基于樹莓派的智能嬰兒車

朱嘉塬+李陽智+張浩然

摘 要：基于樹莓派的智能嬰兒車是以自動(dòng)化控制為基礎(chǔ)的，以樹莓派控制芯片為核心的，利用市面上開源的Opencv圖像處理框架結(jié)合網(wǎng)絡(luò)通信，以及云計(jì)算為輔的，實(shí)現(xiàn)通過分析圖像，捕捉其運(yùn)動(dòng)軌跡來實(shí)現(xiàn)車隨人動(dòng)的主要功能，以及利用如溫度傳感器，濕度傳感器，Wi-Fi模塊等模塊，來實(shí)現(xiàn)對(duì)嬰兒車內(nèi)部的溫度，濕度，車內(nèi)圖像傳輸?shù)拇我δ?，使嬰兒車更智能，便捷?/p>

關(guān)鍵詞：樹莓派；opencv；圖像處理；自動(dòng)化

由西北民族大學(xué)電氣工程學(xué)院"雙E"項(xiàng)目資助（項(xiàng)目編號(hào)：20161802）

0 引言

近年來一個(gè)熟悉又陌生的名稱“物聯(lián)網(wǎng)”已經(jīng)悄無聲息的融入到我們的生活中。物聯(lián)網(wǎng)——物物相關(guān)聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將智能硬件的應(yīng)用推向高潮，應(yīng)用了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的嬰兒車，相對(duì)于傳統(tǒng)嬰兒車，在實(shí)際生活中更智能化、更人性化，通過將攝像頭與圖像處理算法結(jié)合，實(shí)現(xiàn)嬰兒自主的跟隨人移動(dòng)，極大程度上的解放了用戶的雙手，同時(shí)，其還能利用Wi-Fi和藍(lán)牙模塊與用戶的手機(jī)進(jìn)行信息交互，使得對(duì)車內(nèi)嬰兒的看護(hù)更加便捷智能。

1智能嬰兒車的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該項(xiàng)目選用了Raspberry Pi（樹莓派）板卡為核心控制器，通過在其上搭建Linux操作系統(tǒng)，利用OpenCV框架實(shí)現(xiàn)TLD目標(biāo)跟蹤算法對(duì)車載攝像頭所采集到的視頻流進(jìn)行處理，是嬰兒車能夠跟隨目標(biāo)（掛有特征物的人）移動(dòng)而移動(dòng)，并通過PWM控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)小車的前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)向等運(yùn)動(dòng)。

項(xiàng)目整體系統(tǒng)方案如下：

2智能嬰兒車的硬件選擇

2.1 Raspberry Pi 3B+

樹莓派由注冊(cè)于英國的慈善組織“Raspberry Pi 基金會(huì)”開發(fā)，在2012年3月正式發(fā)售的卡片式電腦，外形只有信用卡大小，卻具有電腦的所有基本功能，

其是一款基于ARM的微型電腦主板，以SD/MicroSD卡為內(nèi)存硬盤，卡片主板周圍有1/2/4個(gè)USB接口和一個(gè)10/100 以太網(wǎng)接口（A型沒有網(wǎng)口），可連接鍵盤、鼠標(biāo)和網(wǎng)線，同時(shí)擁有視頻模擬信號(hào)的電視輸出接口和HDMI高清視頻輸出接口，以上部件全部整合在一張僅比信用卡稍大的主板上。其支持支持Java、BBC BASIC 、C 和Perl等多種編程語言。

2.2 溫度傳感器（DS18B20）

DS18B20是常用的數(shù)字溫度傳感器，具有體積小，硬件開銷低，抗干擾能力強(qiáng)，精度高的特點(diǎn)。獨(dú)特的一線接口，只需要一條口線通信 多點(diǎn)能力，簡化了分布式溫度傳感應(yīng)用 無需外部元件 可用數(shù)據(jù)總線供電，電壓范圍為3.0 V至5.5 V 無需備用電源 測量溫度范圍為-55℃至+125℃。

2.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

在本車中使用了自行設(shè)計(jì)刻畫的電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，如下圖所示，其實(shí)一種簡單的H橋驅(qū)動(dòng)電路，它由2個(gè)P型場效應(yīng)管Q1、Q2與兩個(gè)N型場效應(yīng)管Q3、Q4組成，故其叫P-NMOS管H橋。

3控制軟件程序設(shè)計(jì)

在樹莓派中刷入Linux操作系統(tǒng)，配置Python環(huán)境，安裝開源圖像處理框架OpenCV，安裝開源框架MJPG-Streamer，把攝像頭掛載在樹莓派上。使用樹莓派的GPIO口，向電機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)送PWM方波，是小車能夠根據(jù)圖像處理之后的命令運(yùn)動(dòng)，同時(shí)將視頻圖像返回終端。

運(yùn)用TLD算法實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的跟蹤流程圖：

Android App邏輯業(yè)務(wù)圖：

在服務(wù)器端使用Jfinal的javaWeb框架實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)流的處理和交互。

采用MVC（Model View Controller）設(shè)計(jì)模式，MVC是當(dāng)前流行的設(shè)計(jì)模式框架，它強(qiáng)制性的將應(yīng)用程序的輸入，輸出，處理分開。MVC將應(yīng)用程序分成三個(gè)核心部件：M即數(shù)據(jù)模型，V為控制界面，C為控制器。它們各司其職，各自處理各自的任務(wù)。MVC設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在于它的低耦合性，高重用性、軟件工程化管理，大大降低開發(fā)和維護(hù)的技術(shù)成本，縮減開發(fā)時(shí)間，使項(xiàng)目得以快速的部署。

4項(xiàng)目特色

4.1順應(yīng)時(shí)代科技的發(fā)展和市場的需求智能硬件是人類科技發(fā)展和藝術(shù)高度發(fā)展的產(chǎn)品，它上升到了人類行為學(xué)的高端，極大的方便了人類的生活

4.2使用了WiFi網(wǎng)絡(luò)為信號(hào)傳輸媒介，最高傳輸速度可達(dá)到10Mbps，完全可以勝任控制信號(hào)的傳輸，基本不用擔(dān)心網(wǎng)絡(luò)延遲的問題。

4.3應(yīng)用了TLD目標(biāo)跟蹤算法，實(shí)現(xiàn)了車隨人動(dòng)，為用戶提供了更人性化的功能

4.4通過網(wǎng)頁和App兩種方式控制，實(shí)現(xiàn)了跨平臺(tái)控制，給用戶不一樣的體驗(yàn)

4.5簡易的管理方式。本系統(tǒng)使得用戶在使用時(shí)不需任何專業(yè)知識(shí)就可以自行配置設(shè)備的連接，從而實(shí)現(xiàn)您所需要的功能。

4結(jié)束語

本文對(duì)智能嬰兒車的的基本功能，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，硬件部分做了做出了介紹，該嬰兒車結(jié)構(gòu)雖然復(fù)雜，但是所用器材均是市場常見，價(jià)格低廉，且具有普遍性，造價(jià)較低，因此具有很好的市場前景和實(shí)用性。

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