摘要

山西大學、國網山西省電力公司、國網甘肅省電力公司經濟技術研究院的研究人員王秀麗、宋健等，在2018年第7期《電氣技術》雜志上撰文，以單片機Arduino為核心，利用無線WiFi技術實現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據和圖像監測小車運行環境和自身狀態，以L298N電機驅動來控制小車行進。在此基礎上加入太陽能自動追光系統，采用光電追蹤方式實現對太陽能的有效利用。

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

本文設計了一種智能型太陽能追光系統，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。同時把該系統應用于基于無線WiFi通信的智能小車上，其環境感知、數據處理、控制策略及系統搭建的研究與實現，能夠在一定程度上推動科考、搶險救災的智能化發展，進一步為未來軍事探測構建體系結構、初步構建智能工業的模型與理論基礎提供了功能性技術價值。

1 系統簡介

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，其發送的數據包括除圖像之外的所有模塊需要傳輸的數據，從而實現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。

為實現能量的可持續清潔利用，使用太陽能電池板來對太陽能進行轉化利用，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成的多傳感器系統實現多方位的檢測功能。

系統的體系結構如圖1所示，其工作流程為：在PC上位機的控制信號下，多傳感器系統對自身狀態及現實環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把處理后的數據選擇性傳回PC上位機，PC端再根據傳回信號來對智能小車實現進一步操作。系統在實現控制方式多樣化的同時，根據需要進行相應的系統控制對象的改變，使整體具有冗余性和互補性[5-6]。

圖1 系統結構框圖

2 系統的軟件設計

本系統軟件部分分為兩部分，其中Arduino下位機部分作為系統的控制層，其處理多傳感器系統、自身狀態檢測裝置及太陽能自動追光系統傳回數據并加以實施控制信號。第二部分PC上位機實現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據對環境變量及自身狀態進行分析，而且還能遠距離發出決策命令，這將極大的改善智能小車系統的性能，提高系統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開發板本身已經有完善的模板，將APC220及各種外設的初始化工作放在setup()函數中，loop()函數中直接調用各模塊函數實現功能。Loop()中的函數主要有WiFi()函數，其主要掌控消息接收和發送，解析接收數據并執行；其余的函數均為各模塊的處理函數，例如Wire_end_ Sun()電源和太陽能之間的關系處理及數據更新。

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

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，調用時只需輸入相應控制引腳即可。而信息傳遞函數WiFi()的設置，也只需根據需要添加調用模塊條件調用相應函數即可。此程序可以應用任何相同開發板的智能小車，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（圖形用戶接口開發環境）構建，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。

圖像模塊的實現機理：視頻采集端由FPV（First Person View）針孔攝像頭和發送設備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據傳遞給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據接收，通過AV線與視頻采集卡連接，視頻采集卡主要起轉換接口和緩存視頻數據的功能，上位機軟件讀取采集卡的數據將視頻顯示，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。下位機傳回數據時，其APC220與Arduino板進行串口通信，將Arduino板上各模塊的數據根據規定協議封裝后傳回到上位機APC220，上位機軟件通過串口與其通信，通過數據處理將數據提取顯示。上位機發送數據時，其APC220將操作命令依據傳輸協議封裝后發送給另一個APC220，Arduino板對其進行解析并執行命令。傳輸協議采用自定義協議，協議如下：

起始位‘SOH’數據類別 數據位位數 數據 終止位‘EOT’

當數據類別為傳感器等一類事物的總稱時，數據位的第一位數據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，所以協議中沒有定義檢錯位。

上位機與APC220的連接和數據的封裝函數如圖5和圖6所示。

圖5 連接部分

圖6 封裝部分

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

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

此軟件利用定時器中斷和數據接收串口中斷構造了一個典型的實時系統，對下位機進行檢測控制。其中傳輸數據幀的格式模仿TCP/IP協議，自定義出一套完整的幀協議，相對于TCP/IP協議的最大優點在于不需要限制一幀數據的數據大小，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，動態刷新圖像，更好地顯示了系統強大的實時性。

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，經性能指標測試實驗，小車能夠做到遠距離實時操控及環境圖像的準確高效傳輸，追光設備實現對移動光源的自動追蹤，此系統的廣泛應用必然會帶來可觀的環境效益與經濟效益。