智能安全管家系統(tǒng)的研發(fā)

葉芮杏 李杰浩 王文升 區(qū)德浩 陳德文

摘 要：為了解決智能家居靜態(tài)處理信息的窘境，實(shí)現(xiàn)智能家居動(dòng)態(tài)化，提出一種管家機(jī)器人的智能化和網(wǎng)絡(luò)化的設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)采用了ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)平臺(tái)，結(jié)合飛思卡爾MC9S12XS128處理器的S12環(huán)境，應(yīng)用Java可擴(kuò)展的Eclipse軟件平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了手機(jī)對(duì)機(jī)載微處理器進(jìn)行監(jiān)控。同時(shí)對(duì)DHT11溫濕度監(jiān)控模塊、線性CCD和超聲波測(cè)距模塊、CMOS手機(jī)成像模塊和LM324自動(dòng)燈光模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，達(dá)到雙向無(wú)線通信，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交換，遠(yuǎn)程監(jiān)控。該次設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的效果是通過(guò)Android手機(jī)可以顯示挖掘機(jī)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，測(cè)距和溫濕度，并進(jìn)行控制，手機(jī)通過(guò)攝像頭監(jiān)控作業(yè)環(huán)境，具備自動(dòng)感應(yīng)燈光系統(tǒng)。該設(shè)計(jì)解決了作業(yè)機(jī)器的人機(jī)交換和無(wú)人值守的問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：管家機(jī)器人 物聯(lián)網(wǎng) 智能家居 動(dòng)態(tài)化

中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2016）07（b）-0001-02

1 設(shè)計(jì)思路

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、控制技術(shù)的迅猛發(fā)展，人們對(duì)居住環(huán)境提出了更高的要求，希望自己居住的生活空間更加安全、舒適，智能家居的概念在這種理念的驅(qū)動(dòng)下應(yīng)運(yùn)而生。人們希望通過(guò)智能家居技術(shù)實(shí)現(xiàn)家庭設(shè)備與住宅環(huán)境的智能化管理與監(jiān)控，使之和諧與協(xié)調(diào)，從而滿足用戶對(duì)居住環(huán)境的新的、更高的需求。

該作品為一種基于WCDMA+ZigBee技術(shù)的智能安全管家機(jī)器人，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將家居生活環(huán)境中與安全相關(guān)的各種子系統(tǒng)有機(jī)地結(jié)合在一起，通過(guò)統(tǒng)籌管理，為人們提供更安全、更舒適、更便利的居住環(huán)境。智能安全管家有靈活的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)；具備判斷家中一些陳設(shè)位置的能力；能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)家中一些電器設(shè)備的控制；對(duì)溫度、濕度等物理信息的測(cè)量能力；能將采集到的信息上傳至家中的電腦。如果主人不在家，還能夠通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將信息輸送至互聯(lián)網(wǎng)，主人可以利用移動(dòng)數(shù)據(jù)，如WCDMA，實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程查看家居安防監(jiān)測(cè)情況。這樣，機(jī)器人就可以自主地完成各種管家的工作，或者在主人的“指揮”下料理各種家務(wù)。最終實(shí)現(xiàn)對(duì)家居環(huán)境及安全的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、預(yù)警及報(bào)警，而且用戶可以實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程查看家居安防監(jiān)測(cè)情況、控制各類家電工作。在整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，基于人們對(duì)智能家居的理解加入了更加人性化的設(shè)計(jì)元素。

2 智能環(huán)境信息采集系統(tǒng)

智能安全管家實(shí)現(xiàn)對(duì)家居實(shí)時(shí)環(huán)境物理信息的采集監(jiān)測(cè)，包括溫度、濕度、氣體、人體紅外等，并通過(guò)ZigBee模塊中的CC2530作為主控芯片，對(duì)采集的物理信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，當(dāng)信息異常時(shí)發(fā)出警報(bào)。

智能安全管家裝備采用基于CC2530芯片的主控系統(tǒng)，是用于2.4-GHz IEEE 802.15.4、ZigBee和RF4CE應(yīng)用的片上系統(tǒng)（SoC）解決方案。它能夠以非常低的材料成本建立強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。CC2530結(jié)合了領(lǐng)先的RF收發(fā)器的優(yōu)良性能，同時(shí)具有不同的運(yùn)行模式，尤其適應(yīng)超低功耗要求的系統(tǒng)。運(yùn)行模式之間的轉(zhuǎn)換時(shí)間短進(jìn)一步確保了低能源消耗。

通過(guò)搭載數(shù)字式溫濕度傳感器DHT11（如圖1，是一種含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，它應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性和卓越的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。實(shí)時(shí)監(jiān)控家庭環(huán)境的溫濕度），當(dāng)家中發(fā)生火災(zāi)時(shí)，智能安全管家可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)溫度異常并作出一系列反饋動(dòng)作，如發(fā)出警報(bào)、通過(guò)跨平臺(tái)終端控制系統(tǒng)通知主人。

同時(shí)搭載有害氣體傳感器MQ-2、人體紅外傳感器LHi778等，實(shí)時(shí)監(jiān)控家庭環(huán)境的情況，當(dāng)發(fā)生意外，如發(fā)生火災(zāi)、煤氣泄漏時(shí)，智能安全管家可以準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)家庭環(huán)境溫度或氣體濃度的異常，及時(shí)發(fā)出警報(bào)，當(dāng)無(wú)人在家中時(shí)，智能安全管家可通過(guò)跨平臺(tái)終端控制系統(tǒng)遠(yuǎn)程通知主人。

3 實(shí)時(shí)視頻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

智能安全管家通過(guò)攝像頭實(shí)現(xiàn)對(duì)家庭環(huán)境的實(shí)時(shí)視頻監(jiān)測(cè)，并可在手機(jī)端呈現(xiàn)；同時(shí)帶有自動(dòng)亮燈功能，可在光線不好的環(huán)境下給攝像頭進(jìn)行補(bǔ)光，保證攝像頭采集圖像的清晰。

智能安全管家采用可變色720P高清攝像頭進(jìn)行實(shí)時(shí)的視頻監(jiān)控，同時(shí)需要支持在多種平臺(tái)上進(jìn)行數(shù)據(jù)展示。因此，在該模塊中采用目前較為成熟的開(kāi)源視頻軟件MJPEG-Stream，并把他移植到手機(jī)平臺(tái)。攝像頭連接路由器，手機(jī)端可直接連接路由器WIFI，從專用軟件上獲取實(shí)時(shí)圖像信息，從而完成跨平臺(tái)的實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控。

同時(shí)，通過(guò)光敏電阻結(jié)合比較器芯片LM324，獲取實(shí)時(shí)環(huán)境亮度信息，用光敏電阻D3和電阻R1構(gòu)成分壓電路，并采用雙電壓比較器LM324，D3兩端的節(jié)點(diǎn)電壓作為比較器的同向輸入端，反向輸入端信號(hào)作為基準(zhǔn)電壓，當(dāng)接收的光線超過(guò)一定強(qiáng)度時(shí)，D3電阻減小到一定值，D3兩端電壓小于基準(zhǔn)電壓，比較器輸出低電平，反之輸出高電平。為了調(diào)節(jié)檢測(cè)靈敏度，基準(zhǔn)電壓應(yīng)實(shí)現(xiàn)可調(diào)，該系統(tǒng)中采用電位器進(jìn)行可調(diào)分壓（0～5 V）。當(dāng)智能管家處在黑暗環(huán)境中時(shí)，自動(dòng)點(diǎn)亮位于機(jī)器人平臺(tái)周?chē)腖ED燈對(duì)攝像頭進(jìn)行補(bǔ)光，保證攝像頭采集圖像的質(zhì)量。

4 智能管家控制系統(tǒng)

該系統(tǒng)主要包括兩部分，一是智能管家的行走控制部分，包括自動(dòng)避障行走和人為遙控行走兩種模式；二是智能管家的機(jī)械手控制部分，主要由六自由度的機(jī)械手平臺(tái)構(gòu)成，可用于完成一些特定的任務(wù)。

底盤(pán)：智能管家的底盤(pán)采用一種多地形適應(yīng)性履帶式底盤(pán)，底盤(pán)主體部分是兩條形狀可變的履帶，分別由兩個(gè)主電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。當(dāng)兩條履帶的速度相同時(shí)，機(jī)器人實(shí)現(xiàn)前進(jìn)或后退移動(dòng)；當(dāng)兩條履帶的速度不同時(shí)，機(jī)器人實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)。當(dāng)主臂桿繞履帶架上的軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，帶動(dòng)行星輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)履帶的不同構(gòu)形，以適應(yīng)不同的運(yùn)動(dòng)和地形環(huán)境。

行走控制：智能管家的控制中心采用飛思卡爾半導(dǎo)體公司的MC9S12XS128芯片，芯片采用5 V電壓供電，采用7.2 V可充電鋰電池作為電源，通過(guò)LM2940穩(wěn)壓芯片得到5 V電壓給芯片供電。

智能管家底盤(pán)兩個(gè)主動(dòng)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)采用4片BTS7970芯片驅(qū)動(dòng)，每?jī)善酒謩e控制一個(gè)電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，通過(guò)主芯片控制機(jī)器人行走的速度。

5 跨平臺(tái)終端控制系統(tǒng)

該系統(tǒng)主要包括3部分：一為ZigBee平臺(tái)模塊對(duì)各種傳感器信息的采集，組網(wǎng)并通過(guò)無(wú)線網(wǎng)關(guān)與路由器傳輸至互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，用戶的手機(jī)平臺(tái)可通過(guò)移動(dòng)數(shù)據(jù)（如WCDMA）對(duì)互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行訪問(wèn)，獲得實(shí)時(shí)家庭情況并針對(duì)各種情況進(jìn)行反饋措施；二為實(shí)時(shí)視頻圖像在手機(jī)Android平臺(tái)的呈現(xiàn)；三為遙控器平臺(tái)對(duì)智能管家的遠(yuǎn)程遙控控制。

智能安全管家通過(guò)Zigbee模塊搭載溫濕度傳感器，同時(shí)可通過(guò)WIFI+路由器組建智能無(wú)線網(wǎng)關(guān)，使采集的數(shù)據(jù)可以隨時(shí)上傳至互聯(lián)網(wǎng)。

當(dāng)用戶對(duì)家庭環(huán)境進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控時(shí)，可直接通過(guò)登錄網(wǎng)站或客戶端，利用（WCDMA）移動(dòng)數(shù)據(jù)訪問(wèn)互聯(lián)網(wǎng)，結(jié)合移動(dòng)數(shù)據(jù)（WCDMA）的先天兼容優(yōu)勢(shì)，使得該設(shè)備（移動(dòng)設(shè)備—互聯(lián)網(wǎng)—終端）能結(jié)合各種類型的設(shè)備和智能管家采集到的信息進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，主人發(fā)現(xiàn)到異常時(shí)，可以通過(guò)語(yǔ)音或者輸入指令對(duì)智能管家進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)智能人機(jī)交換，使得用戶在多種環(huán)境下都能實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)、控制。

另外，可以通過(guò)ZigBee模塊組網(wǎng)的方式將家庭中的各種設(shè)備，如電燈、電視、窗戶等，將與家居生活中安全相關(guān)的各種子系統(tǒng)，有機(jī)地結(jié)合在一起，通過(guò)統(tǒng)籌管理，為人們提供更安全、更舒適、更便利的居住環(huán)境。

跨平臺(tái)的終端控制克服了距離上的缺點(diǎn)，使主人可以遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和控制家庭的情況，并可以對(duì)緊急情況緊急處理，體現(xiàn)了智能家居的需求。

6 結(jié)語(yǔ)

采用飛思卡爾半導(dǎo)體公司的MC9S12XS128芯片作為智能管家核心控制中心，內(nèi)核為CPU12 高速處理器，擁有豐富的片內(nèi)資源，有16路AD轉(zhuǎn)換，精度最高可設(shè)置為10位；有8路8位PWM并可兩兩級(jí)聯(lián)為16位精度PWM，特別適合用于控制多電機(jī)系統(tǒng)。而且它的串行通信端口也非常豐富，有2路SCI，2路SPI此外還有IIC，CAN總線等端口，并且采用了引腳復(fù)用功能，使得這些功能引腳也可設(shè)置為普通的IO端口使用，此外，它內(nèi)部還集成了完整的模糊邏輯指令，可大大簡(jiǎn)化程序設(shè)計(jì)。

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