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導(dǎo)讀 本設(shè)計(jì)主要研究基于WIFI網(wǎng)絡(luò)的可視化無(wú)線遙控搬運(yùn)機(jī)器人，利用WIFI網(wǎng)絡(luò)高速傳輸實(shí)時(shí)視頻圖像采集，通過(guò)機(jī)器人安裝的傳感器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。采用WIFI網(wǎng)絡(luò)通訊使得控制端多樣化，可用手機(jī)，電腦等具備WIFI功能的設(shè)備進(jìn)行控制。此外，還可將機(jī)器人接入Internet實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)距離的控制。本設(shè)計(jì)在S3C6410平臺(tái)上移植了Linux操作系統(tǒng)用于接收命令并對(duì)硬件設(shè)備進(jìn)行控制，其中移植了MJPGstreamer作為視頻服務(wù)器，移植了BOA服務(wù)器作為WEB服務(wù)器。本文將從硬件設(shè)計(jì)，驅(qū)動(dòng)程序編寫，服務(wù)器移植，服務(wù)程序編寫，Android應(yīng)用程序編寫，Web應(yīng)用程序編寫等方面來(lái)講述本設(shè)計(jì)的功能實(shí)現(xiàn)。 功能框圖 總體設(shè)計(jì)及硬件選型和電路部分：可視化WIFI遙控搬運(yùn)機(jī)器人(1)：硬件部分 3 服務(wù)器搭建 3.1 服務(wù)器端功能框圖 圖3-1 服務(wù)器端功能框圖 3.2 Linux系統(tǒng)移植 核心板采用友善之臂公司提供的TINY6410，此核心板已提供Bootloader，Linux系統(tǒng),文件系統(tǒng)。使用時(shí)只需要根據(jù)實(shí)際的需要裁減Linux系統(tǒng)即可，本設(shè)計(jì)采用的Linux內(nèi)核版本為L(zhǎng)inux2.6.38，編譯平臺(tái)為Ubuntu12.04,交叉編譯器為arm-linux-gcc-4.5.1。 3.3 驅(qū)動(dòng)編寫與移植 3.3.1 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng) 由于S3C6410只帶有2路PWM輸出，而夾持器部分需要兩路PWM脈寬調(diào)制控制伺服舵機(jī)，因此直流電機(jī)部分采用定時(shí)器2來(lái)模擬PWM調(diào)制。設(shè)置定時(shí)器2每100ms進(jìn)一次中斷，在定時(shí)器中進(jìn)行1~100計(jì)數(shù)，因此PWM周期為10S，并有100個(gè)脈寬比可調(diào)，滿足直流電機(jī)調(diào)速控制。 3.3.2 伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng) 伺服電機(jī)需要采用脈寬調(diào)制，通過(guò)調(diào)節(jié)20ms周期內(nèi)的占空比可以指定伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度，其對(duì)應(yīng)關(guān)系如下表： 表3-1 伺服電機(jī)占空比與旋轉(zhuǎn)角度的對(duì)應(yīng)關(guān)系 由于舵機(jī)的控制要求較高，本設(shè)計(jì)采用S3C6410自帶的PWM進(jìn)行控制.。設(shè)置PWM0和PWM1的周期為20ms，通過(guò)調(diào)節(jié)PWM0和PWM1的占空比來(lái)控制伺服電機(jī)進(jìn)行工作。 3.3.3 攝像頭驅(qū)動(dòng) ZC301為免驅(qū)的UVC視頻設(shè)備，為了實(shí)現(xiàn)視頻的采集需要在編譯內(nèi)核時(shí)選擇上V4L2支持。 3.3.4 USB WIFI 驅(qū)動(dòng) 本設(shè)計(jì)中采用的這款USB無(wú)線網(wǎng)卡采用RTL8188芯片，為使該設(shè)備能夠正常工作需要進(jìn)行驅(qū)動(dòng)程序移植。 ①?gòu)腞TL官網(wǎng)獲得RTL8188的最新驅(qū)動(dòng)程序，本文采用的是RTL819xSU_usb_linux_v2.6.6.0.20120405.tar.gz。 ②在Ubuntu中利用命令tar -zxvf 將驅(qū)動(dòng)包解壓。 ③進(jìn)入驅(qū)動(dòng)目錄并修改Makefile ④由于驅(qū)動(dòng)默認(rèn)移植平臺(tái)是I386_PC，而我們需要將其移植到S3C平臺(tái)上，故需要做如下修改： 說(shuō)明目標(biāo)平臺(tái)： 將：CONFIG_PLATFORM_I386_PC = y 改為：CONFIG_PLATFORM_I386_PC = n 將：CONFIG_PLATFORM_ARM_S3C = n 改為：CONFIG_PLATFORM_ARM_S3C = y 指定交叉編譯器以及內(nèi)核路徑信息： ifeq ($(CONFIG_PLATFORM_ARM_S3C), y) EXTRA_CFLAGS += -DCONFIG_LITTLE_ENDIAN ARCH := arm CROSS_COMPILE := /opt/FriendlyARM/toolschain/4.5.1/bin/arm-linux- KVER := 2.6.48_$(ARCH) KSRC := /root/tiny6410/linux-2.6.38 Endif ⑤執(zhí)行Make命令得到8712u.ko即為所需驅(qū)動(dòng)，將該文件移動(dòng)到目標(biāo)平臺(tái)加載即完成了USB WIFI驅(qū)動(dòng)程序的移植。 3.3.5 ADC驅(qū)動(dòng) 電源電量以及FSR壓力傳感器數(shù)據(jù)測(cè)量需要ADC驅(qū)動(dòng)的支持。由于系統(tǒng)中已含有該驅(qū)動(dòng)，故只需要在編譯內(nèi)核時(shí)選擇上即可。 3.4 AP熱點(diǎn)搭建 3.4.1 AP熱點(diǎn)簡(jiǎn)介 AP是(Wireless) Access Point的縮寫，即(無(wú)線)訪問(wèn)接入點(diǎn)。無(wú)線設(shè)備可以通過(guò)它來(lái)接入到無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。RTL8188支持AP熱點(diǎn)模式，采用這種方式可以讓機(jī)器人成為AP熱點(diǎn)，然后用帶WIFI功能的設(shè)備來(lái)進(jìn)行連接。 3.4.2 Hostapd簡(jiǎn)介 Hostapd即Host Access Point，其是Linux系統(tǒng)中無(wú)線訪問(wèn)接入點(diǎn)的守護(hù)進(jìn)程。它可以將無(wú)線網(wǎng)卡設(shè)置為AP模式，并且支持多種加密方式，提供了設(shè)備接入的身份驗(yàn)證。在實(shí)際的使用期間，我們需要對(duì)其配置文件進(jìn)行相應(yīng)的修改。本設(shè)計(jì)中采用Hostapd來(lái)結(jié)合RTL8188網(wǎng)卡完成AP熱點(diǎn)的搭建。 3.4.3 DHCP簡(jiǎn)介 DHCP(Dynamic Host Configuration Protocol)是一種動(dòng)態(tài)主機(jī)配置協(xié)議。它主要采用UDP協(xié)議來(lái)為接入到網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備分配IP地址以及進(jìn)行一些參數(shù)配置。本設(shè)計(jì)中通過(guò)配置其配置文件并啟用該服務(wù)來(lái)為接入機(jī)器人的WIFI設(shè)備分配IP地址，有效的避免了多個(gè)設(shè)備接入時(shí)的地址沖突問(wèn)題。 3.4.4 Hostapd移植 ①下載最新版的Hostapd源碼，本文使用的是Hostapd-2.0。 ②將hostapd-2.0.tar.gz進(jìn)行解壓，并進(jìn)入到hostapd目錄 ③對(duì)目錄下的.config做如下修改： 注釋掉： CONFIG_DRIVER_HOSTAP=y CONFIG_DRIVER_WIRED=y CONFIG_DRIVER_MADWIFI=y 取消下面這項(xiàng)的注釋： CONFIG_DRIVER_NL80211=y ④修改Makefile 指定交叉編譯器： CC=arm-linux-gcc ⑤執(zhí)行Make命令，編譯得到hostapd及hostapd_cli ⑥將編譯得到的可執(zhí)行文件復(fù)制到目標(biāo)平臺(tái)，即完成了Hostapd的移植 ⑦按需要更改hostapd.config文件，本設(shè)計(jì)關(guān)鍵部分配置如下： interface=wlan0 ctrl_interface=/var/run/hostapd ssid=CarControl channel=6 wpa=2 wpa_passphrase=12345678 ... driver=rtl871xdrv beacon_int=100 hw_mode=g ieee80211n=1 wme_enabled=1 ht_capab=[SHORT-GI-20][SHORT-GI-40] wpa_key_mgmt=WPA-PSK wpa_pairwise=CCMP max_num_sta=8 wpa_group_rekey=86400 ⑧hostapd -B hostapd.config 啟動(dòng)Hostapd服務(wù) 3.4.5 DHCP移植 Linux2.6.38內(nèi)核中已含有DHCP支持，使用DHCP只需要修改DHCP配置文件udhcpd.conf，其中最關(guān)鍵部分如下： # The start and end of the IP lease block start 192.168.2.2 end 192.168.2.30 即修改了自動(dòng)分配IP地址的范圍，由于采用局域網(wǎng)，需要將IP地址設(shè)置為同一網(wǎng)段，機(jī)器人采用的IP地址為192.168.2.1，因此將IP地址分配范圍作如上設(shè)置。啟動(dòng)hostapd后需要執(zhí)行udhcpd命令啟動(dòng)DHCP服務(wù)，從而當(dāng)WIFI設(shè)備接入機(jī)器人時(shí)能自動(dòng)獲取到IP地址。 3.5 視頻服務(wù)器搭建 3.5.1 V4L2簡(jiǎn)介 V4L2（即Video for linux 2）是Linux 內(nèi)核中針對(duì)UVC免驅(qū)視頻設(shè)備的編程框架，它提供了一系列通用的接口來(lái)實(shí)現(xiàn)Linux中對(duì)視頻設(shè)備的訪問(wèn)，其編程模式如下： 圖 3-2 V4L2編程模式 Linux2.6.38內(nèi)核中自帶了該驅(qū)動(dòng)，在使用時(shí)只需要在編譯內(nèi)核時(shí)將V4L2選項(xiàng)勾選上即可。 3.5.2 LIBJPEG簡(jiǎn)介 Libjpeg是一個(gè)包含了JPEG圖像的編碼，解碼等功能的開(kāi)源庫(kù)，其完全采用C語(yǔ)言來(lái)進(jìn)行編寫。 3.5.3 Mjpgstreamer簡(jiǎn)介 MJPGstreamer是主要運(yùn)行在Linux系統(tǒng)上的一款運(yùn)用多線程技術(shù)的輕量級(jí)視頻服務(wù)器軟件。它是一款采用C語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā)的開(kāi)源軟件，其代碼簡(jiǎn)潔，注釋清晰，組件功能明確，銜接清晰，可以移植到不同的計(jì)算機(jī)平臺(tái)。整個(gè)程序主要以模塊化的方法來(lái)進(jìn)行構(gòu)建，每個(gè)功能模塊又被稱為組件（plug-in），用戶可以根據(jù)自己的需要來(lái)選擇輸入組件和輸出組件。它可以實(shí)現(xiàn)從一個(gè)單一的輸入組件獲取到圖像數(shù)據(jù)來(lái)通過(guò)多個(gè)輸出組件將圖像進(jìn)行輸出[ ]。下圖為Mjpgstreamer的組件： 圖 3-3 MJPG-streamer組件 本設(shè)計(jì)選用input_uvc作為輸入組件來(lái)使用V4L2從攝像頭獲取圖像數(shù)據(jù)，經(jīng)JPEG庫(kù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼之后，通過(guò)選用output_http作為輸出組件來(lái)輸出圖像數(shù)據(jù)。output_http組件實(shí)現(xiàn)了一個(gè)符合HTTP1.0標(biāo)準(zhǔn)的web服務(wù)器，用戶可以使用HTTP協(xié)議獲取視頻信息。 3.5.4 libjpeg移植 移植libjpeg庫(kù)主要是用于Mjpgstreamer采集數(shù)據(jù)時(shí)壓縮編碼，移植步驟如下： ①下載libjpeg源碼，本文采用jpeg-9a。 ②將jpeg-9a.tar.gz解壓，并進(jìn)入源碼根目錄。 ③執(zhí)行如下命令配置編譯，生成編譯時(shí)所需要的Makefile文件。 ./configure --prefix=/root/h264/app/jpeg --exec-prefix=/root/h264/app/jpeg --enable-shared --enable-static 命令中prefix是最后安裝時(shí)庫(kù)存放的目錄，shared是編譯成動(dòng)態(tài)庫(kù)，static是編譯成靜態(tài)庫(kù)。 ④修改Makefile文件，指定編譯時(shí)所需要的交叉編譯工具和環(huán)境： CC = arm-linux-gcc -std=gnu99 AR = arm-linux-ar CPP = arm-linux-gcc -std=gnu99 -E ⑤執(zhí)行make命令編譯代碼 ⑥執(zhí)行make install命令產(chǎn)生libjpeg庫(kù)，存放于/root/h264/app/jpeg目錄下。 ⑦將libjpeg庫(kù)移動(dòng)到目標(biāo)平臺(tái)，完成libjpeg移植。 3.5.5 Mjpgstreamer移植 MJPGstreamer作為本設(shè)計(jì)中的視頻采集服務(wù)器，其移植過(guò)程如下： ①下載Mjpgstreamer源代碼，本設(shè)計(jì)采用mjpg-streamer-r63.tar.gz。 ②解壓mjpg-streamer-r63.tar.gz，并進(jìn)入代碼根目錄。 ③修改plugins/input_uvc/Makefile： 指定交叉編譯器： CC = arm-linux-gcc 指定libjpeg庫(kù)： input_uvc.so: $(OTHER_HEADERS) input_uvc.c v4l2uvc.lo jpeg_utils.lo dynctrl.lo $(CC) $(CFLAGS) -ljpeg -L/root/h264/app/jpeglib/lib -o $@ input_uvc.c v4l2uvc.lo jpeg_utils.lo dynctrl.lo ④修改主目錄以及plugins目錄下所有子目錄的Makefile，指定交叉編譯器： CC = arm-linux-gcc ⑤執(zhí)行make命令，生成可執(zhí)行文件mjpg_streamer。 ⑥將源碼目錄中的start.sh和目錄www拷貝到目標(biāo)平臺(tái)完成Mjpgsteramer移植。 ⑦執(zhí)行如下命令可啟用Mjpgstreamer服務(wù)： ./mjpg_streamer -i "./input_uvc.so -r 320x240 -f 25 " -o "./output_http.so -w www" 命令中指定輸入組件為input_uvc，并且配置采集分辨率為320*240，幀數(shù)為25fps。指定輸入組件為output_http，并且http服務(wù)器目錄為www。 3.6 BOA服務(wù)器搭建 3.6.1 BOA服務(wù)器簡(jiǎn)介 由于Mjpgstreamer服務(wù)器只能傳輸視頻信息，而本設(shè)計(jì)需要接收客戶端的控制命令并且得返回機(jī)器人的傳感器數(shù)據(jù)。因此得移植支持CGI應(yīng)用腳本的服務(wù)器。BOA服務(wù)器是一個(gè)可運(yùn)行在unix或linux下的非常小巧的單任務(wù)Web服務(wù)器，并且支持CGI腳本，廣泛應(yīng)用于嵌入式領(lǐng)域[ ]。本設(shè)計(jì)通過(guò)編寫CGI腳本來(lái)完成服務(wù)器與客戶端的數(shù)據(jù)交換。 3.6.2 BOA服務(wù)器移植 BOA服務(wù)器的移植需要以下步驟： ①下載BOA服務(wù)器源碼，本文采用boa-0.94.13.tar.gz。 ②解壓boa-0.94.13.tar.gz，并進(jìn)入到源碼根目錄。 ③執(zhí)行命令./configure生成Makefile文件。 ④修改Makefile文件，指定編譯時(shí)所需要的交叉編譯器： CC=gcc改成CC = arm-linux-gcc CPP = gcc –E改成CPP = arm-linux-gcc –E ⑤執(zhí)行make命令生成boa可自行文件 ⑥將boa以及boa.conf移動(dòng)到目標(biāo)平臺(tái)，即可完成BOA服務(wù)器移植。 ⑦為了適應(yīng)本設(shè)計(jì)的需求，得修改boa.conf文件來(lái)配置boa服務(wù)器。本設(shè)計(jì)作出如下修改： Port 80 User root Group root ErrorLog /dev/console AccessLog /dev/null ServerName CarControl DocumentRoot /www DirectoryIndex index.html KeepAliveMax 1000 KeepAliveTimeout 10 MimeTypes /etc/mime.types DefaultType text/plain CGIPath /bin AddType application/x-httpd-cgi cgi 此配置設(shè)置了服務(wù)器的端口號(hào)，權(quán)限，服務(wù)器目錄連接數(shù)等參數(shù)。 3.7 服務(wù)器端程序設(shè)計(jì) 3.7.1 CGI腳本簡(jiǎn)介 CGI即公共網(wǎng)關(guān)接口（Common GatewayInterface）它是一種WWW技術(shù)。CGI實(shí)質(zhì)是運(yùn)行在WEB服務(wù)器上面為客戶端HTML頁(yè)面提供接口的一個(gè)腳本程序。它可以通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)輸入（STDIN）來(lái)從WEB服務(wù)器獲得數(shù)據(jù)，經(jīng)處理之后可以通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)輸出（STDOUT）來(lái)將數(shù)據(jù)返回給WEB服務(wù)器，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)客戶端數(shù)據(jù)的接收處理。本設(shè)計(jì)采用這種方式實(shí)現(xiàn)機(jī)器人控制命令的接收，以及返回機(jī)器人傳感器數(shù)據(jù)信息。CGI程序應(yīng)用原理如下圖所示： 圖 3-4 CGI程序應(yīng)用原理 3.7.2 命名管道簡(jiǎn)介 命名管道是一種實(shí)現(xiàn)無(wú)關(guān)進(jìn)程間通信的通信機(jī)制(IPC)。其本質(zhì)上為一個(gè)文件，因此通訊更加穩(wěn)定。命名管道遵循與先進(jìn)先出原則，并且是半雙工的，數(shù)據(jù)只能單向傳輸，若要實(shí)現(xiàn)雙向傳輸就得使用兩個(gè)管道。命名管道含有讀端和寫端，并且支持阻塞讀。本設(shè)計(jì)中利用命名管道的特性，可以實(shí)現(xiàn)CGI程序與命令服務(wù)程序之間的數(shù)據(jù)交換。 3.7.3 控制命令設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)控制命令簡(jiǎn)單，因此客戶端與服務(wù)器間數(shù)據(jù)通訊主要采用HTTP GET方法，服務(wù)器CGI應(yīng)用程序可以在環(huán)境變量QUERY_STRING中獲取字符串形式的控制命令。本設(shè)計(jì)中采用“標(biāo)志+參數(shù)”的方式設(shè)置控制命令，單個(gè)命令字的總長(zhǎng)度為5字節(jié)，具體如下： 直流電機(jī)控制指令： L0000~0200 R0000~0200 其中L,R分別代表左和右，將此命令參數(shù)減去100，負(fù)數(shù)為后退，0為停止，正數(shù)為前進(jìn)。其絕對(duì)值越大速度越快。 伺服電機(jī)控制命令： C0250~1250 S0250~1250 其中C,S分別代表夾持和旋轉(zhuǎn)命令，參數(shù)250~1250代表脈沖寬度用以調(diào)整伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)位置（0°~180°）。 獲取電量命令： POWER 當(dāng)CGI接收到此命令時(shí)將會(huì)把電源的電壓值返回給客戶端。 數(shù)據(jù)返回格式如下： POW:0~1023 PRE:0~1023 其中POW,PRE分別代表電量，壓力，參數(shù)0~1023為從ADC中采集到的數(shù)據(jù)。 3.7.4 CGI程序流程圖 CGI程序主要負(fù)責(zé)從客戶端獲得命令字然后通過(guò)命名管道將控制命令發(fā)送給服務(wù)程序進(jìn)行處理，并且調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序讀取機(jī)器人傳感器數(shù)據(jù)信息返回給客戶端。CGI程序流程圖如下： 圖 3-5 CGI程序流程圖 如圖3-5所示，本設(shè)計(jì)的CGI腳步先判斷客戶端的命令是否為索取電壓值得命令，如果是的話就讀取電源電壓數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)返回，否則就將命令字寫入到命名管道供服務(wù)程序來(lái)進(jìn)行讀取，并且讀取壓力傳感器的數(shù)據(jù)將其返回給客戶端。 3.7.5 CGI程序編寫 CGI腳本的部分代碼如下： int main() { ... buff = getenv("QUERY_STRING");//獲得指令 sscanf(buff, "%s", cmd); ... /*讀取電壓值，并返回給客戶端*/ if(strcmp(cmd,"POWER")==0) {adc_fd=open("/dev/adc",0);//打開(kāi)ADC驅(qū)動(dòng) if(adc_fd 0) {adc[len] = '\0'; fprintf(stdout, "POW:%s",adc);//將電壓值返回 } } close(adc_fd); } } else { cmd_fd=open(FIFO_CMD,O_WRONLY|O_NONBLOCK,0);//與服務(wù)程序通過(guò)命名管道通訊 /* 向管道寫入數(shù)據(jù) */ if((nwrite=write(cmd_fd,cmd,11))==-1) fprintf(stdout, "write cmd faile\n"); close(cmd_fd); /*讀取壓力值，并返回給客戶端*/ adc_fd=open("/dev/adc",0);//打開(kāi)ADC驅(qū)動(dòng) if(adc_fd 0) { adc[len] = '\0'; fprintf(stdout, "PRE:%s",adc);//返回壓力值 } } close(adc_fd); } } return 0; } 3.7.6 服務(wù)程序流程圖 服務(wù)程序主要完成機(jī)器人初始化，讀取電量值并將電量值通過(guò)LED來(lái)進(jìn)行提示，讀取命名管道獲得命令字并將其解析執(zhí)行。主要的流程圖如下： 圖 3-6 服務(wù)程序流程圖 如圖3-6所示，本設(shè)計(jì)中的服務(wù)程序采用多進(jìn)程程序設(shè)計(jì)方式，其子進(jìn)程每60S采集一次電源電量信息并更新電量指示燈顯示，主進(jìn)程采用阻塞讀的方式讀取命名管道來(lái)等待客戶端發(fā)送命令，獲得命令之后對(duì)命令進(jìn)行解析并調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序來(lái)執(zhí)行相應(yīng)的命令，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的控制。 3.7.7 服務(wù)程序編寫 服務(wù)程序部分代碼如下： /* 創(chuàng)建子進(jìn)程，用于每60S獲取電源電壓值 */ if(fork()==0) { while(1) { if(ioctl(adc_fd,ADC_SET_CHANNEL,0) 0) { buffer[len-1] = '\0'; printf("POW VALUE:%s\n",buffer); getpower=(float)StrToInt(buffer); getpower=9.9*getpower/1024.0; if(power==0) power=getpower; if(getpower8.1)//根據(jù)電量來(lái)用LED顯示 Show(5); ... } } sleep(60);//1min } } /* 主進(jìn)程，用于獲取命令并處理 */ else{ while(1) { memset(buff,0,sizeof(buff)); cmd_fd=open(FIFO_CMD,O_RDONLY);//readonly 阻塞 if(cmd_fd==-1) { perror("open"); exit(1); } if((nbytes=read(cmd_fd,buff,sizeof(buff)))>4)//讀取FIFO_CMD管道 { buff[nbytes]='\0'; //指令處理 receive_do(buff); } close(cmd_fd); } } 上述代碼中receive_do函數(shù)主要負(fù)責(zé)解析命令，并進(jìn)行處理。其代碼如下： void receive_do(char buffer[]) { int c,i; int tmp=0; c = (int)(nbytes+1)/5; for(i=0;i |
