頻輸出端通過信號線將視頻數(shù)據(jù)傳遞給TS832，由其進行傳輸。

視頻接收端，由RC832和視頻采集卡、上位機組成，RC832通過與TS832相同的頻率將視頻數(shù)據(jù)接收，通過AV線與視頻采集卡連接，視頻采集卡主要起轉(zhuǎn)換接口和緩存視頻數(shù)據(jù)的功能，上位機軟件讀取采集卡的數(shù)據(jù)將視頻顯示，其讀取和顯示的核心代碼如圖7和圖8所示，最終的cam是其接口，顯示時將其捕獲。

圖3 讀取部分

圖4 顯示部分

WiFi模塊的實現(xiàn)過程：首先WiFi模塊的APC220也是一對點對點的傳輸模塊。下位機置放一個APC220，上位機處置放一個APC220。下位機傳回數(shù)據(jù)時，其APC220與Arduino板進行串口通信，將Arduino板上各模塊的數(shù)據(jù)根據(jù)規(guī)定協(xié)議封裝后傳回到上位機APC220，上位機軟件通過串口與其通信，通過數(shù)據(jù)處理將數(shù)據(jù)提取顯示。上位機發(fā)送數(shù)據(jù)時，其APC220將操作命令依據(jù)傳輸協(xié)議封裝后發(fā)送給另一個APC220，Arduino板對其進行解析并執(zhí)行命令。傳輸協(xié)議采用自定義協(xié)議，協(xié)議如下：

起始位‘SOH’數(shù)據(jù)類別 數(shù)據(jù)位位數(shù) 數(shù)據(jù) 終止位‘EOT’

當數(shù)據(jù)類別為傳感器等一類事物的總稱時，數(shù)據(jù)位的第一位數(shù)據(jù)將其分別標明是哪一類的傳感器。由于APC220具有自帶的檢錯功能，所以協(xié)議中沒有定義檢錯位。

上位機與APC220的連接和數(shù)據(jù)的封裝函數(shù)如圖5和圖6所示。

圖5 連接部分

圖6 封裝部分

上位機軟件的實現(xiàn)設置了3個主要處理機制，分別對應與WiFi模塊的接收、WiFi發(fā)送指令、圖像的接收。由于該系統(tǒng)屬于典型的實時系統(tǒng)，需要無時無刻的接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，因此就可能產(chǎn)生死鎖問題，因此需要定義合理的中斷優(yōu)先級，此軟件將WiFi的接收定義為最高優(yōu)先級，WiFi的發(fā)送次之，最低優(yōu)先級為圖像的接收。通過信號量機制使系統(tǒng)變的穩(wěn)定可靠。

WiFi接收中斷，當掃描到串口有數(shù)據(jù)到來時，會觸發(fā)串口終端去處理并解析數(shù)據(jù)；定時器中斷掃描全局變量中斷標志，當標志位置1時，有指令發(fā)送，將該指令封裝發(fā)送。圖像接收按鈕回調(diào)，當圖像為顯示狀態(tài)時，顯示圖像[9-10]。

此軟件利用定時器中斷和數(shù)據(jù)接收串口中斷構(gòu)造了一個典型的實時系統(tǒng)，對下位機進行檢測控制。其中傳輸數(shù)據(jù)幀的格式模仿TCP/IP協(xié)議，自定義出一套完整的幀協(xié)議，相對于TCP/IP協(xié)議的最大優(yōu)點在于不需要限制一幀數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)大小，簡潔實用。

圖像接收端也采用新穎獨特的方式顯示圖像，使得圖像清晰度和實時度相較于其他方式的視頻顯示大大提升。此軟件的一個缺點在于當打開圖像顯示時，該軟件會一直占用當前窗口實時顯示，不過仔細思考，動態(tài)刷新圖像，更好地顯示了系統(tǒng)強大的實時性。

圖8為設計出來的上位機控制軟件平臺界面。

圖7 上位機程序流程圖

圖8 上位機控制平臺界面

結(jié)論

本設計在含有多種傳感器的無線智能小車基礎上集成了一種雙軸自動追光設備，經(jīng)性能指標測試實驗，小車能夠做到遠距離實時操控及環(huán)境圖像的準確高效傳輸，追光設備實現(xiàn)對移動光源的自動追蹤，此系統(tǒng)的廣泛應用必然會帶來可觀的環(huán)境效益與經(jīng)濟效益。