Переносная система видеонаблюдения: робот с камерой на Raspberry Pi и Arduino

Компоненты и материалы

• Arduino Pro Mini 328 5V/16MHz — 1 шт.
• Колёса с редукторами + крепления — 2 комплекта (передний привод)
• L298 Dual H-Bridge (SparkFun) — 1 шт.
• Raspberry Pi 3 Model B — 1 шт.
• Raspberry Pi Camera Module — 1 шт.
• Плексиглас / пластик для шасси
• 2 любых поворотных колеса (задняя ось)
• Мини-фонарик (превращается в фарю)
• 2 IR-датчика препятствий (перед/зад)
• PCB, транзистор (для фары), L7805CV (5V), 3.3V стабилизатор (UART Pi↔Arduino)
• XT-60 разъём, 2S LiPo 1300 mAh, 5V пауэрбанк, выключатель
• Корпус Raspberry Pi, microSD (≥4 GB)

Инструменты

• FTDI USB-UART адаптер (прошивка Pro Mini)
• Arduino IDE
• Дрель, мелкозубная пила, отвёртки, паяльник, кусачки

О проекте

Сложный, но полезный проект: от проектирования робота до Linux-настроек (Docker, systemd, uv4l), Android-приложения и MQTT-управления. Робот ездит независимо двумя передними колесами, поворачивает разницей скоростей, имеет фару, стримит видео с Pi Camera на телефон по Wi-Fi.

Технологии

• Платформы: Arduino, Raspberry Pi, Android
• Электроника: H-мост, ключевой транзистор, IR-датчики
• Linux: Docker, docker-compose, systemctl, видеостриминг (uv4l)
• Программирование: Android (Java/Kotlin), Python, Arduino C++, UART, MQTT

Этап 1: Механика

База 18×13 см из плексигласа. Передние моторы-редукторы на металлических кронштейнах. L298 на дне базы. Задние колеса на 20-мм шестигранных стойках. Большое отверстие для проводов наверх. Верх — две Г-образные пластины (12×13 и 6.5×13 см), склеенные — закрывают электронику, держат фарю и корпус Pi. Соединены с основанием 60-мм стойками.

Этап 2: Электроника

Pinout Arduino Pro Mini:

• Фара: D3
• Левый мотор: PWM D5, EN1 A4, EN2 A5
• Правый мотор: PWM D6, EN1 A3, EN2 A2
• IR-датчики: перед A0, зад A1
• UART к Raspberry Pi: TX D11, RX D10 (через 3.3V стабилизатор)

Печатная плата: разъёмы для Pro Mini, H-моста, IR-датчиков, фары, питания, UART. Стабилизаторы 5V и 3.3V, транзистор для фары. Все провода по схеме Fritzing.

Сборка PCB

1. IR-датчики на металлических пластинах Л-образной формы спереди и сзади.
2. Фара: вырезан головка фонарика, приклеена в центр верха, провода через отверстие.
3. Корпус Pi: вставьте microSD с Raspbian, подключите камеру, закройте корпус.
4. Паяйте PCB по фрицingu: разъёмы, стабилизаторы, транзистор, провода.
5. Соедините: 5V пауэрбанк → USB-A → microUSB Pi + пины Pro Mini; LiPo 2S через выключатель → клеммник на PCB → H-мост и моторы.
6. Проверьте мультиметром перед установкой Pro Mini.

Этап 3: Код Arduino

Arduino — промежуточный слой: безопасность (дешевле заменить), реальное время (PWM, опрос датчиков без ОС), надёжность (watchdog не зависит от Linux).

Протокол по UART (9600):

• M:-25:16; — поворот налево (левый -25%, правый +16%), мощность 16
• M:44:19; — направо
• L:1; / L:0; — фара вкл/выкл

Arduino опрашивает IR-датчики каждые 500 мс и шлёт: F=3:B=0; (расстояние 0..10).

Библиотека TextMotorCommandsInterpretter парсит команды. Скетч на GitHub.

Этап 4: Raspberry Pi — Docker, uv4l, MQTT, Python

Архитектура:

• Android-приложение → WebView (uv4l stream) + кнопки → MQTT (mosquitto)
• Python-сервер в Docker → подписка на MQTT → UART команды Arduino
• Arduino → UART данные датчиков → Python → MQTT → Android

Подготовка Pi

1. Raspbian + включённая камера + SSH.
2. git clone https://github.com/danionescu0/robot-camera-platform.git в /home/pi (путь жёстко задан в docker-compose.yml).
3. Отключите serial console на Pi (нужен UART для Arduino).

uv4l (видеостриминг)

chmod +x uv4l/install.sh uv4l/start.sh
sh ./uv4l/install.sh
sh ./uv4l/start.sh  # настройте порт, пароль, фпс в start.sh

Проверка: https://ip_pi:9090/stream.

Docker + docker-compose

Установка: официальный блог.

В config.py укажите пароль MQTT, UART порт/baud. В docker-container/mosquitto/Dockerfile — логин/пароль mosquitto.

Автозапуск через systemd

cp systemctl/* /etc/systemd/system/
sudo systemctl enable robot-camera.service robot-camera-video.service
reboot

Этап 5: Android-приложение

1. git clone https://github.com/danionescu0/android-robot-camera
2. Android Studio, включите Developer Options на телефоне.
3. Откройте проект, в app/src/main/res/values/passwords.xml пропишите MQTT-хост/порт и стриминг URL.
4. Build → Run на телефоне.

Интерфейс приложения

• Лево: видео (WebView uv4l).
• Право: руль (тач-управление), кнопка фары.
• Верхний правый угол: статус — стрелка препятствия, «Batt», «Connected/Disconnected».

Отладка

1. Arduino: FTDI на второй UART (RX←D11, TX→D10) → посылайте команды вручную.
2. Pi: docker ps, netstat -nltp (порты 9090, 1883), ls -l /dev/ttyS0, picocom -b 9600 /dev/ttyS0 для ручного теста.
3. Android: проверьте passwords.xml, логи в Android Studio, статус «Connected».

Расширения

• Следование за объектом по цвету (OpenCV, HSV-фильтр) — см. папку navigation/.
• Распознавание лиц, патрулирование, 3G-модем вместо Wi-Fi.

Код

• Android-приложение: GitHub
• Основной репозиторий (Arduino, Python, Docker, Fritzing): GitHub

Схемы

• Fritzing: sketch_nWf7cZeUWL.fzz
• Ссылки на репозитории выше.