【導(dǎo)讀】本設(shè)計主要研究基于WIFI網(wǎng)絡(luò)的可視化無線遙控搬運機器人，利用WIFI網(wǎng)絡(luò)高速傳輸實時視頻圖像采集，通過機器人安裝的傳感器實現(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，電腦等具備WIFI功能的設(shè)備進行控制。這里主要講解可視化WIFI遙控搬運機器人之服務(wù)器搭建。
本設(shè)計主要研究基于WIFI網(wǎng)絡(luò)的可視化無線遙控搬運機器人，利用WIFI網(wǎng)絡(luò)高速傳輸實時視頻圖像采集，通過機器人安裝的傳感器實現(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，電腦等具備WIFI功能的設(shè)備進行控制。此外，還可將機器人接入Internet實現(xiàn)更遠距離的控制。本設(shè)計在S3C6410平臺上移植了Linux操作系統(tǒng)用于接收命令并對硬件設(shè)備進行控制，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，驅(qū)動程序編寫，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講述本設(shè)計的功能實現(xiàn)。
功能框圖
總體設(shè)計及硬件選型和電路部分：可視化WIFI遙控搬運機器人(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)。使用時只需要根據(jù)實際的需要裁減Linux系統(tǒng)即可，本設(shè)計采用的Linux內(nèi)核版本為Linux2.6.38，編譯平臺為Ubuntu12.04,交叉編譯器為arm-linux-gcc-4.5.1。
3.3 驅(qū)動編寫與移植
3.3.1 直流電機驅(qū)動
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，因此直流電機部分采用定時器2來模擬PWM調(diào)制。設(shè)置定時器2每100ms進一次中斷，在定時器中進行1~100計數(shù)，因此PWM周期為10S，并有100個脈寬比可調(diào)，滿足直流電機調(diào)速控制。
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3.3.2 伺服電機驅(qū)動
伺服電機需要采用脈寬調(diào)制，通過調(diào)節(jié)20ms周期內(nèi)的占空比可以指定伺服電機的旋轉(zhuǎn)角度，其對應(yīng)關(guān)系如下表：
表3-1 伺服電機占空比與旋轉(zhuǎn)角度的對應(yīng)關(guān)系
由于舵機的控制要求較高，本設(shè)計采用S3C6410自帶的PWM進行控制.。設(shè)置PWM0和PWM1的周期為20ms，通過調(diào)節(jié)PWM0和PWM1的占空比來控制伺服電機進行工作。
3.3.3 攝像頭驅(qū)動
ZC301為免驅(qū)的UVC視頻設(shè)備，為了實現(xiàn)視頻的采集需要在編譯內(nèi)核時選擇上V4L2支持。
3.3.4 USB WIFI 驅(qū)動
本設(shè)計中采用的這款USB無線網(wǎng)卡采用RTL8188芯片，為使該設(shè)備能夠正常工作需要進行驅(qū)動程序移植。
①從RTL官網(wǎng)獲得RTL8188的最新驅(qū)動程序，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)動包解壓。
③進入驅(qū)動目錄并修改Makefile
④由于驅(qū)動默認移植平臺是I386_PC，而我們需要將其移植到S3C平臺上，故需要做如下修改：
說明目標平臺：
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，將該文件移動到目標平臺加載即完成了USB WIFI驅(qū)動程序的移植。
3.3.5 ADC驅(qū)動
電源電量以及FSR壓力傳感器數(shù)據(jù)測量需要ADC驅(qū)動的支持。由于系統(tǒng)中已含有該驅(qū)動，故只需要在編譯內(nèi)核時選擇上即可。
3.4 AP熱點搭建
3.4.1 AP熱點簡介
AP是(Wireless) Access Point的縮寫，即(無線)訪問接入點。無線設(shè)備可以通過它來接入到無線網(wǎng)絡(luò)。RTL8188支持AP熱點模式，采用這種方式可以讓機器人成為AP熱點，然后用帶WIFI功能的設(shè)備來進行連接。
3.4.2 Hostapd簡介
Hostapd即Host Access Point，其是Linux系統(tǒng)中無線訪問接入點的守護進程。它可以將無線網(wǎng)卡設(shè)置為AP模式，并且支持多種加密方式，提供了設(shè)備接入的身份驗證。在實際的使用期間，我們需要對其配置文件進行相應(yīng)的修改。本設(shè)計中采用Hostapd來結(jié)合RTL8188網(wǎng)卡完成AP熱點的搭建。
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3.4.3 DHCP簡介
DHCP(Dynamic Host Configuration Protocol)是一種動態(tài)主機配置協(xié)議。它主要采用UDP協(xié)議來為接入到網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備分配IP地址以及進行一些參數(shù)配置。本設(shè)計中通過配置其配置文件并啟用該服務(wù)來為接入機器人的WIFI設(shè)備分配IP地址，有效的避免了多個設(shè)備接入時的地址沖突問題。
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進行解壓，并進入到hostapd目錄
③對目錄下的.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)制到目標平臺，即完成了Hostapd的移植
⑦按需要更改hostapd.config文件，本設(shè)計關(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hostapd后需要執(zhí)行udhcpd命令啟動DHCP服務(wù)，從而當WIFI設(shè)備接入機器人時能自動獲取到IP地址。
3.5 視頻服務(wù)器搭建
3.5.1 V4L2簡介
V4L2（即Video for linux 2）是Linux 內(nèi)核中針對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實現(xiàn)Linux中對視頻設(shè)備的訪問，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，在使用時只需要在編譯內(nèi)核時將V4L2選項勾選上即可。
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3.5.2 LIBJPEG簡介
Libjpeg是一個包含了JPEG圖像的編碼，解碼等功能的開源庫，其完全采用C語言來進行編寫。
3.5.3 Mjpgstreamer簡介
MJPGstreamer是主要運行在Linux系統(tǒng)上的一款運用多線程技術(shù)的輕量級視頻服務(wù)器軟件。它是一款采用C語言進行開發(fā)的開源軟件，其代碼簡潔，注釋清晰，組件功能明確，銜接清晰，可以移植到不同的計算機平臺。整個程序主要以模塊化的方法來進行構(gòu)建，每個功能模塊又被稱為組件（plug-in），用戶可以根據(jù)自己的需要來選擇輸入組件和輸出組件。它可以實現(xiàn)從一個單一的輸入組件獲取到圖像數(shù)據(jù)來通過多個輸出組件將圖像進行輸出[ ]。下圖為Mjpgstreamer的組件：
圖 3-3 MJPG-streamer組件
本設(shè)計選用input_uvc作為輸入組件來使用V4L2從攝像頭獲取圖像數(shù)據(jù)，經(jīng)JPEG庫對數(shù)據(jù)進行編碼之后，通過選用output_http作為輸出組件來輸出圖像數(shù)據(jù)。output_http組件實現(xiàn)了一個符合HTTP1.0標準的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庫主要是用于Mjpgstreamer采集數(shù)據(jù)時壓縮編碼，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，并進入源碼根目錄。
③執(zhí)行如下命令配置編譯，生成編譯時所需要的Makefile文件。
./configure --prefix=/root/h264/app/jpeg --exec-prefix=/root/h264/app/jpeg --enable-shared --enable-static
命令中prefix是最后安裝時庫存放的目錄，shared是編譯成動態(tài)庫，static是編譯成靜態(tài)庫。
④修改Makefile文件，指定編譯時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，存放于/root/h264/app/jpeg目錄下。
⑦將libjpeg庫移動到目標平臺，完成libjpeg移植。
3.5.5 Mjpgstreamer移植
MJPGstreamer作為本設(shè)計中的視頻采集服務(wù)器，其移植過程如下：
①下載Mjpgstreamer源代碼，本設(shè)計采用mjpg-streamer-r63.tar.gz。
②解壓mjpg-streamer-r63.tar.gz，并進入代碼根目錄。
③修改plugins/input_uvc/Makefile：
指定交叉編譯器：
CC = arm-linux-gcc
指定libjpeg庫：
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拷貝到目標平臺完成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。
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3.6 BOA服務(wù)器搭建
3.6.1 BOA服務(wù)器簡介
由于Mjpgstreamer服務(wù)器只能傳輸視頻信息，而本設(shè)計需要接收客戶端的控制命令并且得返回機器人的傳感器數(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)器是一個可運行在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)計通過編寫CGI腳本來完成服務(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移動到目標平臺，即可完成BOA服務(wù)器移植。
⑦為了適應(yīng)本設(shè)計的需求，得修改boa.conf文件來配置boa服務(wù)器。本設(shè)計作出如下修改：
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，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
3.7.1 CGI腳本簡介
圖 3-4 CGI程序應(yīng)用原理
3.7.2 命名管道簡介
命名管道是一種實現(xiàn)無關(guān)進程間通信的通信機制(IPC)。其本質(zhì)上為一個文件，因此通訊更加穩(wěn)定。命名管道遵循與先進先出原則，并且是半雙工的，數(shù)據(jù)只能單向傳輸，若要實現(xiàn)雙向傳輸就得使用兩個管道。命名管道含有讀端和寫端，并且支持阻塞讀。本設(shè)計中利用命名管道的特性，可以實現(xiàn)CGI程序與命令服務(wù)程序之間的數(shù)據(jù)交換。
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3.7.3 控制命令設(shè)計
本設(shè)計控制命令簡單，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)計中采用“標志+參數(shù)”的方式設(shè)置控制命令，單個命令字的總長度為5字節(jié)，具體如下：
直流電機控制指令：
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，負數(shù)為后退，0為停止，正數(shù)為前進。其絕對值越大速度越快。
伺服電機控制命令：
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)整伺服電機旋轉(zhuǎn)位置（0°~180°）。
獲取電量命令：
POWER
當CGI接收到此命令時將會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程序主要負責從客戶端獲得命令字然后通過命名管道將控制命令發(fā)送給服務(wù)程序進行處理，并且調(diào)用驅(qū)動程序讀取機器人傳感器數(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)程序來進行讀取，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ADC驅(qū)動
if(adc_fd<0)
fprintf(stdout, "open adc_device failen");
else
{if(ioctl(adc_fd,ADC_SET_CHANNEL,0) < 0)
fprintf(stdout, "ioctl adc_device failen");
else{len = read(adc_fd, adc, 4);//讀取ADC
if (len > 0)
{adc[len] = ''''''''?'''''''';
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 failen");
close(cmd_fd);
/*讀取壓力值，并返回給客戶端*/
adc_fd=open("/dev/adc",0);//打開ADC驅(qū)動
if(adc_fd<0)
fprintf(stdout, "open adc_device failen");
else
{
if(ioctl(adc_fd,ADC_SET_CHANNEL,1) < 0)
fprintf(stdout, "ioctl adc_device failen");
else
{
len = read(adc_fd, adc, 4);//讀取ADC
if (len > 0)
{
adc[len] = ''''''''?'''''''';
fprintf(stdout, "PRE:%s",adc);//返回壓力值
}
}
close(adc_fd);
}
}
return 0;
}
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3.7.6 服務(wù)程序流程圖
服務(wù)程序主要完成機器人初始化，讀取電量值并將電量值通過LED來進行提示，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)計中的服務(wù)程序采用多進程程序設(shè)計方式，其子進程每60S采集一次電源電量信息并更新電量指示燈顯示，主進程采用阻塞讀的方式讀取命名管道來等待客戶端發(fā)送命令，獲得命令之后對命令進行解析并調(diào)用驅(qū)動程序來執(zhí)行相應(yīng)的命令，從而實現(xiàn)對機器人的控制。
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)
{perror("ioctl ADC device:");
exit(1);
}
char buffer[5];
int len = read(adc_fd, buffer, sizeof buffer -1);//讀取ADC
if (len > 0)
{
buffer[len-1] = ''''''''?'''''''';
printf("POW VALUE:%sn",buffer);
getpower=(float)StrToInt(buffer);
getpower=9.9*getpower/1024.0;
if(power==0)
power=getpower;
if(getpower<=power && power-getpower<0.2)
{
power=getpower;
if(power>8.1)//根據(jù)電量來用LED顯示
Show(5);
...
}
}
sleep(60);//1min
}
}
/* 主進程，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]=''''''''?'''''''';
//指令處理
receive_do(buff);
}
close(cmd_fd);
}
}
上述代碼中receive_do函數(shù)主要負責解析命令，并進行處理。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 {
tmp=(buffer[1+i*5]-''''''''0'''''''')*1000+(buffer[2+i*5]-''''''''0'''''''')*100+(buffer[3+i*5]-''''''''0'''''''')*10+(buffer[4+i*5]-''''''''0'''''''');//解析接收到的指令數(shù)據(jù)
switch(buffer[i*5])//處理指令
{
case ''''''''L'''''''':ioctl(dc_fd,LEFT_SET,tmp);
break;
case ''''''''R'''''''':ioctl(dc_fd,RIGHT_SET,tmp);
break;
case ''''''''C'''''''':ioctl(servo_fd,CLAMP_SET,tmp);
break;
case ''''''''S'''''''':ioctl(servo_fd,SPIN_SET,tmp);
break;
}
}
}
CGI即公共網(wǎng)關(guān)接口（Common GatewayInterface）它是一種WWW技術(shù)。CGI實質(zhì)是運行在WEB服務(wù)器上面為客戶端HTML頁面提供接口的一個腳本程序。它可以通過標準輸入（STDIN）來從WEB服務(wù)器獲得數(shù)據(jù)，經(jīng)處理之后可以通過標準輸出（STDOUT）來將數(shù)據(jù)返回給WEB服務(wù)器，從而實現(xiàn)對客戶端數(shù)據(jù)的接收處理。本設(shè)計采用這種方式實現(xiàn)機器人控制命令的接收，以及返回機器人傳感器數(shù)據(jù)信息。CGI程序應(yīng)用原理如下圖所示：
