基于STM32 的WIFI控制金屬探測小車系統(tǒng)設(shè)計(jì)

曹建平， 丁 坦， 楊 輝

（1.武昌首義學(xué)院機(jī)電與自動(dòng)化學(xué)院，武漢430064；2.華中科技大學(xué)水利水電學(xué)院，武漢430064；3.武漢聯(lián)特科技有限公司，武漢430064）

0 引 言

隨著工業(yè)4.0 的到來，機(jī)器人將廣泛應(yīng)用在國民生活的各行各業(yè)中。金屬探測小車可以看成是一種檢測金屬的輪式移動(dòng)機(jī)器人，它能根據(jù)指令執(zhí)行相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)軌跡。金屬探測是通過利用金屬傳感器在一定范圍內(nèi)掃描金屬物體，并做出精確定位，在軍事、工業(yè)和安全等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，如地雷探測、考古、采礦、采煤、食品檢測等［1-2］。WIFI 作為一種無線局域網(wǎng)運(yùn)用技術(shù)，組網(wǎng)方便、傳輸速度快以及易于擴(kuò)展，應(yīng)用十分廣泛［3］。針對(duì)市面上金屬探測儀功能比較單一，將WIFI技術(shù)與金屬探測小車有機(jī)結(jié)合在一起，使小車具有無線通信、視頻傳輸、金屬檢測等功能。本文設(shè)計(jì)的金屬探測小車，以STM32 為數(shù)據(jù)處理核心，通過無線WIFI網(wǎng)絡(luò)傳輸視頻，在Android 手機(jī)端實(shí)現(xiàn)小車的控制、視頻畫面的傳輸和探測結(jié)果的顯示，探測安全而精準(zhǔn)。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)的金屬探測原理

系統(tǒng)中的金屬探測采用LDC1000 電感數(shù)字轉(zhuǎn)換器，它可以和單片機(jī)進(jìn)行SPI通信，只需要外接一個(gè)線圈就可以實(shí)現(xiàn)非接觸式電感檢測。LDC1000 探測金屬是利用法拉第電磁感應(yīng)原理，金屬導(dǎo)體置于變化的磁場中，導(dǎo)體內(nèi)將產(chǎn)生呈渦旋狀的感應(yīng)電流，稱之為電渦流或渦流，這種現(xiàn)象稱為渦流效應(yīng)［4-5］。LDC1000工作原理圖如圖1 所示，在LDC1000 線圈中加上一個(gè)交變電流I1，線圈周圍產(chǎn)生交變磁場H1，如果有金屬物體進(jìn)入該磁場，金屬物體會(huì)產(chǎn)生表面渦流I2，I2的方向與I1的方向相反，故渦流產(chǎn)生新的磁場H2方向與H1的方向相反，使原磁場消弱，從而導(dǎo)致線圈的電感量、阻抗和品質(zhì)因素發(fā)生變化［6-7］。

圖1 傳感器LDC1000工作原理圖

渦流是物體大小、距離、成分的函數(shù)，渦流產(chǎn)生的反向磁場同探測線圈耦合，可以等效為變壓器，渦流效應(yīng)作次級(jí)線圈，探測線圈為初級(jí)線圈，根據(jù)變壓器互感作用，在探測線圈這邊就可以檢測到金屬物體的參數(shù)，如圖1 所示。圖中L1和R1分別是LDC1000 線圈的電感值和寄生電阻，L2和R2則是互感值和互感寄生電阻，M（x）是互感函數(shù)［8-9］。交變電流I1產(chǎn)生交變磁場H1的同時(shí)會(huì)消耗大量的能量，為了降低能量損耗，在設(shè)計(jì)時(shí)通常給線圈并聯(lián)一個(gè)電容，構(gòu)成并聯(lián)諧振回路，損耗僅僅產(chǎn)生在R1和R2上，通過檢測（R1＋R′2）的損耗可以間接地檢測金屬物體。

1.2 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

基于STM32 的WIFI控制金屬探測小車系統(tǒng)由控制板（集成了STM32 單片機(jī)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊）、無線路由器、LDC1000 金屬探測模塊、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)輪、攝像頭、電源模塊組成，手機(jī)控制端通過和WIFI 板的雙向通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)小車的運(yùn)動(dòng)控制以及數(shù)據(jù)接收?？傮w結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

系統(tǒng)以STM32F105 為核心，利用LDC1000 傳感器實(shí)現(xiàn)金屬探測。搭載一個(gè)監(jiān)視攝像頭，通過無線路由模塊實(shí)現(xiàn)和Android手機(jī)控制端的無線連接，手機(jī)控制端控制小車的運(yùn)動(dòng)，并在手機(jī)界面上實(shí)時(shí)顯示金屬探測結(jié)果和視頻監(jiān)控畫面。

圖2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

小車在機(jī)械結(jié)構(gòu)上采用差速驅(qū)動(dòng)式的四輪輪式機(jī)構(gòu)，每個(gè)輪子都帶有獨(dú)立的執(zhí)行機(jī)構(gòu)（直流減速電動(dòng)機(jī)），左側(cè)和右側(cè)兩電動(dòng)機(jī)分別串聯(lián)。小車的直線運(yùn)動(dòng)通過兩側(cè)驅(qū)動(dòng)輪以相同的速率和方向轉(zhuǎn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)，而轉(zhuǎn)彎動(dòng)作則是通過兩側(cè)驅(qū)動(dòng)輪椅相同速率和不同方向轉(zhuǎn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)。這種機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于，通過直線運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)彎動(dòng)作，探測小車可以輕松完成任意運(yùn)動(dòng)路徑，有效降低運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性。探測小車機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖如圖3 所示。

圖3 小車機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 硬件組成

2.2.1 微處理器模塊

微處理器模塊是控制與數(shù)據(jù)處理的核心，金屬探測小車系統(tǒng)采用的是集成度高、功耗低、成本低的ARM Cortex-M3 內(nèi)核的STM32F105 單片機(jī)，其內(nèi)部包含I2C、SPI、USART等多個(gè)通信接口，時(shí)鐘頻率達(dá)到72 MHz，集成了許多常用的外圍設(shè)備及接口電路［10］。

2.2.2 電源模塊

電源模塊主要由電池組和電壓轉(zhuǎn)換器組成。電池組給控制板、WIFI板、LDC1000 模塊和電動(dòng)機(jī)供電，考慮到小車整體機(jī)械結(jié)構(gòu)的布局和穩(wěn)定以及各模塊供電的大小，選用由2 節(jié)18650 鋰電池串聯(lián)的7.4 V 電池組，并帶有保護(hù)板對(duì)電池組進(jìn)行充放電保護(hù)。

電池組輸出電壓為7.4 V，而直流電動(dòng)機(jī)輸入電壓范圍為3 ～9 V，LDC1000 模塊和無線路由模塊需要5 V供電，STM32 工作電壓為3.3 V，通過電壓變換器78M05 和AMS1117-3.3 將7.4 V電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換5 V和3.3 V給各模塊供電［11］。

2.2.3 電動(dòng)機(jī)及驅(qū)動(dòng)模塊

系統(tǒng)中采用直流減速電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力裝置，直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)選用雙極型H 橋型脈寬調(diào)制方式（PWM）的L298N 芯片，L298N 芯片內(nèi)部包含兩個(gè)H橋高電壓大電流橋式驅(qū)動(dòng)器，接受標(biāo)準(zhǔn)的TTL 邏輯電平信號(hào)，可以驅(qū)動(dòng)46 V、2 A以下的電動(dòng)機(jī)［12-13］。改變單片機(jī)I／O口狀態(tài)可以控制電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)，使能端ENA、ENB 輸出PWM 信號(hào)，改變直流電動(dòng)機(jī)的速度。L298N芯片每個(gè)輸出采用兩個(gè)IN4001 二極管來保護(hù)芯片，驅(qū)動(dòng)電路圖如圖4 所示。

圖4 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

2.2.4 無線信息傳輸模塊

系統(tǒng)中無線信息傳輸模塊由路由器和攝像頭構(gòu)成。無線路由模塊的主要功能是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)-串口指令轉(zhuǎn)發(fā)，是下位機(jī)和上位機(jī)數(shù)據(jù)的中心［14］。設(shè)計(jì)中采用的是TP-LINK 703N無線路由器，對(duì)它進(jìn)行改造，通過刷入OpenWrt 固件實(shí)現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，該模塊執(zhí)行IEEE 802.11b／g／n標(biāo)準(zhǔn)，增設(shè)外置2dBi天線放大發(fā)射功率，同時(shí)內(nèi)置視頻服務(wù)器，可以采集USB 攝像頭圖像。攝像頭選擇高清穩(wěn)定的天敏S605 型攝像頭，通信接口為USB協(xié)議，攝像頭通過USB接口連接無線路由器，配合路由器內(nèi)置480P 視頻服務(wù)器輸出MJPEG 視頻流，通過WIFI信道將視頻傳送給上位機(jī)。

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件部分是金屬探測小車實(shí)現(xiàn)功能的核心，它控制系統(tǒng)所有的運(yùn)行狀態(tài)，主要包括通信協(xié)議、上、下位機(jī)軟件。上位機(jī)軟件顯示環(huán)境畫面和控制小車運(yùn)動(dòng)，下位機(jī)軟件通過接受上位機(jī)的命令，執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作，而通信協(xié)議則是連接上位機(jī)和下位機(jī)的紐帶。

3.1 串口通信協(xié)議

金屬探測小車系統(tǒng)通過STM32 USART 串口與無線路由器建立通信。上位機(jī)發(fā)送命令數(shù)據(jù)包到路由器，路由器把數(shù)據(jù)包解開，由串口發(fā)送到STM32 并通過控制模塊執(zhí)行相關(guān)操作［15］。

下行數(shù)據(jù)通信協(xié)議如表1 所示。上行數(shù)據(jù)通信協(xié)議如表2 所示。

3.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)手機(jī)控制端主界面用于顯示視頻信息，并且通過前、后、左、右4個(gè)虛擬按鍵控制金屬探測小車的運(yùn)動(dòng)。上位機(jī)程序使用Eclipse ＋SDK ＋ADT 開發(fā)，Eclipse是一個(gè)基于Java 的集成開發(fā)環(huán)境，擴(kuò)展安裝Android SDK（軟件開發(fā)工具包）以及插件ADT創(chuàng)建一個(gè)Android控制端應(yīng)用軟件［16］。上位機(jī)程序流程圖如圖5 所示。

表1 下行通信協(xié)議

表2 上行通信協(xié)議

初始化后，使用Socket 方法建立Android 手機(jī)和WIFI板的連接，控制端信號(hào)的發(fā)送和下位機(jī)上傳信號(hào)的接收都通過該通道；使用HTTPURLConnetion 方法請求和WIFI 板上內(nèi)置視頻服務(wù)器連接，接收視頻流信號(hào)并在Surfaceview上顯示。設(shè)置前、后、左、右4 個(gè)按鈕事件，監(jiān)視對(duì)應(yīng)的4 個(gè)按鈕控件，一旦觸發(fā)事件就發(fā)送相應(yīng)的數(shù)據(jù)。接收數(shù)據(jù)放在字符型變量里面，判斷變量的值，然后刷新主線程UI顯示金屬探測結(jié)果。

圖5 上位機(jī)程序流程圖

3.3 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

下位機(jī)是以STM32 為核心的驅(qū)動(dòng)與檢測系統(tǒng)，其主要功能是接收路由器轉(zhuǎn)發(fā)的上位機(jī)命令，來控制小車運(yùn)動(dòng)和探測環(huán)境金屬。在IAR 集成開發(fā)環(huán)境用C語言進(jìn)行編程，流程圖如圖6 所示。

圖6 下位機(jī)程序流程圖

首先完成引腳、定時(shí)器、串口以及LDC1000 的初始化，然后進(jìn)入循環(huán)體，執(zhí)行SPI 方式讀取LDC1000的采樣數(shù)據(jù)，判斷該數(shù)據(jù)，將相應(yīng)的指令通過串口中斷發(fā)送給路由器；當(dāng)上位機(jī)發(fā)出指令時(shí)，下位機(jī)串口則觸發(fā)接收中斷接收數(shù)據(jù)，然后調(diào)用命令解釋函數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，根據(jù)命令下達(dá)驅(qū)動(dòng)指令驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

4 性能測試與分析

首先選擇5 種不同的金屬體，在距離LDC1000 探測線圈中心點(diǎn)投影不同距離進(jìn)行了測試，并記錄下LDC1000 采樣數(shù)據(jù)，如表3 所示。

表3 LDC1000 采樣數(shù)據(jù)

根據(jù)測試的數(shù)據(jù)分析，金屬物體的大小、成分和探測線圈的距離都會(huì)影響LDC1000 采樣輸出的數(shù)據(jù)。對(duì)LDC1000 采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，編寫代碼見表4。具體的思路是，對(duì)LDC1000 采樣濾波函數(shù)返回的參數(shù)值進(jìn)行判斷，當(dāng)返回參數(shù)值不大于0x3000 時(shí)，向串口發(fā)送字節(jié)0x00，這個(gè)指令表示當(dāng)前小車沒有探測到金屬，此時(shí)感應(yīng)強(qiáng)度為0，依照通信協(xié)議向上位機(jī)發(fā)送過去，手機(jī)界面顯示綠色的“當(dāng)前金屬感應(yīng)強(qiáng)度為0”；當(dāng)參數(shù)值在0x3000 ～0x3050 之間時(shí)，向串口發(fā)送字節(jié)0x01，表示此時(shí)探測到金屬，感應(yīng)強(qiáng)度為1，手機(jī)界面顯示黃色的“當(dāng)前金屬感應(yīng)強(qiáng)度為1”；依此類推，設(shè)置10 個(gè)感應(yīng)強(qiáng)度級(jí)別。

表4 LDC1000 采樣數(shù)據(jù)處理

然后對(duì)小車探測金屬性能進(jìn)行測試，在地面放置一部iPhone手機(jī)，手機(jī)初始界面顯示為綠色的“0”，如圖7 所示。通過界面虛擬按鍵控制小車向手機(jī)的位置移動(dòng)，當(dāng)小車探測線圈檢測到iPhone 手機(jī)，手機(jī)控制端最終顯示感應(yīng)強(qiáng)度為紅色的“當(dāng)前金屬感應(yīng)強(qiáng)度為10”，如圖8 所示。

圖7 探測手機(jī)性能測試

圖8 探測到手機(jī)時(shí)的手機(jī)界面

圖9 和10 分別是檢測1 元硬幣的初始狀態(tài)和檢測到硬幣時(shí)的手機(jī)界面。分別對(duì)其他面值的硬幣和鑰匙進(jìn)行了測試，小車都能根據(jù)手機(jī)端指令做出動(dòng)作，手機(jī)控制端也能實(shí)時(shí)收到金屬探測結(jié)果，視頻監(jiān)控畫面也在實(shí)時(shí)更新，測試結(jié)果準(zhǔn)確，這里不再一一贅述它們的測試結(jié)果。

圖9 探測1元硬幣性能測試

圖10 探測到1元硬幣時(shí)的手機(jī)界面

5 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)了一種基于STM32 的WiFI控制金屬探測小車系統(tǒng)，LDC1000 傳感器為小車金屬探頭，完成了探測小車的整體設(shè)計(jì)、各部分硬件模塊的設(shè)計(jì)以及軟件程序的編寫與調(diào)試。金屬探測小車系統(tǒng)的測試性能表明，WIFI無線控制靈敏度高，獲取攝像頭的視頻信息清晰、流暢，檢測金屬的準(zhǔn)確度高，探測小車穩(wěn)定性良好、適用性強(qiáng)。該小車系統(tǒng)可以有效的避免危險(xiǎn)場合探測金屬物體的二次傷害，具有一定的推廣價(jià)值和實(shí)際意義。