专利名称：一种基于片上系统的环境信息采集车的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种基于片上系统的环境信息采集车，具体的说是一种将环境信息采集检测系统设置在无需人员驾驭的智能化的小车上，通过自动采集和无线传输环境信息，达到对环境信息进行持续采集和检测的目的。
背景技术：
随着国民生活水平的不断提高，环境问题日益引起人们的重视。在世界各地，由于自然灾害、恐怖活动和各种意外突发事故等原因，环境灾难经常发生。在环境灾难救援中， 救援人员暴露在危险的环境下，对救援人员伤害极大，需要采用智能化的车载式环境检测设备深入灾难现场为救援人员提供实时环境信息。为对环境进行持续监测，环境监测设备必须对所监测环境进行大量采样，获得大量采样数据。但是这些采样数据中会存在一些无效数据，如果对许多无效数据传输将极大地浪费系统资源，因此环境监测系统必须具备较快的数据处理速度及良好的数据处理能力。目前现有环境监测设备存在移动性欠佳、数据处理能力慢且数据处理能力差的缺点。

发明内容
为解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种具有数据处理速度快、数据处理能力强、功耗低、开发周期短和成本低廉等优点的基于片上系统的环境信息采集车，能集先进的机械、电子、信息、控制工程等技术于一身，用于深入环境灾害现场、勘探化学品泄漏等环境信息。为达成上述目的，本发明采用如下技术方案提供一种基于片上系统的环境信息采集车，包括智能化小车和环境信息采集检测系统，所述的智能化小车含有车体机构、运动机构、导向机构、控制运动机构的主电动机；所述的运动机构对称设置在车体两侧，所述的导向机构与运动机构连接；所述的主电动机、舵机和环境信息采集检测系统设置在车体中； 所述的环境信息采集检测系统由有毒气体检测单元、环境温湿度检测单元、Nios II软核处理器控制单元、NRF无线射频收发单元组成；其中所述有毒气体检测单元由MQ-2气体传感器和A/D转换器芯片TLC549构成，所述环境温湿度检测单元采用SHTlO温湿度传感器，所述NRF无线射频收发单元采用2. 4GHz无线收发模组NRF24L01芯片，所述Nios II软核处理器控制单元采用片上系统技术内嵌入EP3C16F484C6N芯片；所述的有毒气体检测单元、 环境温湿度检测单元与Nios II软核处理器控制单元单向电连接，NRF无线射频收发单元与Nios II软核处理器控制单元双向电连接。本发明中所述的智能化小车的车体机构含有车体、驱动轮、曲柄、同步带、履带、 行星轮、摆杆、导向轮、主臂杆、齿轮A、齿轮B、齿轮C、齿轮D和同步带轮，所述的车体两侧通过驱动轮轴和导向轮轴对称安装有驱动轮和导向轮，摆杆安装在驱动轮轴和导向轮轴上， 主臂杆固定在摆杆中点，行星轮通过曲柄安装在主臂杆的上部，主臂杆上安装有同步带，履带绕着驱动轮、导向轮和行星轮，舵机和主电动机安装在车体内，舵机通过与主电动机同轴的齿轮E与齿轮A啮合，双联齿轮B、双联齿轮C和齿轮D啮合。主电动机带动驱动轮运动， 使履带转动，舵机通过与舵机同轴的齿轮E与齿轮A啮合，一方面带动主臂杆转动 ’另一方面通过双联齿轮B、双联齿轮C和齿轮D的啮合，带动同步带轮旋转；同步带轮通过同步带传动进一步使安装有行星轮的曲柄回转。本发明所述的智能化小车是通过主电动机带动运动机构进行运动，通过舵机带动导向机构进行导向，导向机构与运动机构连接，使得导向和运动相结合。其中齿轮A与齿轮D齿数相同，齿轮B与齿轮C齿数相同，当舵机工作时，主臂杆转过的角度与曲柄的绝对转角大小相等、方向相反。本发明所述的行星轮的运动轨迹按如下运动方程设计
公式中x表示行星轮的横坐标，y表示行星轮的纵坐标，R表示主臂杆的长度，r表示表示曲柄的长度。以采集车上四个咪头的交点为原点，以四个咪头形成的坐标轴分别为X， Y，Z 轴。显然，这是一个标准的椭圆方程，说明本发明的智能化小车履带在任何形状时都能保持松紧程度不发生变化。本发明所述的环境信息采集检测系统中的MQ-2气体传感器的第1引脚、第2引脚和第3引脚接VCC5V，第4引脚和第6引脚通过可变电阻R3接地，第5引脚直接接地；A/D 转换器芯片TLC549的第2引脚ANLG IN通过电阻R2与MQ-2气体传感器的第4引脚和第 6弓I脚连接，TLC549芯片的第1引脚REF+和第8引脚VCC与VCC5V连接，第3引脚REF-和第4引脚GND接地，TLC549芯片的第5引脚CS与EP3C16F484C6N芯片的第15引脚GPI00_ DlO连接，TLC549芯片的第6引脚DO与EP3C16F484C6N芯片的第13引脚GPI00_D8连接， TLC549芯片的第7弓丨脚I/O CLK与EP3C16F484C6N芯片的第9引脚GPI00_D6连接。本发明所述的环境信息采集检测系统中的SHTlO温湿度传感器的第1引脚GND接地，SHTlO温湿度传感器的第2引脚DATA通过Rl与VCC3. 3V连接同时与EP3C16F484C6N芯片的第7引脚GPI00_D4连接，SHTlO温湿度传感器的第3引脚SCK与EP3C16F484C6N芯片的第5引脚GPI00_D2连接，SHTlO温湿度传感器的第4引脚VDD通过电容Cl接地同时与 VCC3. 3V 连接。本发明所述的环境信息采集检测系统中的芯片NRFML01的第1引脚CE与 EP3C16F484C6N 芯片的第 2 引脚 GPI00_D0 连接，NRFMLO1 的第 2 引脚 CSN 与 EP3C16F484C6N 芯片的第4引脚GPI00_D1连接，NRF24L01的第3引脚SCK与EP3C16F484C6N芯片的第6 引脚GPI00_D3连接，NRF24L01的第4引脚MOSI与EP3C16F484C6N芯片的第8引脚GPI00_ D5连接，NRF24L01的第5引脚MISO与EP3C16F484C6N芯片的第10引脚GPI00_D7连接， NRF24L01 的第 6 引脚 IRQ 与 EP3C16F484C6N 芯片的第 14 引脚 GPI00_D9 连接，NRFMLO1 的第7引脚VDD与VCC3. 3V连接，NRFML01的第8引脚VSS、第14引脚VSS、第17引脚VSS和第20引脚VSS接地，NRF24L01芯片的第9引脚XC2和第10引脚XCl与晶振Xl及电阻R4 连接且分别通过电容C2、C3接地，NRF24L01芯片的第11引脚VDD_PA通过电容C4、C5接地、 同时通过电感L2与第12引脚ANTl连接，NRF24L01芯片的第12引脚ANTl通过电感Ll与第13引脚ANT2连接，NRF24L01芯片的第13引脚ANT2通过电感L3、电容C6、电容C7接地、 同时通过电感L3、电容C6与继电器J5的第1引脚连接，J5的第2引脚接地，NRF24L01芯片的第15引脚VDD和第18引脚VDD与VCC3. 3V连接、同时通过电容C9、ClO接地，NRF24L01 芯片的第16引脚IREF通过电阻R5接地，NRF24L01芯片的第19引脚DVDD通过电容C8接地。本发明的环境信息采集车与现有技术相比具有如下优点
1、本发明以一片内嵌Nios II软核处理器EP3C16F484C6N芯片和少量外围电路即可构成完整的环境信息采集系统。Nios II软核处理器具有体积小、可裁剪、可重配置的特点，本环境信息采集系统充分利用了 Nios II软核处理器内部资源，使系统硬、软件设计达到了最小化，具有硬件电路模块化、数据处理速度快、数据处理能力强、功耗低、抗干扰能力强、开发周期短和成本低廉的优点。2、本发明采用智能化的小车移动性采集环境信息，其运动机构和导向机构设计采用履带式运动，并将行星轮的运动轨迹设计为标准的椭圆运动，使得变形履带传动机构在任何形状时都能保持松紧程度不发生变化，确保车体平稳行进。3、本发明采用车载式采集和传输环境信息，移动性佳、更因其数据处理快且数据处理能力强、功耗低，可用于深入环境灾害现场，探查和监测化学品泄漏等环境信息。


图1是本发明的环境信息采集检测系统的硬件构成框图。图2是本发明的Nios II软核处理器控制单元与有毒气体检测单元的连接电路图。图3是本发明的Nios II软核处理器控制单元与环境温湿度检测单元的连接电路图。图4是本发明的NiosII软核处理器控制单元与NRF无线射频收发单元的连接电路图。图5为本发明的智能化小车的结构示意图。图6为本发明的智能化小车的机械运动简图。图7为本发明的智能化小车中行星轮轨迹坐标示意图。上述图中1驱动轮、2车体、3履带、4摄像头、5行星轮、6曲柄、7同步带、8 摆杆、9导向轮、10主臂杆、11齿轮D、12齿轮A、13齿轮B、14齿轮C、15同步带轮、16主电动机、17舵机(即主臂电动机)、18齿轮E。
具体实施例方式下面将结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细说明。实施例1 本发明的一种基于片上系统的环境信息采集车结构如图1和图5所示， 本发明的环境信息采集检测系统的硬件由有毒气体检测单元、环境温湿度检测单元、Mos II软核处理器控制单元、NRF无线射频收发单元组成；其中所述有毒气体检测单元由MQ-2 气体传感器和A/D转换器芯片TLC549构成，所述环境温湿度检测单元采用SHTlO温湿度传感器，所述NRF无线射频收发单元采用2. 4GHz无线收发模组NRF24L01芯片，所述Nios II软核处理器控制单元采用片上系统技术内嵌入EP3C16F484C6N芯片；且其中有毒气体检测单元、环境温湿度检测单元与Nios II软核处理器控制单元单向电连接，NRF无线射频收发单元与Nios II软核处理器控制单元双向电连接。本发明的智能化小车的结构如图5所示，包括车体机构、主电动机和舵机，所述的车体机构含有驱动轮1、车体2、履带3、行星轮5、曲柄6、同步带7、摆杆8、导向轮9、主臂杆 10、齿轮D11、齿轮A12、齿轮B13、齿轮C14、齿轮E18和同步带轮15，所述的车体2两侧通过驱动轮轴和导向轮轴对称地安装有驱动轮1和导向轮9，摆杆8安装在驱动轮轴和导向轮轴上，主臂杆10固定在摆杆8中点，行星轮5通过曲柄6安装在主臂杆的上部，主臂杆上安装有同步带7，履带3绕着驱动轮、导向轮和行星轮，主电动机16和舵机17安装在车体内，舵机通过与舵机同轴的齿轮E18与齿轮A12啮合，双联齿轮B13、双联齿轮C14和齿轮Dll啮合；本发明的智能化小车上摄像头4安装在车体2上方。参见图6，智能化小车的机械运动是通过的主电动机16带动驱动轮1运动，使履带 3转动，舵机17通过与舵机同轴的齿轮E18与齿轮A12啮合，一方面带动主臂杆10转动； 另一方面通过双联齿轮B13、双联齿轮C14和齿轮Dll的啮合，带动同步带轮15旋转；同步带轮15通过同步带7传动带动同步带轮19旋转，同步带轮19带动曲柄6旋转，曲柄6进一步使行星轮5回转。其中齿轮A12与齿轮Dll齿数相同，齿轮B13与齿轮C14、齿数相同，当舵机17工作时，主臂杆10转过的角度与曲柄6的绝对转角大小相等、方向相反。参见图7，本发明所述的行星轮的运动轨迹为一个标准的椭圆运动轨迹，说明本发明的智能化的小车履带在任何形状时都能保持松紧程度不发生变化。本发明的环境信息采集检测系统的有毒气体检测单元与Nios II软核处理器控制单元单向电连接，MQ-2气体传感器的第1引脚、第2引脚和第3引脚接VCC5V，第4引脚和第6引脚通过可变电阻R3接地，第5引脚直接接地；A/D转换器芯片TLC549的第2引脚 ANLG IN通过电阻R2与MQ-2气体传感器的第4引脚和第6引脚连接，TLC549芯片的第1 弓I脚REF+和第8引脚VCC与VCC5V连接，第3引脚REF-和第4引脚GND接地，TLC549芯片的第5引脚CS与EP3C16F484C6N芯片的第15引脚GPI00_D10连接，TLC549芯片的第6引脚DO与EP3C16F484C6N芯片的第13引脚GPI00_D8连接，TLC549芯片的第7引脚I/O CLK 与EP3C16F484C6N芯片的第9引脚GPI00_D6连接。本发明的环境信息采集检测系统的环境温湿度检测单元与Nios II软核处理器控制单元单向电连接，SHTlO温湿度传感器的第1引脚GND接地，SHTlO温湿度传感器的第 2引脚DATA通过Rl与VCC3. 3V连接同时与EP3C16F484C6N芯片的第7引脚GPI00_D4连接，SHTlO温湿度传感器的第3引脚SCK与EP3C16F484C6N芯片的第5引脚GPI00_D2连接， SHTlO温湿度传感器的第4引脚VDD通过电容Cl接地同时与VCC3. 3V连接。本发明环境信息采集检测系统的NRF无线射频收发单元与Nios II软核处理器控制单元双向电连接，芯片NRFML01的第1引脚CE与EP3C16F484C6N芯片的第2引脚 GPI00_D0 连接，NRF24L01 的第 2 引脚 CSN 与 EP3C16F484C6N 芯片的第 4 引脚 GPI00_D1 连接，NRFMLO1的第3引脚SCK与EP3C16F484C6N芯片的第6引脚GPI00_D3连接，NRFMLO1 的第4引脚MOSI与EP3C16F484C6N芯片的第8引脚GPI00_D5连接，NRF24L01的第5引脚MISO与EP3C16F484C6N芯片的第10引脚GPI00_D7连接，NRF24L01的第6引脚IRQ与EP3C16F484C6N芯片的第14引脚GPI00_D9连接，NRFMLO1的第7引脚VDD与VCC3. 3V连接， NRF24L01的第8引脚VSS、第14引脚VSS、第17引脚VSS和第20引脚VSS接地，NRF24L01 芯片的第9弓丨脚XC2和第10弓丨脚XCl与晶振Xl及电阻R4连接且分别通过电容C2、C3接地，NRFMLO1芯片的第11引脚VDD_PA通过电容C4、C5接地、同时通过电感L2与第12引脚 ANTl连接，NRF24L01芯片的第12引脚ANTl通过电感Ll与第13引脚ANT2连接，NRF24L01 芯片的第13引脚ANT2通过电感L3、电容C6、电容C7接地、同时通过电感L3、电容C6与继电器J5的第1引脚连接，J5的第2引脚接地，NRF24L01芯片的第15引脚VDD和第18引脚 VDD与VCC3. 3V连接、同时通过电容C9、ClO接地，NRF24L01芯片的第16引脚IREF通过电阻R5接地，NRF24L01芯片的第19引脚DVDD通过电容C8接地。在整个环境信息采集检测系统中，首先需要在EP3C16F484C6N芯片中构建以Nios II软核处理器为主的片上系统，实现EP3C16F484C6N芯片与各个单元模块的硬件连接，整个系统的硬、软件结构分为两层，最底层是由Nios II、TL⑶49、SPI、PIO等IP核组成的硬件层；最上层是软件层，包括实现对TLC549、SHT10和NRF24L01的驱动，将MQ-2和SHTlO采集到的数据通过NRF24L01发送至上位机。在工作时，环境信息采集检测系统的有毒气体检测单元及环境温湿度检测单元对周围环境参数进行实时监测、同时将采集到的气体及温湿度数据传输到Mos II软核处理器，Nios II软核处理器对采集到的数据进行判断及处理、并将经处理的有效数据传输至无线射频收发单元，无线射频收发单元再将数据传输至上位机以实现远程监控。本发明的一种基于片上系统的环境信息采集车，为车载型设备。其优势一方面是由Mos II软核处理器的应用带来的，体积小，功能强，使用方便，可以根据用户的应用需要对Mos II软核处理器的性能及外设进行裁剪，用户可以使用硬件语言针对某个外设写个 IP核，然后在Altera提供的Quartus II软件上建立以Nios II为核心的片上系统时将自己写的IP核添加进去，这样简便软件设计，同时能提高系统速度；另一方面是采用智能的小车，移动性佳，可用于深入环境灾害现场，进行持续探查和监测化学品泄漏等环境信息。
权利要求
1.一种基于片上系统的环境信息采集车，包括智能化小车和环境信息采集检测系统， 其特征在于所述的智能化小车含有车体机构、运动机构、导向机构、控制运动机构的主电动机；所述的运动机构对称设置在车体两侧，所述的导向机构与运动机构连接；所述的主电动机、舵机和环境信息采集检测系统设置在车体中；所述的环境信息采集检测系统由有毒气体检测单元、环境温湿度检测单元、Nios II软核处理器控制单元、NRF无线射频收发单元组成；其中所述有毒气体检测单元由MQ-2气体传感器和A/D转换器芯片TLC549构成，所述环境温湿度检测单元采用SHTlO温湿度传感器，所述NRF无线射频收发单元采用2. 4GHz 无线收发模组NRF24L01芯片，所述Nios II软核处理器控制单元采用片上系统技术内嵌入 EP3C16F484C6N芯片；所述的有毒气体检测单元、环境温湿度检测单元与Nios II软核处理器控制单元单向电连接，NRF无线射频收发单元与Nios II软核处理器控制单元双向电连接。
2.根据权利要求1所述的基于片上系统的环境信息采集车，其特征在于所述的环境信息采集检测系统中的MQ-2气体传感器的第1引脚、第2引脚和第3引脚接VCC5V，第4引脚和第6引脚通过可变电阻R3接地，第5引脚直接接地；A/D转换器芯片TLC549的第2引脚ANLG IN通过电阻R2与MQ-2气体传感器的第4引脚和第6引脚连接，TLC549芯片的第 1引脚REF+和第8引脚VCC与VCC5V连接，第3引脚REF-和第4引脚GND接地，TLC549芯片的第5引脚CS与EP3C16F484C6N芯片的第15引脚GPI00_D10连接，TLC549芯片的第6 引脚DO与EP3C16F484C6N芯片的第13引脚GPI00_D8连接，TLC549芯片的第7引脚I/O CLK与EP3C16F484C6N芯片的第9引脚GPI00_D6连接。
3.根据权利要求1所述的基于片上系统的环境信息采集车，其特征在于所述的环境信息采集检测系统中的SHTlO温湿度传感器的第1引脚GND接地，SHTlO温湿度传感器的第2引脚DATA通过Rl与VCC3. 3V连接同时与EP3C16F484C6N芯片的第7引脚GPI00_D4 连接，SHTlO温湿度传感器的第3引脚SCK与EP3C16F484C6N芯片的第5引脚GPI00_D2连接，SHTlO温湿度传感器的第4引脚VDD通过电容Cl接地同时与VCC3. 3V连接。
4.根据权利要求1所述的基于片上系统的环境信息采集车，其特征在于所述的环境信息采集检测系统中的芯片NRFML01的第1引脚CE与EP3C16F484C6N芯片的第2引脚 GPI00_D0 连接，NRF24L01 的第 2 引脚 CSN 与 EP3C16F484C6N 芯片的第 4 引脚 GPI00_D1 连接，NRFMLO1的第3引脚SCK与EP3C16F484C6N芯片的第6引脚GPI00_D3连接，NRFMLO1 的第4引脚MOSI与EP3C16F484C6N芯片的第8引脚GPI00_D5连接，NRF24L01的第5引脚MISO与EP3C16F484C6N芯片的第10引脚GPI00_D7连接，NRF24L01的第6引脚IRQ与 EP3C16F484C6N芯片的第14引脚GPI00_D9连接，NRFMLO1的第7引脚VDD与VCC3. 3V连接， NRF24L01的第8引脚VSS、第14引脚VSS、第17引脚VSS和第20引脚VSS接地，NRF24L01 芯片的第9弓丨脚XC2和第10弓丨脚XCl与晶振Xl及电阻R4连接且分别通过电容C2、C3接地，NRF24L01芯片的第11引脚VDD_PA通过电容C4、C5接地、同时通过电感L2与第12引脚 ANTl连接，NRF24L01芯片的第12引脚ANTl通过电感Ll与第13引脚ANT2连接，NRF24L01 芯片的第13引脚ANT2通过电感L3、电容C6、电容C7接地、同时通过电感L3、电容C6与继电器J5的第1引脚连接，J5的第2引脚接地，NRF24L01芯片的第15引脚VDD和第18引脚 VDD与VCC3. 3V连接、同时通过电容C9、ClO接地，NRF24L01芯片的第16引脚IREF通过电阻R5接地，NRF24L01芯片的第19引脚DVDD通过电容C8接地。
全文摘要
本发明涉及一种基于片上系统的环境信息采集车，包括智能化小车和环境信息采集检测系统，智能化小车含有车体机构、运动机构、导向机构和主电动机；运动机构设在车体两侧，主电动机、舵机和环境信息采集检测系统设在车体中；环境信息采集检测系统由有毒气体检测单元、环境温湿度检测单元、NiosII软核处理器控制单元、NRF无线射频收发单元组成；有毒气体检测单元、环境温湿度检测单元与NiosII软核处理器控制单元单向电连接，NRF无线射频收发单元与NiosII软核处理器控制单元双向电连接。本发明为车载型设备，具有体积小、数据处理速度快、功耗低、移动性好和成本低的优点，可代替人力在恶劣场所采集和监测环境。
文档编号G01K7/00GK102338764SQ20111034251
公开日2012年2月1日 申请日期2011年11月3日 优先权日2011年11月3日
发明者刘经龙, 张怀, 彭岳齐, 李亚敏, 沈耀东, 王典洪, 陈分雄, 陈春晖 申请人:中国地质大学(武汉)