本設計主要研究基於WIFI網絡的可視化無線遙控搬運機器人
，利用WIFI網絡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數據采集。采用WIFI網絡通訊使得控製端多樣化，可用手機
，電腦等具備WIFI功能的設備進行控製。此外，還可將機器人接入Internet實現更遠距離的控製。本設計在S3C6410平台上移植了Linux操作係統用於接收命令並對硬件設備進行控製，其中移植了MJPGstreamer作為視頻服務器
，移植了BOA服務器作為WEB服務器。本文將從硬件設計
，驅動程序編寫

，服務器移植，服務程序編寫，Android應用程序編寫
，Web應用程序編寫等方麵來講述本設計的功能實現。

 

總體設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

 

 

圖3-1 服務器端功能框圖

 

 

核心板采用友善之臂公司提供的TINY6410
，此核心板已提供Bootloader，Linux係統,文件係統。使用時隻需要根據實際的需要裁減Linux係統即可
，本設計采用的Linux內核版本為Linux2.6.38，編譯平台為Ubuntu12.04,交叉編譯器為arm-linux-gcc-4.5.1。

 

 

 

由於S3C6410隻帶有2路PWM輸出，而夾持器部分需要兩路PWM脈寬調製控製伺服舵機，因此直流電機部分采用定時器2來模擬PWM調製。設置定時器2每100ms進一次中斷，在定時器中進行1~100計數，因此PWM周期為10S
，並有100個脈寬比可調
，滿足直流電機調速控製。

 

伺服電機需要采用脈寬調製
，通過調節20ms周期內的占空比可以指定伺服電機的旋轉角度，其對應關係如下表：

表3-1 伺服電機占空比與旋轉角度的對應關係

 

由於舵機的控製要求較高，本設計采用S3C6410自帶的PWM進行控製.。設置PWM0和PWM1的周期為20ms，通過調節PWM0和PWM1的占空比來控製伺服電機進行工作。

 

 

ZC301為免驅的UVC視頻設備，為了實現視頻的采集需要在編譯內核時選擇上V4L2支持。

 

 

本設計中采用的這款USB無線網卡采用RTL8188芯片，為使該設備能夠正常工作需要進行驅動程序移植。

 

①從RTL官網獲得RTL8188的最新驅動程序，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 將驅動包解壓。

 

③進入驅動目錄並修改Makefile

 

④由於驅動默認移植平台是I386_PC，而我們需要將其移植到S3C平台上
，故需要做如下修改：

 

 

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執行Make命令得到8712u.ko即為所需驅動，將該文件移動到目標平台加載即完成了USB WIFI驅動程序的移植。

 

 

電源電量以及FSR壓力傳感器數據測量需要ADC驅動的支持。由於係統中已含有該驅動，故隻需要在編譯內核時選擇上即可。

 

 

 

AP是(Wireless) Access Point的縮寫，即(無線)訪問接入點。無線設備可以通過它來接入到無線網絡。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

，然後用帶WIFI功能的設備來進行連接。

 

 

Hostapd即Host Access Point，其是Linux係統中無線訪問接入點的守護進程。它可以將無線網卡設置為AP模mo式shi，並bing且qie支zhi持chi多duo種zhong加jia密mi方fang式shi
，提ti供gong了le設she備bei接jie入ru的de身shen份fen驗yan證zheng。在zai實shi際ji的de使shi用yong期qi間jian，我wo們men需xu要yao對dui其qi配pei置zhi文wen件jian進jin行xing相xiang應ying的de修xiu改gai。本ben設she計ji中zhong采cai用yongHostapd來結合RTL8188網卡完成AP熱點的搭建。

 

DHCP(Dynamic Host Configuration Protocol)是一種動態主機配置協議。它主要采用UDP協議來為接入到網絡中的設備分配IP地址以及進行一些參數配置。本設計中通過配置其配置文件並啟用該服務來為接入機器人的WIFI設備分配IP地址，有效的避免了多個設備接入時的地址衝突問題。

 

 

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，並進入到hostapd目錄

 

③對目錄下的.config做如下修改：

 

 

CONFIG_DRIVER_HOSTAP=y

 

CONFIG_DRIVER_WIRED=y

 

CONFIG_DRIVER_MADWIFI=y

 

取消下麵這項的注釋：

 

CONFIG_DRIVER_NL80211=y

 

④修改Makefile 指定交叉編譯器：

 

CC=arm-linux-gcc

 

⑤執行Make命令
，編譯得到hostapd及hostapd_cli

 

⑥將編譯得到的可執行文件複製到目標平台
，即完成了Hostapd的移植

 

⑦按需要更改hostapd.config文件，本設計關鍵部分配置如下：

 

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

 

3.4.5 DHCP移植

 

Linux2.6.38內核中已含有DHCP支持，使用DHCP隻需要修改DHCP配置文件udhcpd.conf，其中最關鍵部分如下：

 

# 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地址的範圍
，由於采用局域網

，需要將IP地址設置為同一網段，機器人采用的IP地址為192.168.2.1，因此將IP地址分配範圍作如上設置。啟動hostapd後需要執行udhcpd命令啟動DHCP服務，從而當WIFI設備接入機器人時能自動獲取到IP地址。

 

 

 

V4L2（即Video for linux 2）是Linux 內核中針對UVC免驅視頻設備的編程框架，它提供了一係列通用的接口來實現Linux中對視頻設備的訪問
，其編程模式如下：

圖 3-2 V4L2編程模式

 

Linux2.6.38內核中自帶了該驅動，在使用時隻需要在編譯內核時將V4L2選項勾選上即可。

 

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。

 

 

MJPGstreamer是主要運行在Linux係統上的一款運用多線程技術的輕量級視頻服務器軟件。它是一款采用C語yu言yan進jin行xing開kai發fa的de開kai源yuan軟ruan件jian

，其qi代dai碼ma簡jian潔jie，注zhu釋shi清qing晰xi
，組zu件jian功gong能neng明ming確que，銜xian接jie清qing晰xi，可ke以yi移yi植zhi到dao不bu同tong的de計ji算suan機ji平ping台tai。整zheng個ge程cheng序xu主zhu要yao以yi模mo塊kuai化hua的de方fang法fa來lai進jin行xing構gou建jian，每mei個ge功gong能neng模mo塊kuai又you被bei稱cheng為wei組zu件jian（plug-in），用(yong)戶(hu)可(ke)以(yi)根(gen)據(ju)自(zi)己(ji)的(de)需(xu)要(yao)來(lai)選(xuan)擇(ze)輸(shu)入(ru)組(zu)件(jian)和(he)輸(shu)出(chu)組(zu)件(jian)。它(ta)可(ke)以(yi)實(shi)現(xian)從(cong)一(yi)個(ge)單(dan)一(yi)的(de)輸(shu)入(ru)組(zu)件(jian)獲(huo)取(qu)到(dao)圖(tu)像(xiang)數(shu)據(ju)來(lai)通(tong)過(guo)多(duo)個(ge)輸(shu)出(chu)組(zu)件(jian)將(jiang)圖(tu)像(xiang)進(jin)行(xing)輸(shu)出(chu)[ ]。下圖為Mjpgstreamer的組件：

圖 3-3 MJPG-streamer組件

 

本設計選用input_uvc作為輸入組件來使用V4L2從攝像頭獲取圖像數據，經JPEG庫對數據進行編碼之後，通過選用output_http作為輸出組件來輸出圖像數據。output_http組件實現了一個符合HTTP1.0標準的web服務器，用戶可以使用HTTP協議獲取視頻信息。

 

 

移植libjpeg庫主要是用於Mjpgstreamer采集數據時壓縮編碼，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
，並進入源碼根目錄。

 

③執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是最後安裝時庫存放的目錄，shared是編譯成動態庫，static是編譯成靜態庫。

 

④修改Makefile文件，指定編譯時所需要的交叉編譯工具和環境：

 

CC = arm-linux-gcc -std=gnu99

 

AR = arm-linux-ar

 

CPP = arm-linux-gcc -std=gnu99 -E

 

⑤執行make命令編譯代碼

 

⑥執行make install命令產生libjpeg庫
，存放於/root/h264/app/jpeg目錄下。

 

⑦將libjpeg庫移動到目標平台，完成libjpeg移植。

 

 

MJPGstreamer作為本設計中的視頻采集服務器，其移植過程如下：

 

①下載Mjpgstreamer源代碼
，本設計采用mjpg-streamer-r63.tar.gz。

 

②解壓mjpg-streamer-r63.tar.gz，並進入代碼根目錄。

 

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執行make命令

，生成可執行文件mjpg_streamer。

 

⑥將源碼目錄中的start.sh和目錄www拷貝到目標平台完成Mjpgsteramer移植。

 

⑦執行如下命令可啟用Mjpgstreamer服務：

 

./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，並且配置采集分辨率為320*240

，幀數為25fps。指定輸入組件為output_http，並且http服務器目錄為www。

 

由於Mjpgstreamer服務器隻能傳輸視頻信息，而本設計需要接收客戶端的控製命令並且得返回機器人的傳感器數據。因此得移植支持CGI應用腳本的服務器。BOA服務器是一個可運行在unix或linux下的非常小巧的單任務Web服務器，並且支持CGI腳本
，廣泛應用於嵌入式領域[ ]。本設計通過編寫CGI腳本來完成服務器與客戶端的數據交換。

 

 

BOA服務器的移植需要以下步驟：

 

①下載BOA服務器源碼
，本文采用boa-0.94.13.tar.gz。

 

②解壓boa-0.94.13.tar.gz
，並進入到源碼根目錄。

 

③執行命令./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移動到目標平台
，即可完成BOA服務器移植。

 

⑦為了適應本設計的需求，得修改boa.conf文件來配置boa服務器。本設計作出如下修改：

 

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

 

此配置設置了服務器的端口號，權限，服務器目錄連接數等參數。

 

 

 

圖 3-4 CGI程序應用原理

 

 

命名管道是一種實現無關進程間通信的通信機製(IPC)。qibenzhishangweiyigewenjian，yincitongxungengjiawending。mingmingguandaozunxunyuxianjinxianchuyuanze


，bingqieshibanshuanggongde，shujuzhinengdanxiangchuanshu，ruoyaoshixianshuangxiangchuanshujiudeshiyonglianggeguandao。mingmingguandaohanyoududuanhexieduan，bingqiezhichizusaidu。benshejizhongliyongmingmingguandaodetexing

，keyishixianCGI程序與命令服務程序之間的數據交換。

 

本設計控製命令簡單，因此客戶端與服務器間數據通訊主要采用HTTP GET方法，服務器CGI應用程序可以在環境變量QUERY_STRING中獲取字符串形式的控製命令。本設計中采用“標誌+參數”的方式設置控製命令
，單個命令字的總長度為5字節，具體如下：

 

直流電機控製指令：

 

L0000~0200

 

R0000~0200

 

其中L,R分別代表左和右，將此命令參數減去100，負數為後退，0為停止，正數為前進。其絕對值越大速度越快。

 

伺服電機控製命令：

 

C0250~1250

 

S0250~1250

 

其中C,S分別代表夾持和旋轉命令，參數250~1250代表脈衝寬度用以調整伺服電機旋轉位置（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。

 

數據返回格式如下：

 

POW:0~1023

 

PRE:0~1023

 

其中POW,PRE分別代表電量，壓力，參數0~1023為從ADC中采集到的數據。

 

 

CGI程cheng序xu主zhu要yao負fu責ze從cong客ke戶hu端duan獲huo得de命ming令ling字zi然ran後hou通tong過guo命ming名ming管guan道dao將jiang控kong製zhi命ming令ling發fa送song給gei服fu務wu程cheng序xu進jin行xing處chu理li，並bing且qie調tiao用yong驅qu動dong程cheng序xu讀du取qu機ji器qi人ren傳chuan感gan器qi數shu據ju信xin息xi返fan回hui給gei客ke戶hu端duan。CGI程序流程圖如下：

圖 3-5 CGI程序流程圖

 

如圖3-5所示

，本設計的CGI腳(jiao)步(bu)先(xian)判(pan)斷(duan)客(ke)戶(hu)端(duan)的(de)命(ming)令(ling)是(shi)否(fou)為(wei)索(suo)取(qu)電(dian)壓(ya)值(zhi)得(de)命(ming)令(ling)
，如(ru)果(guo)是(shi)的(de)話(hua)就(jiu)讀(du)取(qu)電(dian)源(yuan)電(dian)壓(ya)數(shu)據(ju)並(bing)將(jiang)數(shu)據(ju)返(fan)回(hui)，否(fou)則(ze)就(jiu)將(jiang)命(ming)令(ling)字(zi)寫(xie)入(ru)到(dao)命(ming)名(ming)管(guan)道(dao)供(gong)服(fu)務(wu)程(cheng)序(xu)來(lai)進(jin)行(xing)讀(du)取(qu)，並(bing)且(qie)讀(du)取(qu)壓(ya)力(li)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)數(shu)據(ju)將(jiang)其(qi)返(fan)回(hui)給(gei)客(ke)戶(hu)端(duan)。

 

 

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，並返回給客戶端*/

 

if(strcmp(cmd,"POWER")==0)

 

{adc_fd=open("/dev/adc",0);//打開ADC驅動

 

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);//與服務程序通過命名管道通訊

 

/* 向管道寫入數據 */

 

if((nwrite=write(cmd_fd,cmd,11))==-1)

 

fprintf(stdout, "write cmd failen");

 

close(cmd_fd);

 

/*讀取壓力值，並返回給客戶端*/

 

adc_fd=open("/dev/adc",0);//打開ADC驅動

 

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;

 

}

 

服務程序主要完成機器人初始化
，讀取電量值並將電量值通過LED來進行提示
，讀取命名管道獲得命令字並將其解析執行。主要的流程圖如下：

圖 3-6 服務程序流程圖

 

如圖3-6所示，本設計中的服務程序采用多進程程序設計方式
，其子進程每60S采(cai)集(ji)一(yi)次(ci)電(dian)源(yuan)電(dian)量(liang)信(xin)息(xi)並(bing)更(geng)新(xin)電(dian)量(liang)指(zhi)示(shi)燈(deng)顯(xian)示(shi)，主(zhu)進(jin)程(cheng)采(cai)用(yong)阻(zu)塞(sai)讀(du)的(de)方(fang)式(shi)讀(du)取(qu)命(ming)名(ming)管(guan)道(dao)來(lai)等(deng)待(dai)客(ke)戶(hu)端(duan)發(fa)送(song)命(ming)令(ling)，獲(huo)得(de)命(ming)令(ling)之(zhi)後(hou)對(dui)命(ming)令(ling)進(jin)行(xing)解(jie)析(xi)並(bing)調(tiao)用(yong)驅(qu)動(dong)程(cheng)序(xu)來(lai)執(zhi)行(xing)相(xiang)應(ying)的(de)命(ming)令(ling)
，從(cong)而(er)實(shi)現(xian)對(dui)機(ji)器(qi)人(ren)的(de)控(kong)製(zhi)。

 

 

服務程序部分代碼如下：

 

/* 創建子進程，用於每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)//根據電量來用LED顯示

 

Show(5);

 

...

 

}

 

}

 

sleep(60);//1min

 

}

 

}

 

/* 主進程，用於獲取命令並處理 */

 

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函數主要負責解析命令，並進行處理。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據

 

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即公共網關接口（Common GatewayInterface）它是一種WWW技術。CGI實質是運行在WEB服務器上麵為客戶端HTML頁麵提供接口的一個腳本程序。它可以通過標準輸入（STDIN）來從WEB服務器獲得數據，經處理之後可以通過標準輸出（STDOUT）來將數據返回給WEB服務器，從而實現對客戶端數據的接收處理。本設計采用這種方式實現機器人控製命令的接收，以及返回機器人傳感器數據信息。CGI程序應用原理如下圖所示：