Радар с использованием Arduino, ультразвукового датчика и приложения на Android: схема и программа

Безопасность всегда играла важную роль в жизни человечества. С целью обеспечения безопасности своего жилища многим хотелось бы установить камеру видеонаблюдения с функцией ночного видения и регулировкой угла наклона, но такое устройство может достаточно дорого стоить. В этой статье мы рассмотрим значительно более дешевую альтернативу подобному устройству, но без функции видео.

Проектируемое нами устройство обеспечения безопасности будет основано на использовании ультразвукового датчика и будет способно обнаруживать различные объекты как днем, так и ночью. Дополнительно к этому мы смонтируем ультразвуковой датчик на оси сервомотора, что позволяет либо вращать его в автоматическом режиме для сканирования определенной области, либо в ручном режиме с помощью приложения на смартфоне. Вся информация, собираемая ультразвуковым датчиком, будет передаваться на наш смартфон с помощью Bluetooth модуля HC-05. То есть наше устройство будет работать подобно радару или сонару.

Необходимые компоненты

Аппаратное обеспечение

Плата Arduino Mega (можно использовать любую другую плату Arduino) (купить на AliExpress).
Ультразвуковой датчик HC-SR04 (купить на AliExpress).
Bluetooth модуль HC-05 (купить на AliExpress).
Сервомотор (купить на AliExpress).
Источник питания с напряжением 5 В.
Макетная плата (не обязательно).
Соединительные провода.
Телефон на операционной системе Android.
Компьютер для программирования.

Программное обеспечение

Arduino Software.
Android SDK.
Processing Android (для создания мобильного приложения).

Внешний вид используемых нами компонентов представлен на следующем рисунке.

Скачивание и установка необходимого программного обеспечения

Программную среду Arduino IDE можно скачать по этой ссылке, хотя если вы читаете этот материал наверняка она у вас уже есть. Arduino IDE требует драйвера для взаимодействия с платой Arduino. Обычно этот драйвер устанавливается автоматически как только вы подключаете плату Arduino к вашему компьютеру. Но если у вас возникла проблема с этим шагом, то найти ее решение вы можете в полном руководстве по плате Arduino Uno на нашем сайте.

Программную среду Processing IDE можно скачать по этой ссылке. Processing представляет собой отличную программную среду с открытым исходным кодом, хорошо подходящую для многих DIY (сделай сам) проектов. Она имеет несколько режимов работы. В режиме “Java Mode” мы можем создать в ней оконное приложение для операционной системы Windows (.EXE files), в режиме “Android mode” – мобильное приложение для Android (.APK files), в режиме “Python mode” можно писать программы на языке Python. В данной статье мы не будем подробно описывать работу с данной программной средой (для этой цели в сети есть специализированные сайты), но будет приведен текст программы в ней для нашего проекта, который вы можете использовать если не хотите изучать данную программную среду.

Работа схемы

Схема устройства представлена на следующем рисунке.

Схема устройства содержит много разнообразных электронных компонентов таких как сервомотор, Bluetooth модуль, ультразвуковой датчик и т.д. Поэтому если вы начинающий радиолюбитель/микроконтроллерщик, то вам перед конструированием этого устройства желательно изучить более простые проекты, использующие данные компоненты. На нашем сайте такие проекты можно найти по следующим ссылкам: проекты на сервомоторах, проекты с использованием Bluetooth модуля, проекты с использованием ультразвукового датчика.

Все компоненты нашей схемы не могут быть запитаны от платы Arduino поскольку все вместе они потребляют достаточно большой ток – если мы их все подключим к одной плате Arduino, то мы можем испортить регулятор напряжения платы. Поэтому рекомендуется использовать внешний источник питания с напряжением +5V. Если у вас нет такого источника, то для этой цели вы можете использовать вторую плату Arduino как мы и сделали в нашем проекте. Мы запитали Bluetooth модуль HC-05 и ультразвуковой датчик HC-SR04 от платы Arduino mega, а сервомотор – от другой платы Arduino (она на фотографиях в статье красного цвета).

Когда все соединения в схеме сделаны, смонтируйте ультразвуковой датчик на сервомоторе примерно так, как показано на следующем рисунке:

Мы использовали небольшой кусок пластика и двухсторонний скотч чтобы подобным образом прикрепить ультразвуковой датчик к сервомотору, но вы можете любой другой способ, какой вам больше понравится. Также в магазинах можно купить специальные держатели для сервомоторов, которые можно использовать для этой цели.

Результирующая конструкция у нас выглядит следующим образом:

Объяснение кода программы для Arduino

Основой кода будет определение расстояния до препятствия с помощью ультразвукового датчика и передача его значения в мобильное приложение. Также необходимо написать код программы, позволяющий управлять сервомотором с помощью команд, получаемых от Bluetooth модуля. Но не думайте что программа будет очень сложной – все будет гораздо проще чем вы думаете, спасибо функционалу Arduino и ее библиотекам. Полный код программы приведен далее в статье.

Следующая функция заставляет сервомотор поворачиваться в автоматическом режиме сначала слева направо (со 170 до 10 градусов), а потом – справа налево (с 10 до 170 градусов). Для этого в программе используются два цикла. Внутри обоих циклов вызывается функция us() для расчета расстояния между ультразвуковым датчиком и объектом и передачи значения этого расстояния по Bluetooth. Задержка в 50 ms нужна чтобы сервомотор вращался медленно. Чем медленнее поворачивается сервомотор, тем более точные данные вы получите.

//**Function for servo to sweep**//
void servofun()
{
  Serial.println("Sweeping"); //for debugging 
  for(posc = 10;posc <= 170;posc++)   // используем безопасные значения углов от 10 до 170 градусов вместо 0 и 180 градусов, потому что некоторые сервомоторы не могут работать с экстремальными значениями углов
  {                                
    servo.write(posc); // set the position of servo motor
    delay(50);  
  us();    //функция измерения расстояния до объекта с использованием ультразвукового датчика                
  } 
  
  for(posc = 170;posc >= 10;posc--)   
  {                                
    servo.write(posc);
    delay(50); 
    us();    //функция измерения расстояния до объекта с использованием ультразвукового датчика             
  } 
  Serial.println ("Scan Complete"); //for debugging
  flag=0;
}
//**End of Servo sweeping function**//

//**Function for servo to sweep**//

void servofun()

{

Serial.println("Sweeping"); //for debugging

for(posc = 10;posc <= 170;posc++) // используем безопасные значения углов от 10 до 170 градусов вместо 0 и 180 градусов, потому что некоторые сервомоторы не могут работать с экстремальными значениями углов

{

servo.write(posc); // set the position of servo motor

delay(50);

us(); //функция измерения расстояния до объекта с использованием ультразвукового датчика

}

for(posc = 170;posc >= 10;posc--)

{

servo.write(posc);

delay(50);

us(); //функция измерения расстояния до объекта с использованием ультразвукового датчика

}

Serial.println ("Scan Complete"); //for debugging

flag=0;

}

//**End of Servo sweeping function**//

Как мы уже говорили ранее, в данном проекте мы предусмотрели ручное управление сервомотором со смартфона. В данном случае необходимое значение угла поворота сервомотора будет приниматься Bluetooth модулем и сохраняться в переменной BluetoothData, затем устанавливается позиция оси сервомотора с помощью вызова функции servo.write(BluetoothData).

//**функция ручного управления сервомотором**//
void manualservo()
{  
us();

// получаем данные от пользователя и с их помощью управляем сервомотором
   if (Blueboy.available())
{
BluetoothData=Blueboy.read();
Serial.println(BluetoothData);
  servo.write(BluetoothData);
  Serial.println("Written");
   if (BluetoothData == 'p')
   {
   flag=0;
   }
}
}
//__End of manual control function__//

//**функция ручного управления сервомотором**//

void manualservo()

{

us();

// получаем данные от пользователя и с их помощью управляем сервомотором

if (Blueboy.available())

{

BluetoothData=Blueboy.read();

Serial.println(BluetoothData);

servo.write(BluetoothData);

Serial.println("Written");

if (BluetoothData == 'p')

{

flag=0;

}

//__End of manual control function__//

В следующей функции рассчитывается дистанция до объекта по простой формуле Speed = Distance/time (скорость=расстояние/время). Поскольку мы знаем скорость распространения ультразвуковой волны и время между излучением и приемом отраженного ультразвукового сигнала, то по приведенной формуле мы можем рассчитать расстояние до объекта.

//**функция для измерения расстояния**//
void us()
{
 int duration, distance;
  digitalWrite(trigPin, HIGH);
  delayMicroseconds(1000);
  digitalWrite(trigPin, LOW);
  duration = pulseIn(echoPin, HIGH);
  distance = (duration/2) / 29.1; // расчет расстояния до объекта
  if (distance<200 && distance >0)
Blueboy.write(distance);       
}
//__End of distance measuring function__//

//**функция для измерения расстояния**//

void us()

{

int duration, distance;

digitalWrite(trigPin, HIGH);

delayMicroseconds(1000);

digitalWrite(trigPin, LOW);

duration = pulseIn(echoPin, HIGH);

distance = (duration/2) / 29.1; // расчет расстояния до объекта

if (distance<200 && distance >0)

Blueboy.write(distance);

}

//__End of distance measuring function__//

Программа для Android приложения

Если вы не хотите писать собственное Android приложение, то вы можете скачать и установить уже готовое приложение. Для этого необходимо выполнить следующие шаги:

Скачайте APK file приложения по следующей ссылке - Android Application for Ultrasonic Radar. Работает для версии Android 4.4.2 и выше. Извлеките APK файл из zip файла.
Передайте этот .Apk файл с компьютера на ваш смартфон.
Разрешите установку приложения из неизвестного источника в настройках вашего смартфона.
Установите приложение.

Если установка приложения прошла успешно, то вы на экране своего смартфона увидите установленное приложение под именем Zelobt” как показано на следующем рисунке:

Если вы успешно установили это приложение, то можете пропустить следующий раздел нашей статьи.

Программирование своего собственного приложения с использованием Processing

Если наше приложение вас не устраивает и вы хотите написать свое собственное Android приложение для управления рассматриваемым в этой статье радаром, то вы можете сделать это с помощью программной среды Processing. Для этого понадобятся минимальные знания в программировании. Но если у вас совсем не имеется опыта программирования, то лучше вам все таки скачать готовое приложение в предыдущем раздела статьи.

Подобное приложение использует две библиотеки, которые называются “Ketai library” и “ControlP5 library”. Ketai library используется для управления всеми аппаратными средствами вашего смартфона, например, уровнем заряда батареи, значениями с датчика близости (proximity sensor), значениями с датчика ускорения (accelerometer sensor), настройками Bluetooth и т.д. Ко всем этим настройкам можно легко получить доступ с использованием Ketai library. В нашей программе мы используем эту библиотеку для установления связи между Bluetooth смартфона и Bluetooth модулем HC-05, подключенном к Arduino. Библиотека “ControlP5 library” используется для построения графиков на основе данных, получаемых от нашего радара.

Полный текст этой программы вы можете скачать по следующей ссылке и внести в него необходимые вам изменения.

Замечание: не забудьте установить две упомянутые библиотеки и не копируйте просто код программы, потому что код программы импортирует изображения из каталога с данными, который вы также скачаете по приведенной ссылке.

Если вы закончили с написанием программы и успешно скомпилировали ее вы можете соединить ваш смартфон с компьютером соответствующим кабелем и скопировать и установить ее на ваш смартфон.

Объяснение работы проекта

Включите питание устройства (если оно все уже собрано) и включите Bluetooth на вашем смартфоне. Запустите наше приложение “Zelobt” и подождите несколько секунд – ваш Bluetooth модуль HC-05 должен автоматически установить соединение с вашим смартфоном. Как только соединение будет установлено на экране смартфона вы увидите следующую картинку:

Как можно видеть, вверху приложения показывается имя устройства (Device name) с которым мы связаны по Bluetooth. Также отображается текущий угол поворота оси сервомотора и дистанция от ультразвукового датчика до объекта. Также на экран выводится синий график на красном фоне, отображающий расстояние до объекта. На картинке слева показан вид этого графика, когда рядом с ультразвуковым датчиком нет никакого объекта, а справа – когда рядом с датчиком появляется какой либо объект.

Также, как упоминалось ранее, с помощью этого приложения вы можете управлять поворотом оси сервомотора. Чтобы перейти в режим ручного управления сервомотором нажмите кнопку stop в приложении. Также внизу приложения вы может видеть специальный круг, с помощью которого вы можете управлять вращением оси сервомотора по часовой или против часовой стрелки и, таким образом, установить сервомотор в необходимое вам положение.

Исходный код программы для Arduino

В данном разделе приведен полный код программы рассматриваемого проекта радара для платы Arduino. Если у вас возникнут вопросы, то вы можете задать их в комментариях к данной статье.

//*подключение необходимых заголовочных файлов**//
#include <Servo.h>
#include <SoftwareSerial.h>
//__End of including headers__//
//**инициализация контактов для ультразвукового датчика**//
#define trigPin 4
#define echoPin 5
///__End of defaniton__//
SoftwareSerial Blueboy(10, 11); //называем наш Bluetooth можуль именем Blueboy и будем использовать в качестве контактов RX и TX последовательного порта контакты 10 и 11
Servo servo;  //даем имя нашему сервомотору
//**объявляние глобальных переменных**//
int BluetoothData; 
int posc = 0; 
int flag=10;
//__End of global variable declartion__//

void setup() //исполняется один раз
{
  servo.attach(9); //сервомотор подсоединяем к контакту 9
  pinMode(trigPin, OUTPUT); // устанавливаем режим работы trigpin на вывод данных
  pinMode(echoPin, INPUT);  //echopin – на ввод данных
  Serial.begin(38400); //последовательный монитор будет работать на скорости 38400 бод/с для целей отладки проекта
  Blueboy.begin(9600); //Bluetooth модуль будет работать на скорости 9600 бод/с
  Blueboy.println("Blueboy is active"); //подтверждение от Bluetooth
}
void loop()  //бесконечный цикл
{
//**Program to start or stop the Survilance devide**//
   if (Blueboy.available())
{
Serial.println("Incoming");   //for debugging
BluetoothData=Blueboy.read(); //считывание данных от bluetooth  
Serial.println(BluetoothData); //for debugging
   if (BluetoothData == 'p') // если от мобильного приложения получен символ 'p'
   {
   flag=0; // переводим устройство в автоматический режим
   }
   if (BluetoothData == 's') // если от мобильного приложения получен символ 's'
   {
   flag=1; //останавливаем движение радара и переводим его в ручной режим
   } 
Serial.println(flag); //for debugging
}
if (flag==0)
servofun(); // сервомотор вращается в автоматическом режиме 
if (flag==1)
manualservo(); //ручное управление сервомотором
}
//_End of loop program__//
 
//**функция для автоматического вращения сервомотора**//
void servofun()
{
  Serial.println("Sweeping"); //for debugging 
  for(posc = 10;posc <= 170;posc++)   // используем безопасные значения углов от 10 до 170 градусов вместо 0 и 180 градусов, потому что некоторые сервомоторы не могут работать с экстремальными значениями углов
  {                                
    servo.write(posc); // устанавливаем позицию сервомотора 
    delay(50);  
  us();    //измеряем расстояние до объекта с помощью ультразвукового датчика 
  } 
  
  for(posc = 170;posc >= 10;posc--)   
  {                                
    servo.write(posc);
    delay(50); 
    us();    //измеряем расстояние до объекта с помощью ультразвукового датчика
  } 
  Serial.println ("Scan Complete"); //for debugging
  flag=0;
}
//**End of Servo sweeping function**//
 
//**функция для ручного управления сервомотором**//
void manualservo()
{  
us();
// получаем данные от пользователя и используем их для управления сервомотором
   if (Blueboy.available())
{
BluetoothData=Blueboy.read();
Serial.println(BluetoothData);
  servo.write(BluetoothData);
  Serial.println("Written");
   if (BluetoothData == 'p')
   {
   flag=0;
   }
}
}
//__End of manual control function__//
 
//**функция для измерения расстояний**//
void us()
{
 int duration, distance;
  digitalWrite(trigPin, HIGH);
  delayMicroseconds(1000);
  digitalWrite(trigPin, LOW);
  duration = pulseIn(echoPin, HIGH);
  distance = (duration/2) / 29.1; // расчет расстояния
  if (distance<200 && distance >0)
Blueboy.write(distance);       
}
//__End of distance measuring function__//

100

101

102

103

104

//*подключение необходимых заголовочных файлов**//

#include <Servo.h>

#include <SoftwareSerial.h>

//__End of including headers__//

//**инициализация контактов для ультразвукового датчика**//

#define trigPin 4

#define echoPin 5

///__End of defaniton__//

SoftwareSerial Blueboy(10, 11); //называем наш Bluetooth можуль именем Blueboy и будем использовать в качестве контактов RX и TX последовательного порта контакты 10 и 11

Servo servo; //даем имя нашему сервомотору

//**объявляние глобальных переменных**//

int BluetoothData;

int posc = 0;

int flag=10;

//__End of global variable declartion__//

void setup() //исполняется один раз

{

servo.attach(9); //сервомотор подсоединяем к контакту 9

pinMode(trigPin, OUTPUT); // устанавливаем режим работы trigpin на вывод данных

pinMode(echoPin, INPUT); //echopin – на ввод данных

Serial.begin(38400); //последовательный монитор будет работать на скорости 38400 бод/с для целей отладки проекта

Blueboy.begin(9600); //Bluetooth модуль будет работать на скорости 9600 бод/с

Blueboy.println("Blueboy is active"); //подтверждение от Bluetooth

}

void loop() //бесконечный цикл

{

//**Program to start or stop the Survilance devide**//

if (Blueboy.available())

{

Serial.println("Incoming"); //for debugging

BluetoothData=Blueboy.read(); //считывание данных от bluetooth

Serial.println(BluetoothData); //for debugging

if (BluetoothData == 'p') // если от мобильного приложения получен символ 'p'

{

flag=0; // переводим устройство в автоматический режим

}

if (BluetoothData == 's') // если от мобильного приложения получен символ 's'

{

flag=1; //останавливаем движение радара и переводим его в ручной режим

}

Serial.println(flag); //for debugging

}

if (flag==0)

servofun(); // сервомотор вращается в автоматическом режиме

if (flag==1)

manualservo(); //ручное управление сервомотором

}

//_End of loop program__//

//**функция для автоматического вращения сервомотора**//

void servofun()

{

Serial.println("Sweeping"); //for debugging

{

servo.write(posc); // устанавливаем позицию сервомотора

delay(50);

us(); //измеряем расстояние до объекта с помощью ультразвукового датчика

}

for(posc = 170;posc >= 10;posc--)

{

servo.write(posc);

delay(50);

us(); //измеряем расстояние до объекта с помощью ультразвукового датчика

}

Serial.println ("Scan Complete"); //for debugging

flag=0;

}

//**End of Servo sweeping function**//

//**функция для ручного управления сервомотором**//

void manualservo()

{

us();

// получаем данные от пользователя и используем их для управления сервомотором

if (Blueboy.available())

{

BluetoothData=Blueboy.read();

Serial.println(BluetoothData);

servo.write(BluetoothData);

Serial.println("Written");

if (BluetoothData == 'p')

{

flag=0;

}

//__End of manual control function__//

//**функция для измерения расстояний**//

void us()

{

int duration, distance;

digitalWrite(trigPin, HIGH);

delayMicroseconds(1000);

digitalWrite(trigPin, LOW);

duration = pulseIn(echoPin, HIGH);

distance = (duration/2) / 29.1; // расчет расстояния

if (distance<200 && distance >0)

Blueboy.write(distance);

}

//__End of distance measuring function__//

Видео, демонстрирующее работу схемы

(Проголосуй первым!)

Загрузка...

2 696 просмотров

Необходимые компоненты

Аппаратное обеспечение

Программное обеспечение

Скачивание и установка необходимого программного обеспечения

Работа схемы

Объяснение кода программы для Arduino

Программа для Android приложения

Программирование своего собственного приложения с использованием Processing

Объяснение работы проекта

Исходный код программы для Arduino

Видео, демонстрирующее работу схемы

Похожие статьи

Добавить комментарий Отменить ответ