【導讀】本設計主要研究基于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(xiàn)數據采集。采用WIFI網絡通訊使得控制端多樣化，可用手機，電腦等具備WIFI功能的設備進行控制。這里主要講解可視化WIFI遙控搬運機器人之服務器搭建。
本設計主要研究基于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(xiàn)數據采集。采用WIFI網絡通訊使得控制端多樣化，可用手機，電腦等具備WIFI功能的設備進行控制。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備進行控制，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應用程序編寫等方面來講述本設計的功能實現(xiàn)。
功能框圖
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
3 服務器搭建
3.1 服務器端功能框圖
圖3-1 服務器端功能框圖
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)。使用時只需要根據實際的需要裁減Linux系統(tǒng)即可，本設計采用的Linux內核版本為Linux2.6.38，編譯平臺為Ubuntu12.04,交叉編譯器為arm-linux-gcc-4.5.1。
3.3 驅動編寫與移植
3.3.1 直流電機驅動
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調制。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，并有100個脈寬比可調，滿足直流電機調速控制。
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3.3.2 伺服電機驅動
伺服電機需要采用脈寬調制，通過調節(jié)20ms周期內的占空比可以指定伺服電機的旋轉角度，其對應關系如下表：
表3-1 伺服電機占空比與旋轉角度的對應關系
由于舵機的控制要求較高，本設計采用S3C6410自帶的PWM進行控制.。設置PWM0和PWM1的周期為20ms，通過調節(jié)PWM0和PWM1的占空比來控制伺服電機進行工作。
3.3.3 攝像頭驅動
ZC301為免驅的UVC視頻設備，為了實現(xiàn)視頻的采集需要在編譯內核時選擇上V4L2支持。
3.3.4 USB WIFI 驅動
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進入驅動目錄并修改Makefile
④由于驅動默認移植平臺是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即為所需驅動，將該文件移動到目標平臺加載即完成了USB WIFI驅動程序的移植。
3.3.5 ADC驅動
電源電量以及FSR壓力傳感器數據測量需要ADC驅動的支持。由于系統(tǒng)中已含有該驅動，故只需要在編譯內核時選擇上即可。
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，然后用帶WIFI功能的設備來進行連接。
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。它可以將無線網卡設置為AP模式，并且支持多種加密方式，提供了設備接入的身份驗證。在實際的使用期間，我們需要對其配置文件進行相應的修改。本設計中采用Hostapd來結合RTL8188網卡完成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并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只需要修改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地址的范圍，由于采用局域網，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地址分配范圍作如上設置。啟動hostapd后需要執(zhí)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。
3.5 視頻服務器搭建
3.5.1 V4L2簡介
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，它提供了一系列通用的接口來實現(xiàn)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，在使用時只需要在編譯內核時將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的輕量級視頻服務器軟件。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建，每個功能模塊又被稱為組件（plug-in），用戶可以根據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據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后，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(xiàn)了一個符合HTTP1.0標準的web服務器，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，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，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：
./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，幀數為25fps。指定輸入組件為output_http，并且http服務器目錄為www。
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3.6 BOA服務器搭建
3.6.1 BOA服務器簡介
由于Mjpgstreamer服務器只能傳輸視頻信息，而本設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，并且支持CGI腳本，廣泛應用于嵌入式領域[ ]。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。
3.6.2 BOA服務器移植
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，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。
3.7 服務器端程序設計
3.7.1 CGI腳本簡介
圖 3-4 CGI程序應用原理
3.7.2 命名管道簡介
命名管道是一種實現(xiàn)無關進程間通信的通信機制(IPC)。其本質上為一個文件，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，數據只能單向傳輸，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。本設計中利用命名管道的特性，可以實現(xiàn)CGI程序與命令服務程序之間的數據交換。
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3.7.3 控制命令設計
本設計控制命令簡單，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(huán)境變量QUERY_STRING中獲取字符串形式的控制命令。本設計中采用“標志+參數”的方式設置控制命令，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，將此命令參數減去100，負數為后退，0為停止，正數為前進。其絕對值越大速度越快。
伺服電機控制命令：
C0250~1250
S0250~1250
其中C,S分別代表夾持和旋轉命令，參數250~1250代表脈沖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。
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)送給服務程序進行處理，并且調用驅動程序讀取機器人傳感器數據信息返回給客戶端。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據并將數據返回，否則就將命令字寫入到命名管道供服務程序來進行讀取，并且讀取壓力傳感器的數據將其返回給客戶端。
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，并返回給客戶端*/
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;
}
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3.7.6 服務程序流程圖
服務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用驅動程序來執(zhí)行相應的命令，從而實現(xiàn)對機器人的控制。
3.7.7 服務程序編寫
服務程序部分代碼如下：
/* 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服務器獲得數據，經處理之后可以通過標準輸出（STDOUT）來將數據返回給WEB服務器，從而實現(xiàn)對客戶端數據的接收處理。本設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據信息。CGI程序應用原理如下圖所示：
