1、基于无线通信技术的多功能智能小车视频传输系统 精品第X届“挑战杯”广西大学生课外学术科技作品竞赛作品申报书 作品名称：基于无线通信技术的多功能智能小车视频传输系统 学校全称： 广西科技大学 申报者姓名 类别：自然科学类学术论文 哲学社会科学类社会调查报告和学术论文 科技发明制作A类科技发明制作B类摘要随着当今科技的飞快发展，很多企业设施都实现了智能化。运用智能化的机器代替古老的人类体力劳动，这不仅提高了企业的生产效率和效益，更是提高了人类的生活水平，促进了社会的发展步伐。而随着无线通信技术的不断发展，无线通信技术在自动化方面的应用更是越来越广泛，在自动化上可利用无线通信技术来实现数据的无线传输
2、，最终实现远程控制与数据采集等功能。该系统采用NRF24L01 2.4G无线模块作为智能小车的远程控制指令传输器件，对智能小车的远程控制采用JAV-RX2288/JAV-TX6729 2.4G无线AV视频收发模块作为AV视频无线传输的器件，进行远程视频的无线传输。采用AV转USB视频采集模块来将AV信号转换为数字信号传输到上位PC机。运用DHT11模块进行温湿度数据采集。采用C#上位机软件接收视频信息、温湿度信息，实现把采集到的信息在电脑上显示出来，并且可以实现实时对视频的记录存储，使系统具有更好的实用性和应用前景。关键词：单片机、远程控制、无线视频、温湿度传输、C#上位机软件目录摘要 II目
3、录 III1.绪论 11.1本设计的目的、意义、应解决问题和应达到的技术要求 11.2选题背景 21.3无线控制小车搭载无线视频传输、温湿度传输的含义及内容 42.主要应用硬件和应用软件简介 52.1 STC12C5A60S2 52.2 无线视频收/发模块 52.3无线传输模块NRF24L01 62.4 USB视频采集卡 63.系统的总体设计方案 63.1硬件子系统 73.2软件子系统 84.硬件电路设计 94.1远程控制系统设计 94.2无线视频传输系统设计 94.3 供电系统设计 114.4环境监测设计 114.5控制台设计 124.6循迹方案设计 134.7避障方案设计 145.系统软件
4、设计 145.1远程控制系统软件设计 145.2上位机控制软件设计 156.调试和结果分析 166.1上位机软件调试 166.2无线视频传输系统调试 176.3 硬件调试 177.总结 18附录：作品展示 19主要参考文献 201.绪论1.1本设计的目的、意义、应解决问题和应达到的技术要求随着人类社会的不断发展，人们对智能化科技的需求也在不断的提高。以机器劳动替代人类劳动，这是人们一直在构思的问题，也是当今需要解决的问题。本设计作品无线控制小车搭载无线视频传输，其不仅能实现智能行走，还可以实现远程控制，我们可以对其进行远程操作。并且，小车上搭载有无线视频传输系统，我们可以利用其进行远程视频采集
5、。本次我们小组参赛的作品是在NRF24L01、JAV-RX2288/JAV-TX6729无线传输模块技术资料的基础上，设计了一种基于无线通信技术的多功能智能小车视频传输系统。系统分为小车采集端、控制台控制端、电脑控制端。小车控制端负责采集视频、温度、湿度数据，然后发送回控制台，控制台再将数据发送给PC机显示出来。本系统可在高污染、高辐射、严重威胁人身安全的情况下对工厂机房或特定区域进行环境温湿度的数据收集以及对周围事物的实时监视。最终整个设计实现了基于STC12C5A60S2单片机的智能小车远程控制和远程视频采集的功能、循迹功能、避障功能以及环境检测功能。在接通电源后用户只需在电脑上打开上位机
6、软件就可以进行远程视频采集、存储与控制，以及环境温度、湿度的采集。并且通过操作电脑键盘或者控制台就可以远程控制小车的运动，使小车的运动并不局限于黑线上，可以更加灵活的控制小车，可以对指定区域各点进行数据检测。1.2选题背景 在设计每个作品的时候，我们都会先对其进行需求状况、应用前景进行分析。由于本设计的小车涵括了智控、远控、无线可视于一身，所以它的用途非常的广泛。正是由于它的用途广泛，它的市场需求也将非常的广阔，它的应用前景更是非常的好。大致可以分为三个方面来阐述它的需求。1.医院市场：智能小车首现北京地坛医院流感病房，在地坛医院收治甲型H1N1流感患者的隔离病区，一种智能载物车被率先投入使用
7、：一辆辆在规定时间行走在规定路线上的智能小车，把医用垃圾和被污染衣物运走，同时送来洁净的衣物和药品，大大减少了医护人员和工作人员进入隔离区的次数。据了解，这种智能小车每台自重330公斤，可以驮起半吨的货物。它可以自己遥控走廊门、电梯的开闭，自己装卸药品柜。遇到有人挡住去路，它还会请求对方避让。在污染区工作的小车走专用路线，消毒方便，在一定程度上减少了人接触污染源的机率。据了解，地坛医院是全国首家使用这种智能小车的医院如今智能小车的用途越来越广，也将广泛的应用于家庭、医院等各种场合。2.监控市场：由于本小车搭载了无线的视频传输系统，所以它可以作为一个“活”的监控系统。在当今的许多大小型企业、社区
8、、学校等的安全监控中都是使用定点的监控系统，这使得很多地方都不能得到很好的监控，假若要实现全面的监控，就得在各个角落都装上监控系统，在经济上这显得多么的浪费，而在应用上这又显得多么的不灵活。而小车搭载无线视频传输不仅可以实现灵活的全面监控功能，而且还可以为企业、社区、学校等节约开销。假若对其车型扩大化，他将可变成一个机器“保安员”，我们可以控制其在企业园区、社区、校园等范围内进行日夜的监控，让它起到保卫人民的生命财产与人身生命安全作用。显然，这活的监控系统的运用，将会为人们生活带来很多的便利，这也将使它更加的为人们喜爱，市场需求必将增大。3.探险市场：在探险方面，由于我们对未知空间的探索和侦察
9、工作会存在一定的危险性，如果通过我们人类亲身去探索，那将可能造成不必要的损失，有时甚至危机到生命的安全问题，则我们可以通过无线小车的远程操作，对路况进行实时的探测和危险的评估，让其充当着一个打前锋“侦察兵”的角色！让人们在未知领域的探索和研究中，可以把成本和危险降至最低。而且小车搭载的无线视频传输，不仅可以实时地采集图像信息，而且还可以在接收端存储起来，这使得探索的数据采集显得更为详细和方便。这样用低成本的科技工具处理大事情，这不仅显得效率高，而且还可以为人们免去不必要的损失。同时，机器人比赛是近几年在国际上迅速开展起来的一项高科技活动，例如“飞斯尔”杯全国大学生智能车赛、全国大学生电子设计大
10、赛等、智能小车是其中很重要的一个项目。虽然历史不长，但由于智能小车实用有趣、贴近生活、易于上手、集高新科技技术、娱乐、比赛与一体，让越来越多的电子爱好者对智能小车的设计有了很深的兴趣，同时引起了众多学者的广泛关注。 总的来说，无线控制小车搭载无线视频传输功能用途非常的广泛以及它的设计成本低而实用，使得它需求状况显得非常的好。随着科技的进步，人类很多东西都已经向着智能化这一步走，用机器人劳动替代人类的体力劳动，这是科学家们很早就提出来的假想，这样的智能化发展，这将大大的提高了人类的经济效益，加大了人类社会的发展步伐。特别是机器人“保安员”这一方向的发展，更是体现了人类社会智能化这一特色。而且它的
11、用途不仅仅是以上几种，其用途还有很多。又随着当今科技的不断发展，此设计也将不断的跟随科技的进步而不断的完善，使它的功能更加强大，给人们的生活带来更多的好处，使之成为深受人们喜爱的科技“宠物”。1.3无线控制小车搭载无线视频传输、温湿度传输的含义及内容无线控制小车搭载无线视频传输，这笼统的说它就是一辆涵括智控、远控、无线可视于一身的小车。智控指小车可以沿着人为的固定轨道上智能寻迹行走，远控指可以无线远程控制小车的行走方向，无线可视指可以无线远程采集小车运行过程中的图像视频。无线控制小车搭载视频与一般的智能小车和监控系统不同的是，它不仅可以实现智能化，而且还可以远程控制，在出现智能差错的时候只需通
12、过电脑按键远程控制来调制小车的运动，以免因智能部分出现差错而造成不必要的损失。并且在这基础上小车搭载了无线视频传输，可以实现小车的远程监视，智能小车结合无线远程监控，这就成为了“活的”监控系统，这也是它与一般的监控系统所不同之处。本设计的内容主要分为三部分：一、智能小车部分小车安装寻迹模块，实现小车的智能寻迹行走功能，安装避障模块，实现智能避障功能。同时通过DHT11模块，采集各点的温湿度数据；二、远程控制系统小车通过NRF24L01模块集合上位机软件或控制台实现小车的远程控制功能；无线传输系统小车通过搭载摄像头和无线视频传输系统实现图像视频的无线传输功能，搭载温湿度传感器和NRF24L01无
13、线通信模块实现温湿度的远程传输功能。2.主要应用硬件和应用软件简介 2.1 STC12C5A60S2STC12c5a60s2是一个增强型的51系列单片机。由于芯片内部自带的AD转换，而小车在循迹过程中使用TCRT5000光电对管，需要对检测到的电压进行采样，然后根据路面黑线与白线的电压值的差异进行循迹，这样简化了硬件的设计。同时芯片内置PWM，我们可以能更准确调节小车的速度，同时节约了芯片定时器资源。综上所述，我们选择其作为我们小车的主控芯片。 图2.1 STC12c5a60s2引脚图2.2 无线视频收/发模块 JAV-RX2288: RX2288是工作在2414-2468MHz ISM频段内
14、的FM视频接收解调模块。模块采用单芯片设计，该芯片集成了VCO、PLL、宽带FM视频解调，使模块体积小功耗低灵敏度高等特点；采取贴片或是插件封装形式，本模块的应用只需简单连接电源，视频线，接上天线就可接收图像信号。 JAV-TX6729：TX6729是工作在2414-2468MHz ISM频段内的FM视频发射解调模块。模块采用单芯片设计，该芯片集成了VCO、PLL、宽带FM视频解调、FM伴音解调，使模块体积小功耗低灵敏度高等特点；采取贴片或是插件封装形式，本模块的应用只需简单连接电源，单/双音频线，视频线，接上天线就可接收音乐、图像信号。2.3无线传输模块NRF24L01 nRF24L01是一
15、款新型单片射频收发器件,工作于2.4 GHz2.5 GHz ISM频段。nRF24L01功耗低,在以-6dBm的功率发射时，工作电流也只有9mA;接收时，工作电流只有12.3 mA，多种低功率工作模式使节能设便。 图2.2 nRF24L01封装图 2.4 USB视频采集卡USB视频采集卡是数据采集卡采集数据后输入电脑设备的接口是USB接口。广泛应用于安防、医疗、生产、运输、商业、金融等领域。 3.系统的总体设计方案利用NRF24L01、JAV-RX2288/JAV-TX6729无线传输模块实现智能小车的远程控制和无线视频传输。最终要的问题是实现数据的无线传输方面，无线传输模块品种多样，而且传输
16、方式有模拟信号传输和数字信号传输两种，通过对设计的实用性、结构设计、成本等方面的分析，作出了一个实用性好、结构简单、功能实现简单、成本低的设计方案作为本设计的设计方案。3.1硬件子系统本设计的硬件组成部分大致可以分为两个部分远程控制系统和无线传输系统。其硬件结构主要由NRF24L01 2.4G无线模块、JAV-RX2288/JAV-TX6729无线视频收发模块、STC12c5a60s2单片机控制芯片模块、AV转USB视频采集模块、AV摄像头、电机驱动模块、温湿度传输模块、循迹模块、避障模块、控制台模块、PC机控制模块组成。系统结构图如图3.1所示（a图为远程控制系统结构图，b图为无线视频传输系
17、统结构图）：a图 远程控制系统结构图b图 无线视频传输系统结构图图3.1 系统结构图远程控制系统是通过NRF24L01收发模块结合单片机来进行远程控制电机的转动，实现远控功能。3.2软件子系统选择好硬件方案之后，接下来就是根据系统的要求设计软件。主要分为两个部分：第一部分是远程控制接收端程序，流程图如图3.2所示。图3.2 远程控制接收端流程 系统通过NRF24L01接收发送端NRF24L01发送来的指令码，然后由NRF24L01传送到单片机，控制电机模块来控制小车的走向。第二部分是远程控制发送端程序。其流程图如图3.3所示。图3.3 远程控制发射端流程图系统通过单片机扫描遥控键盘模块的按键，
18、如有按键按下，则給按键进行相应的编码和设置要发送的指令接收端的地址，然后传送到NRF24L01上发射出去。4.硬件电路设计4.1远程控制系统设计功能：远程控制系统可分为接收部分和发射部分，也就是被控制部分与控制部分，此部分用到的无线通信模块是NRF24L01模块，其结合单片机最小系统和相关程序设计而成的远程控制系统可以实现远程控制、遥控等功能。远程控制系统工作原理：远程控制系统的接收部分工作原理该部分利用NRF24L01收发模块作为接收端的通信模块，NRF24L01模块接收发射端发送过来的指令，进而结合单片机运行程序进行数据处理，也就是解码。解码后再根据解出来的数据信息由单片机进行相关的控制，
19、远程控制系统发射部分的工作原理该部分同样是利用跟接收端一样的通信模块NRF24L01来进行与接收端通信。键盘按键通过编程，能控制小车前进、左转、右转和后退，单片机通过检测键盘按键那个被按下，然后根据该按键代表的意思进行编码，然后通过NRF24L01向接收端发送指令。4.2无线视频传输系统设计 功能：无线视频传输系统可分为视频接收和视频发射两部分，该系统的接收部分主要由JAV-RX2288 AV视频信号无线接收模块、AV转USB视频采集模块和电脑监控系统组成，而发射部分主要由AV模拟信号输出摄像头、JAV-TX6729 AV视频信号无线发射模块组成。整个无线视频传输系统的功能是实现图像视频的无线
20、传输，可用于无线监控，无线车载探险，智能巡逻等方面。组成部分：无线视频传输系统由以下部分主要组成：1 JAV-RX2288 视频接收模块，RX2288是工作在2414-2468MHz ISM频段内的FM视频接收解调模块。其实物图如图4.6所示。 图4.6 JAV-RX2288 2 JAV-TX6729，TX6729视频发射模块，其实物图如图4.7所示。图4.7 JAV-TX6729 拨码开关 ，拨码开关主要用于频率的选择，可以提高抗干扰能力，可选择4组频率。 摄像头系统用到的摄像头为模拟信号输出摄像头，其实物图如图4.8所示。 图4.8 OV7949 CMOS 模拟摄像头 USB视频采集卡，它
21、支持外部视频输入实时MPEG-1/2/4影音压缩。即插即用、无须关机、既可安装。其实物图如图4.9所示。图4.9 USB视频采集卡4.3 供电系统设计1功能：供电系统的功能主要是为用电设备提供电源。在本设计由于各个的电子元件对电压的限值都不一样。图4.10是12V转5V、5V转3.3V的供电系统的电路原理图。图4.10 12V转5V、5V转3.3V的供电系统的电路原理图4.4环境监测设计DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，它可以同时监测湿度和温度，应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性和卓越的长期稳定性。 图4.11 MCU与
22、DTH11连接图4.5控制台设计控制台集合有下载串口，NRF2401模块，无线视频接收模块，12864液晶以及控制按键共同组成远程控制台，实现人与智能小车的互动。通过RS232串口线使控制台与电脑上的上位机相连，上位机或控制台的按键产生控制指令，并通过NRF2401无线发送模块把产生的指令发送给远处的小车以控制小车的行走模式。同时控制台的无线视频接收模块接收从远处传回的视频信息，实时监控小车现场。液晶显示小车的功能模式和控制指令。通过控制台控制远程小车，简便易实现，及使人不在现场也能通过小车传回的视频信息很好的控制小车。 图4.12 主控制台功能模式简介 (1)控制模式控制小车的运动状态，例如
23、前进、后退、左转、右转和停止。 (2)调速模式 调节小车两轮子的占空比，以达到调节小车速度的目的。(3)循迹模式小车通过红外对管寻找跑道上的黑线并按既定的黑线前进，并根据自身的传感器从而发出指令控制运动状态和运动方向。(4)避障模式 小车根据前头的光电对管传感器判断前方是否有障碍物存在，如果有障碍物，小车停止前进并后退，后退时间由软件延时实现 。 (5)采集模式小车把自带的温湿度传感器所采集的温度和湿度数据通过NRF2401无线模块发送给主控制台，实时实现对周围环境的监测。(6)视频模式 控制台上的无线视频接收模块接收小车传回的现场视频信息。(7)自由模式 小车将根据自身的传感器自由行走，摆脱
24、人为控制。4.6循迹方案设计TCRT5000光电对管，光电红外接收管对黑线与白线的反射，会产生不同的电压电压值。单片机通过对端口电压的差异判别黑线与白线进行循迹。 图4.13 TCRT50004.7避障方案设计光电对管是通过集聚光线来控制光敏三极管的导通与截止。 图4.14 光电对管5.系统软件设计5.1远程控制系统软件设计系统软件设计主要是远程控制中的接收和发射部分程序的设计。在发射部分里，主要的程序设计思路是先对NRF24L01模块初始化，然后通过查询方法来查询是否有方向键盘按钮按下，如果有按钮按下，则给按钮进行相应的编码并控制相应的信号指示灯亮灭，然后把对应的编码赋给发送缓存区TxBuf
25、，最后由NRF24L01发送出去，其程序设计流程图如图5.1。图5.1 发射端程序流程图在接收端，主要的软件设计思路同样是先对NRF24L01系统初始化，然后监听NRF24L01是否有数据接收。若有，则把接收到的数据存放到接收数据缓存区RxBuf里，然后对接收到的信息解码，再根据解码后的信息来控制电机驱动模块。若没有，则执行智能行走子程序。其总流程图如图5.2所示。图5.2 远程控制接收端程序流程图5.2上位机控制软件设计 C#是一种安全的、稳定的、简单的、优雅的，由C和C+衍生出来的面向对象的编程语言。C#是面向对象的编程语言。它使得程序员可以快速地编写各种基于MICROSOFT .NET平
26、台的应用程序，MICROSOFT .NET提供了一系列的工具和服务来最大程度地开发利用计算与通讯领域。我们采用C#来编写上位机控制软件。图5.5上位机界面6.调试和结果分析6.1上位机软件调试 首先将控制台与电脑通过串口连接，同时视频采集卡也与电脑连接。启动上位机软件，串口通信成功后，则上位机可以通过键盘方便自如的控制小车的运动、控制小车的车速。让小车在固定轨迹进行巡检功能。如果在循迹过程中，遇到障碍物，小车会自动进入避障模式，进行避障。 图6.1上位机小车调试 当接收到采集指令时，小车可将现场环境的温湿度数据传输回PC控制端。如图6.2所示图 图6.2上位机温湿度采集调试6.2无线视频传输系
27、统调试 在监控端显示小车搭载的摄像头采集回来的图像，如图6.3所示。可以通过上位机控制小车抬头或则低头来采集不同高度的视频。图6.3 无线视频传输系统调试6.3 硬件调试 小车接收到采集指令后，将数据传送回控制台，并显示在控制台12864液晶上。如图6.4所示 图6.4 控制台温湿度采集调试在小车远程控制系统的调试中，把小车放到和黑线轨迹上时，通过控制台发射指令进行黑线循迹。如图6.5所示 图6.5 小车循迹模式调试7.总结本次设计是基于无线传感/控制网络的智能小车的通信模块。该通信作为一个独立的无线传感器网络微型节点。无线传感器微型节点是一次性的，要求节点成本低廉和工作时间尽可能长。无线通信
28、方式实现了有线通信很多不能实现的功能，从某种程度上降低了有线通信所需的成本，并提高了劳动生产率，是工业现代化发展的方向。将无线通信技术用于引导小车，使小车的行动路径更加灵活，控制更加方便，提高了智能小车的性能。而无线控制小车不仅在工业上能得到广泛的应用，在生活、科研、智能监控、和探险方面等也占有一席之地！希望这小小的创意能为大家带来方便。附录：作品展示参考文献1 王秋爽等编著. 单片机开发基础与经典设计实例. 北京：机械工业出版社，2008.12谭浩强编著.C程序设计（第三版）.北京：清华大学出版社，20053孙学康，石方文，刘勇编著.多媒体通信技术.北京：北京邮电大学出版社，20064李朝青编著.单片机原理及接口技术（第3版）. 北京：北京航空航天大学出版社，20055刘广瑞编著.机器人创新制作.西安：西北工业大学出版社，2007.26唐志宏，韩振振主编.数字电路逻辑设计.大连：大连理工大学出版社，2002.47李叶紫.MCS-51单片机应用教程.北京：清华大学出版社，2004.38康华光.电子技术基础.北京：高等教育出版社，2006.19NRF24L01使用说明文档
