基于LabVIEW的視頻監(jiān)控智能小車機器人系統(tǒng)設(shè)計

張瑋 楊森

摘 要：該文介紹了WIFI視頻監(jiān)控智能小車的上位機視頻監(jiān)控，鼠標(biāo)軌跡控制智能小車的實現(xiàn)方法。在虛擬儀器軟件LabVIEW2014環(huán)境下，用圖形化編程語言編程實現(xiàn)TCP通信以及串口通信，使得LabVIEW上位機程序采集利用攝像頭所拍攝到的圖像進行實時監(jiān)控，和下位機硬件的四路驅(qū)動進行數(shù)據(jù)交換，控制智能小車的運動。通訊方式上采用藍牙、WIFI兩種方式并用，適用于各種平臺。文章詳細介紹了上位機軟件平臺的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理分析、數(shù)據(jù)存儲以及讀取，最終實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)攝像頭的實時監(jiān)控，四路電機的鼠標(biāo)軌跡控制。經(jīng)驗證，系統(tǒng)穩(wěn)定，控制方式靈活，可拓展性強。

關(guān)鍵詞：WIFI通訊 視頻監(jiān)控 LabVIEW 智能小車 鼠標(biāo)軌跡控制

中圖分類號：TP24 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）06（a）-0070-05

隨著科技的發(fā)展，智能化已經(jīng)融入了平常百姓的生活，對智能化機器人的控制也變得至關(guān)重要，但是目前市面上多數(shù)智能化系統(tǒng)采用的是單片機和上位機PC相結(jié)合的方式，而且上位機編程環(huán)境大多采用VB＼VC等進行設(shè)計，這一種系統(tǒng)優(yōu)點明顯，就是下位機單片機的價格便宜，但同樣缺點也明顯，那就是上位機編程語言的編程及調(diào)試過程非常復(fù)雜，編程的成本高昂。當(dāng)然，還有一種就是基于美國NI公司的硬件采集卡和上位機LabVIEW編程軟件的設(shè)計，這種方式的優(yōu)點是上位機采用的是圖形化編程語言，編程簡單易上手，而且后臺自動調(diào)試避免大量編程錯誤出現(xiàn)，編程以及調(diào)試非常便捷，缺點是NI硬件采集卡較為昂貴，因此該設(shè)計將以上兩種方式融合為一體，利用上位機LabVIEW和下位機單片機進行結(jié)合，既造價低廉又具有簡單可靠的編程調(diào)試環(huán)境。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

此項目設(shè)計了一套帶有避障功能的智能小車系統(tǒng)，可以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)攝像頭實時監(jiān)控，通過上位機可以用鼠標(biāo)軌跡控制小車的運動軌跡。上位機部分程序可以通過藍牙或者WIFI兩種方式和下位機硬件小車部分單片機進行數(shù)據(jù)交換，進行控制信號的傳遞。上位機程序采用LabVIEW進行編寫，下位機單片機程序采用Keil進行編寫。其系統(tǒng)整體硬件框圖如圖1所示。

2 硬件設(shè)計和選型

系統(tǒng)下位機硬件部分由7部分組成，分別為基于STC89C52芯片的單片機主控模塊、超聲波避障模塊、WIFI數(shù)傳模塊、HC06藍牙模塊、高清攝像頭及其舵機模塊、42步進電機及A4988步進電機驅(qū)動、電源模塊構(gòu)成。

項目所用各個模塊在硬件選用時遵循性價比最高、可拓展性強的原則進行選用，以便于系統(tǒng)功能拓展時下位機硬件部分的改動。下面對硬件核心部件進行介紹。

2.1 電機及其驅(qū)動模塊

小車采用4個A4988驅(qū)動來驅(qū)動4個42步進電機。A4988是一個完整的帶有內(nèi)置轉(zhuǎn)換器的電機驅(qū)動，便于操作最小控制線。A4988驅(qū)動是一種帶有轉(zhuǎn)換器和過流保護的微步驅(qū)動器。該項目采用這一款驅(qū)動主要在于A4988驅(qū)動的轉(zhuǎn)換器，有此轉(zhuǎn)換器后，只要在“步進”輸入端輸入脈沖，即可驅(qū)動微步電機產(chǎn)生微步。

2.2 WIFI模塊

WIFI模塊通過無線路由器+USB攝像頭方案代替數(shù)傳與圖傳模塊。選取無線路由器進行改裝并刷OpenWrt固件，安裝UVC攝像頭驅(qū)動，Ser2net串口轉(zhuǎn)發(fā)軟件、mipg-streamer視頻解析軟件并設(shè)置為隨機啟動。改裝后，該WIFI模塊即可作為中轉(zhuǎn)站，實現(xiàn)USB高清攝像頭的視頻傳輸以及上位機與單片機的TTL串行通信。

2.3 超聲波模塊

小車采用HC-SR04超聲波測距模塊，此模塊性能穩(wěn)定，測量距離精確，模塊精度高，盲區(qū)小，小車的避障模塊利用超聲波傳感器測距的原理設(shè)計，程序中超聲波檢測到障礙物后會執(zhí)行相關(guān)程序進而控制小車執(zhí)行相應(yīng)的動作來躲避障礙物。

2.4 藍牙模塊

小車采用HC05藍牙模塊，使用此模塊是因為它是主從一體的藍牙串口模塊，當(dāng)藍牙設(shè)備連接好后，可以無視其內(nèi)部協(xié)議，直接當(dāng)作串口使用，較為簡便。該項目中采用WIFI、藍牙雙通道進行控制，適應(yīng)于各種特殊環(huán)境，近距離遠距離皆可進行控制。

3 上位機控制系統(tǒng)設(shè)計

此系統(tǒng)上位機采用LabVIEW對鼠標(biāo)坐標(biāo)的軌跡進行記錄并轉(zhuǎn)化為控制信號進行處理，上位機部分還可以對攝像頭模塊采集的動態(tài)視頻進行顯示。下位機單片機選用Keil C51開發(fā)環(huán)境，對小車下位機的驅(qū)動模塊、超聲波避障模塊、上下位機的通信部分進行程序編寫。下面對上位機的核心部分進行介紹。

3.1 視頻監(jiān)控

首先系統(tǒng)需要顯示一個實時監(jiān)控畫面，就需要視覺開發(fā)工具包中的幾個子模塊進行調(diào)用，同樣是4個節(jié)點。

（1）首先，調(diào)用視頻資源打開函數(shù)，將視頻對應(yīng)COM口連入對應(yīng)接線端，這里設(shè)置為可調(diào)模式是因為在不同的用戶終端電腦那里的COM口可能會有所不同。（如圖2所示為視頻顯示部分程序框圖）

（2）其次，調(diào)用視頻參數(shù)配置函數(shù)，通過該函數(shù)對圖像進行動態(tài)采集，利用IMAQ Create VI向系統(tǒng)獲取與其相對應(yīng)的緩存，將采集的圖像和獲得的緩存?zhèn)鬏數(shù)絍I函數(shù)IMAQ Grab中。

（3）再次，調(diào)用VI函數(shù)IMAQ Grab，該函數(shù)會將獲取的圖像的當(dāng)前幀并存于緩沖中再獲得下一幀，將圖像以幀為單位一幀一幀地按順序顯示在顯示控件Image Display上，這樣用戶便可以在前面板看到實時的視頻監(jiān)控圖像了。

（4）最后，視頻的顯示控件需要放置在While循環(huán)中，否則只會顯示一幀的圖像而非連續(xù)變化的視頻。嵌套一個判斷結(jié)構(gòu)需要打開視頻時便顯示，否則不顯示。當(dāng)程序停止時，程序會停止執(zhí)行函數(shù)VI IMAQ Dispose釋放緩存以及函數(shù)VI IMAQ Close Camera，關(guān)閉攝像機從而結(jié)束視頻監(jiān)控程序。

3.2 VISA串口及TCP/IP通訊

LabVIEW中用于串口通信函數(shù)編寫的便是在VISA庫函數(shù)的基礎(chǔ)上編寫的。VISA庫函數(shù)是虛擬儀器軟件體系結(jié)構(gòu)的英文縮寫（即Virtual Instruments Software Architecture），其在功能上說實際上是一個應(yīng)用于硬件標(biāo)準(zhǔn)I/O口應(yīng)用程序的接口，屬于一種通用的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用程序接口。

LabVIEW將串口通信的各個底層步驟進行了子模塊化的封裝，利用結(jié)點進行串口通信，便于調(diào)試編程，相關(guān)的子模塊結(jié)點總共有8個分別用于實現(xiàn)串口打開、串口初始化、串口讀、串口寫、串口中斷、串口關(guān)閉等串口相關(guān)功能。

LabVIEW中最基礎(chǔ)的串口通信包括4個步驟，分別為串口初始化、串口打開、讀寫串口、關(guān)閉串口。該項目同樣包括這樣幾個步驟。

（1）調(diào)用VISA串口配置函數(shù)（VISA Configure Serial Port）。用于串口的初始化，配置串口的基本信息，設(shè)置波特率、數(shù)據(jù)位、停止位和校驗位超時等待等，系統(tǒng)中設(shè)計的是和藍牙模塊之間的串口通信，所以將其串口波特率設(shè)為9 600 bps，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，無奇偶校驗位。

（2）VISA串口數(shù)據(jù)寫入函數(shù)（VISA Write）。將上位機PC端處理生成的控制指令寫入指定串口緩沖區(qū)中，通過與下位機的藍牙模塊建立連接發(fā)送到下位機單片機接收緩沖區(qū)中。

（3）VISA串口數(shù)據(jù)讀取函數(shù)（VISA Read）用于返回指定串口接收緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)。下位機在完成相關(guān)指令后會向上位機反饋一個“0”字符代表上一個指令執(zhí)行完畢，上位機將通過VISA串口數(shù)據(jù)讀取函數(shù)判斷下位機是否執(zhí)行完畢，進而發(fā)送下一條控制指令，形成一個閉環(huán)系統(tǒng)以避免發(fā)生上一條指令未執(zhí)行完畢就執(zhí)行下一條指令的情況發(fā)生。

（4）VISA串口關(guān)閉函數(shù)（VISA Close）用于結(jié)束與指定的串口資源會話，停止所有讀寫操作，關(guān)閉串口。利用串口配置函數(shù)設(shè)置好串口參數(shù)，添加一個While循環(huán)來隨時監(jiān)測串口緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)，并且利用串口字節(jié)數(shù)函數(shù)判斷緩沖區(qū)中是否存在字節(jié)，如果有字節(jié)，開始數(shù)據(jù)處理、顯示、存儲。

該系統(tǒng)采用網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議中的TCP/IP協(xié)議進行通訊，所謂網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議就是在網(wǎng)絡(luò)中傳遞、管理信息的一些規(guī)范，是計算機之間、計算機與設(shè)備之間通過網(wǎng)絡(luò)通信所需要共同遵守的一些規(guī)則。系統(tǒng)之所以采用TCP/IP協(xié)議是因為TCP/IP協(xié)議是目前協(xié)議體系最成功、使用最頻繁的互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議。

LabVIEW將TCP/UDP的通訊底層函數(shù)進行了打包，形成了具有各個模塊功能的子函數(shù)VI，使得開發(fā)者可以直接調(diào)用，省去了繁雜的網(wǎng)絡(luò)底層系統(tǒng)的實現(xiàn)，封裝好的子函數(shù)VI和VISA串口通信的子函數(shù)功能較為相似，TCP通訊一般采用服務(wù)端與客戶端通信的模式。由于該系統(tǒng)是PC端和單片機端進行通信，所以當(dāng)上位機用于發(fā)送控制指令時，將上位機PC端作為客戶端，單片機端作為服務(wù)端，（這里簡稱為發(fā)送端和接收端）；當(dāng)上位機接收反饋信號時，將上位機PC端作為服務(wù)端，單片機端作為客戶端。

（1）調(diào)用TCP/IP通訊打開函數(shù)，配置好相應(yīng)的TCP/IP地址以及端口，這里的地址和端口需要和接收端所配置的目的地址相同。下位機單片機端通訊開啟后一直處于數(shù)據(jù)偵聽狀態(tài)，等待上位機發(fā)送端發(fā)送指令。

（2）調(diào)用TCP/IP寫入函數(shù)，將上位機PC端處理生成的控制指令寫入指定串口緩沖區(qū)中通過WIFI傳遞至小車數(shù)據(jù)接收緩沖區(qū)。

（3）調(diào)用TCP/IP讀取函數(shù)，讀取下位機反饋的指令完成信號。

（4）有錯誤或者程序執(zhí)行結(jié)束調(diào)用TCP/IP關(guān)閉函數(shù)，停止所有讀寫操作關(guān)閉TCP/IP通道并釋放緩沖區(qū)。

3.3 鼠標(biāo)軌跡控制

該系統(tǒng)中，上位機的主要控制方式是鼠標(biāo)的軌跡控制小車行進軌跡，因此上位機需要在事件結(jié)構(gòu)中捕捉到鼠標(biāo)的坐標(biāo)變化。

事件結(jié)構(gòu)中的事件指的是一種觸發(fā)信號，目的是通知程序也就是控制端有事情發(fā)生。對于LabVIEW上位機來說前面板用戶界面的任何動作，外部設(shè)備的任何I/O口信號或是程序中的一段代碼都可以作為觸發(fā)事件來觸發(fā)事件結(jié)構(gòu)。使用事件結(jié)構(gòu)這樣一種結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)僅當(dāng)事件發(fā)生時程序才響應(yīng)，未發(fā)生事件的其他時間程序可以正常地處理其他的進程，若是和單片機相比較的活，時間結(jié)構(gòu)就像是單片機當(dāng)中的中斷結(jié)構(gòu)。相反如果在處理一些多線程、復(fù)雜的程序任務(wù)時不采用事件結(jié)構(gòu)，計算機會采用“輪詢”的方式不斷循環(huán)檢測事件是否發(fā)生，雖然結(jié)果都可以檢測到事件的發(fā)生，但是很明顯，后者運行時會占用大量的CPU，會使得上位機有卡頓等現(xiàn)象的發(fā)生。而事件結(jié)構(gòu)恰好可以在不影響其他程序的同時解決這一問題。

該系統(tǒng)設(shè)計中將鼠標(biāo)按下作為觸發(fā)事件結(jié)構(gòu)的條件，只要鼠標(biāo)在指定區(qū)域內(nèi)按下鼠標(biāo)左鍵，便會觸發(fā)程序中事件結(jié)構(gòu)部分的窗格鼠標(biāo)按下事件，程序會進入此結(jié)構(gòu)中執(zhí)行結(jié)構(gòu)中的程序，將鼠標(biāo)左鍵按下時的坐標(biāo)位置以（X，Y）坐標(biāo)的形式取出并記錄下來。（見圖6）并通過一系列算法加以處理轉(zhuǎn)換為下位機控制電機所需的相應(yīng)代碼。

4 實驗結(jié)果

經(jīng)過系統(tǒng)功能測試表明，WIFI視頻監(jiān)控智能小車機器人完美地實現(xiàn)了視頻的無線傳輸、鼠標(biāo)軌跡控制小車行走、自動避開障礙物等功能。上位機程序啟動后用戶只需配置相關(guān)參數(shù)后便可進入主體部分，可以選擇使用已經(jīng)規(guī)劃好的路徑控制小車行走，也可以選擇重新規(guī)劃路徑控制小車行走，按下DELETE鍵表示路徑記錄完成，如需調(diào)出監(jiān)控視頻，按下開啟視頻鍵即可，操作簡單，控制方便，人機交互性好。

5 結(jié)語

基于WIFI的視頻監(jiān)控智能小車機器人是一個集攝像頭、WIFI模塊、單片機、步進電機等硬件于一體的智能小車機器人，采用Keil C51、LabVIEW為小車的上下位機進行編程。創(chuàng)新點在于小車可以根據(jù)上位機鼠標(biāo)移動所制定的軌跡進行移動，不拘泥于前后左右控制，操作方便。其次后期拓展性能非常好，針對不同的環(huán)境任務(wù)要求，可以增加相應(yīng)的功能，如機械臂、各種探測傳感器，探測的數(shù)據(jù)可以通過WIFI傳回上位機進而進行實時探測。

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