家居安全隱患的智能機(jī)器人多傳感器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

毛麗民，盧振利，2，王晨希，胡建秋

(1. 常熟理工學(xué)院電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，江蘇常熟215500;2. 阿威羅大學(xué)電子和信息通信工程研究所，葡萄牙中阿威羅3810－193)

0 前言

科技的進(jìn)步改善著人們的生活，家居環(huán)境這方面尤為突出［1］。樓宇自動(dòng)化裝備使人民的生活更加舒適，各種現(xiàn)代化設(shè)備進(jìn)入了千家萬(wàn)戶［2］。各種電氣裝置讓做飯、洗衣服都實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，燃?xì)庖哺淖兞巳嗣竦娜∨绞?。針?duì)人民生活設(shè)計(jì)的各類服務(wù)機(jī)器人也隨之迅猛發(fā)展［3］。豪華裝修中為了追求裝修效果，過(guò)多采用易燃材料，隱蔽電氣線路，線路型號(hào)選擇不當(dāng)，家庭用火用電不慎、小孩玩火等都極易誘發(fā)火災(zāi)。一旦發(fā)生火災(zāi)，往往火勢(shì)很快蔓延，易產(chǎn)生大量有毒氣體，給居民生命財(cái)產(chǎn)安全造成很大威脅［4］。如何針對(duì)現(xiàn)代樓宇中家居環(huán)境的典型安全隱患進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)，并將信息實(shí)時(shí)發(fā)送給房屋主人，讓主人在第一時(shí)間進(jìn)行報(bào)警，并通過(guò)遠(yuǎn)程操作對(duì)火災(zāi)利用機(jī)器人進(jìn)行第一時(shí)間的撲滅，具有重大研究意義。該類機(jī)器人研究為實(shí)現(xiàn)無(wú)人化自動(dòng)監(jiān)控提供了保障［5－8］。

文中設(shè)計(jì)針對(duì)現(xiàn)代家庭安防展開(kāi)研究的基礎(chǔ)上，應(yīng)用多傳感器和現(xiàn)代通訊設(shè)備設(shè)計(jì)了一種智能機(jī)器人。針對(duì)各種原因引起的煙霧和火焰進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，將其信息發(fā)送給主人，并在主人遠(yuǎn)程操作下對(duì)火焰等第一時(shí)間進(jìn)行撲滅，為人民生活安全具有及其重要的作用。

1 機(jī)器人總體設(shè)計(jì)

針對(duì)現(xiàn)代家庭的布局特點(diǎn)，設(shè)計(jì)機(jī)器人本體如圖1 所示。其通過(guò)四輪驅(qū)動(dòng)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)在室內(nèi)環(huán)境的巡航功能。

圖1 機(jī)器人機(jī)構(gòu)

該機(jī)器人不但能實(shí)現(xiàn)普通的防災(zāi)報(bào)警功能，而且還能在檢測(cè)到具體的危險(xiǎn)源后，通過(guò)電腦來(lái)遠(yuǎn)程控制機(jī)器人進(jìn)行相應(yīng)的簡(jiǎn)單處理。智能家居報(bào)警機(jī)器人通過(guò)煙霧傳感器、火焰?zhèn)鞲衅?、瓦斯檢測(cè)傳感器檢測(cè)潛在危險(xiǎn)源或者已有的危險(xiǎn)源，通過(guò)GSM 模塊發(fā)短信給用戶，用戶在接到短信后，登陸上位機(jī)遠(yuǎn)程控制機(jī)器人，通過(guò)攝像頭觀察現(xiàn)場(chǎng)情況，控制機(jī)器人對(duì)著危險(xiǎn)源做簡(jiǎn)單處理。通過(guò)升降云臺(tái)，不僅可以調(diào)整傳感器角度，而且可以擴(kuò)大機(jī)器人的視角。融合多傳感器信息的控制體系機(jī)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 多傳感器體系結(jié)構(gòu)圖

2 機(jī)器人的控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)的硬件設(shè)計(jì)

由于智能家居報(bào)警機(jī)器人采用四輪驅(qū)動(dòng)方式。4個(gè)電機(jī)都由不同的單片機(jī)管腳進(jìn)行正反轉(zhuǎn)控制。而STC RX32 單片機(jī)模塊上只支持2 路電機(jī)驅(qū)動(dòng)，機(jī)器人的兩路電機(jī)A、B 接驅(qū)動(dòng)板上的兩路電機(jī)接口，外接兩路電機(jī)C、D 通過(guò)L298 與驅(qū)動(dòng)板管腳進(jìn)行連接，如圖3 所示。

圖3 L298 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖

2.2 控制系統(tǒng)供電電路設(shè)計(jì)

圖4 是一個(gè)典型的用變壓器降壓，以7805 為芯片的+5 V 電源。圖中的電容C1、C2為電解電容，根據(jù)負(fù)載的大小來(lái)確定，理論上電容越大，輸出的電壓越穩(wěn)定。C1、C2的耐壓值至少在25 V 以上，而C3、C4的耐壓值在9 V 以上即可，電路需有接地。

圖4 主系統(tǒng)的供電電路圖

2.3 GSM 報(bào)警系統(tǒng)模塊的設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)采用無(wú)線通信模塊M23。GSM 模塊的通信方式為RS232 轉(zhuǎn)接口上的2 號(hào)管腳接51 單片機(jī)的RS232 轉(zhuǎn)接口的3 號(hào)管腳，GSM 模塊的RS232 轉(zhuǎn)接口上的3 號(hào)管腳接51 單片機(jī)的RS232 轉(zhuǎn)接口的2 號(hào)管腳，GSM 模塊的RS232 轉(zhuǎn)接口上的5 號(hào)管腳接RS232轉(zhuǎn)接口的5 號(hào)管腳。如圖5 所示。

圖5 串口通訊接線

在使用的過(guò)程中，火焰?zhèn)鞲衅鲗?duì)火焰很敏感，要與火焰保持一定距離，以免高溫?fù)p壞傳感器。實(shí)際使用中傳感器數(shù)字量輸出接口可以與單片機(jī)IO 口直接相連。圖6 為火焰?zhèn)鞲衅麟娐穲D。

圖6 火焰?zhèn)鞲衅麟娐穲D

在沒(méi)有煙霧的情況下，傳感器的阻值為20 kΩ 左右，當(dāng)煙霧進(jìn)入傳感器時(shí)阻值急劇下降，其壓降降低。從傳感器上端出來(lái)的信號(hào)Ui經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大器的同相輸入端，但是為了保證引入的是負(fù)反饋，輸出電壓Uo通過(guò)電阻R15接到反相輸入端，反相輸入端通過(guò)電阻R14接到參考電壓Uref，由于引入深度電壓串聯(lián)負(fù)反饋，因此電路的輸入阻抗很高，輸出阻抗很低。而高輸入阻抗可以減少放大電路對(duì)前端電路的影響，低輸出阻抗也可以提高自身的抗干擾性。該放大電路還加入了參考電壓，引入了零點(diǎn)調(diào)節(jié)功能，產(chǎn)生一個(gè)參考電壓Uref，再利用電壓跟隨器把電壓輸入到運(yùn)算放大電路的電壓參考端。調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器，可以改變放大電路的參考電壓，防止R14和R15對(duì)滑動(dòng)變阻器輸出電壓的影響。如圖7 所示。

圖7 煙霧傳感器

2.4 驅(qū)動(dòng)板WIFI 系統(tǒng)模塊的總體電路

該設(shè)計(jì)中WIFI 驅(qū)動(dòng)模塊系統(tǒng)接線電路如圖8 所示。其包含了電機(jī)輸入接口、USB 模塊、攝像頭信號(hào)輸入模塊。各個(gè)傳感器信號(hào)通過(guò)WIFI 與主機(jī)進(jìn)行信息通訊。

圖8 WIFI 驅(qū)動(dòng)模塊系統(tǒng)接線電路

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件總體設(shè)計(jì)

圖9 是智能家居報(bào)警機(jī)器人的總體軟件設(shè)計(jì)流程圖。其包括報(bào)警模式和控制模式。報(bào)警模式中，小車(chē)在行走中實(shí)時(shí)檢測(cè)明火和煙霧，通過(guò)單片機(jī)來(lái)與GSM 模塊進(jìn)行通訊。控制模式中，小車(chē)接到GSM 傳來(lái)信息，停止運(yùn)動(dòng)，控制云臺(tái)進(jìn)行滅火。

圖9 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)總體流程圖

3.2 火焰?zhèn)鞲衅鞯脑O(shè)計(jì)

針對(duì)滅火功能，首先對(duì)火焰?zhèn)鞲衅鞯撵`敏度進(jìn)行調(diào)節(jié)，調(diào)至良好接收火焰信號(hào)范圍后，將火焰?zhèn)鞲衅靼惭b在機(jī)器人前方。將火焰?zhèn)鞲衅鞯囊_接入S51 單片機(jī)的P11 引腳。在報(bào)警系統(tǒng)程序中單片機(jī)接收到P11 低電平后，火焰報(bào)警紅燈亮，自動(dòng)發(fā)送代碼到GSM 模塊，再通過(guò)GSM 網(wǎng)絡(luò)對(duì)相應(yīng)的用戶發(fā)送“火焰報(bào)警”的報(bào)警短信，以此達(dá)到報(bào)警用戶的目的。如圖10 所示。

圖10 傳感器程序流程圖

4 實(shí)驗(yàn)部分

實(shí)驗(yàn)環(huán)境是按照二室一廳一位結(jié)構(gòu)搭建，如圖11所示。里面房間1 有煙霧源，房間二有可燃物危險(xiǎn)源，房間三內(nèi)有一個(gè)障礙物。分別對(duì)機(jī)器人的巡航、躲障、煙霧檢測(cè)和明火檢測(cè)以及遠(yuǎn)程操作實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

圖11 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

4.1 自動(dòng)巡航及躲避障礙物

機(jī)器人在巡航模式對(duì)各個(gè)房間進(jìn)行巡檢，當(dāng)遇到障礙物時(shí)可以應(yīng)用紅外傳感器躲避障礙物，如圖12所示。

圖12 巡航避障實(shí)驗(yàn)

4.2 煙霧信號(hào)預(yù)警

機(jī)器人在巡航模式對(duì)各個(gè)房間進(jìn)行巡檢，當(dāng)檢測(cè)到煙霧時(shí)，發(fā)出短信提示，如圖13 所示。

圖13 巡航煙霧實(shí)驗(yàn)

4.3 明火預(yù)警與遠(yuǎn)程滅火

當(dāng)機(jī)器人巡航時(shí)檢測(cè)到明火時(shí)，報(bào)警燈紅燈亮，GSM 發(fā)送報(bào)警信息，用戶指定手機(jī)接收到相應(yīng)報(bào)警信息，如圖14 所示。

圖14 發(fā)現(xiàn)火情及發(fā)送報(bào)警短信

圖15 機(jī)器人接近火源

4.4 遠(yuǎn)程人機(jī)滅火操作

當(dāng)主人接到機(jī)器人的火警提示，控制機(jī)器人停止自動(dòng)巡航功能。主人通過(guò)網(wǎng)絡(luò)手動(dòng)控制機(jī)器人行走方位，靠近火源，如圖15 所示。進(jìn)而調(diào)節(jié)滅火裝置，完成滅火動(dòng)作，如圖16 所示。

圖16 改變方向滅火

5 結(jié)論

面向現(xiàn)代家居環(huán)境中特定危險(xiǎn)源實(shí)時(shí)監(jiān)控作業(yè)設(shè)計(jì)智能機(jī)器人控制系統(tǒng)。該機(jī)器人系統(tǒng)包括自主控制和人機(jī)交互控制兩種模式。自主模式可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)巡航、躲避障礙物、特定煙霧和明火檢測(cè)及和報(bào)警功能，完成了GSM 模塊的發(fā)送短信的功能。人機(jī)交互控制是利用無(wú)線路路由器實(shí)現(xiàn)人與機(jī)器人的遠(yuǎn)程操作功能。該機(jī)器人能在檢測(cè)到具體的危險(xiǎn)源后，通過(guò)GSM 模塊發(fā)短信給用戶，用戶接收到短信后，登陸電腦遠(yuǎn)程控制機(jī)器人，通過(guò)攝像頭查看現(xiàn)場(chǎng)情況，對(duì)危險(xiǎn)源第一時(shí)間進(jìn)行處理，可避免火災(zāi)等發(fā)生。實(shí)驗(yàn)證明文中設(shè)計(jì)對(duì)現(xiàn)代家居的安全隱患可實(shí)時(shí)監(jiān)控，及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在危險(xiǎn)并及時(shí)處理，可將危險(xiǎn)和損失降低，為人們的生活起到了巨大的保障作用。

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