遠(yuǎn)程“智能管家”系統(tǒng)的設(shè)計

柳志欽

摘要

本設(shè)計針對目前這些市場上關(guān)于老齡人的智能硬件缺口，利用攝像頭、云臺和機(jī)械臂等傳感器，以下位機(jī)整合Wi-Fi模塊傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，通過上位機(jī)遠(yuǎn)程控制，實現(xiàn)對空巢老人的協(xié)助以及生活環(huán)境的實時監(jiān)控，極大的降低了生活中存在的安全隱患，保障了老人的生活安全

【關(guān)鍵詞】stm32 Wi-Fi傳輸

1 引言

隨著社會老齡化現(xiàn)象的加劇以及大多數(shù)獨生子女在外工作現(xiàn)象更加普遍，老年人家居安全得不到保障。而老年群體學(xué)習(xí)能力較弱，無法高效利用市面上的安防產(chǎn)品。我們所研究的遠(yuǎn)程“智能管家”就是基于這些社會因素，讓在外工作子女作為系統(tǒng)控制者，在遠(yuǎn)程控制下提供全方位的信息交換功能，幫助家庭與外部保持信息交流暢通，優(yōu)化老人的生活方式，增強(qiáng)家庭生活的安全性（火災(zāi)自動報警系統(tǒng)和防盜報警）。在此基礎(chǔ)上增加遠(yuǎn)程通話，如采用遠(yuǎn)程控制，通過視頻和語音通話讓在外工作的子女隨時隨地了解家中情況。

2 系統(tǒng)功能與設(shè)計

本設(shè)計利用stm32單片機(jī)進(jìn)行控制，使用串口通信以及Wi-Fi模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和上傳。攝像頭采集的圖像經(jīng)過Wi-Fi直接傳送到上位機(jī)，通過手機(jī)或者PC端顯示采集到的圖像。下位機(jī)負(fù)責(zé)整理數(shù)據(jù)和發(fā)送控制指令，上位機(jī)負(fù)責(zé)發(fā)送指令到Wi-Fi模塊，經(jīng)stm32接收處理數(shù)據(jù)，從而控制L298N電機(jī)驅(qū)動小車的兩個電機(jī)進(jìn)行前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)向等操作。

2.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計

本設(shè)計硬件部分分為傳輸系統(tǒng)，傳感系統(tǒng)，單片機(jī)系統(tǒng)三大部分。微型處理器STM32F103RBT6模塊、Wi-Fi模塊、電機(jī)驅(qū)動、顯示模塊、機(jī)械臂、攝像云臺組成，搭配3000mAb大容量充電電池，分置于小車的上中下三層。方便后期調(diào)試維護(hù)及功能的擴(kuò)展。小車采用二輪驅(qū)動，能實現(xiàn)原地360°靈活轉(zhuǎn)向。小車頂層安裝的機(jī)械臂能實現(xiàn)簡單的物體抓取。其前置云臺上的攝像頭能獨立轉(zhuǎn)向，并在小車行進(jìn)的過程中探測周圍的情況，將其拍攝的圖片傳送到移動端。

2.1.1 無線傳輸模塊

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)核心在于通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)物與物的連接。本設(shè)計研究了常用的無線解決方案，例如NRI射頻傳輸、藍(lán)牙傳輸、Wi-Fi傳輸、以及zigBee傳輸?shù)?，綜合其性能及其便捷性考慮選擇了Wi-Fi傳輸?shù)姆桨浮i-Fi模塊采用高通AR9331芯片是一個高度集成的WLAN解決方案，能實現(xiàn)視頻傳輸及指令雙向傳輸功能，最大連接速率可達(dá)150Mbps。搭配獨特的外置5db高增益Wi-Fi天線，信號強(qiáng)度高，傳輸距離遠(yuǎn)，在障礙物較多或是距離過遠(yuǎn)時也能實現(xiàn)良好的數(shù)據(jù)收發(fā)，同時超強(qiáng)的穿透力及覆蓋能力，使得網(wǎng)絡(luò)連接更穩(wěn)定、快速。

2.1.2 處理器MCU模塊

單片機(jī)系統(tǒng)是一個微型的小電腦系統(tǒng)，相當(dāng)于Wi-Fi小車的大腦，主要作用是通過控制它的輸出引腳（10接口）輸出高低電平，從而讓電機(jī)驅(qū)動芯片控制小電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn);也可通過輸入引腳讀取高低電平，從而實現(xiàn)單片機(jī)與傳感器的交互。本系統(tǒng)選用Cortex-M3內(nèi)核的STM32F103RBT6作為下位機(jī)控制核心，其具有高性能、低功耗、運行速度快等特點。能完美的勝任數(shù)據(jù)處理和串口通信的工作。

2.2 軟件設(shè)計

本系統(tǒng)的軟件部分主要分為上位機(jī)程序、下位機(jī)程序和無線終端控制程序。在遵循模塊化系統(tǒng)設(shè)計思想的同時，做到了盡可能的使程序簡潔明了。

2.2.1 下位機(jī)程序設(shè)計

首先通過移動終端傳輸數(shù)據(jù)到stm32，通過串口通信識別指令后，程序判斷將要執(zhí)行的操作是運行舵機(jī)或是輸出PWM信號到電機(jī)驅(qū)動板。指令執(zhí)行結(jié)束，循環(huán)等待接收下一條指令。該部分的關(guān)鍵在于串口協(xié)議，它對于程序的可靠準(zhǔn)確運行起著至關(guān)重要的作用。同時針對接收數(shù)據(jù)的字符緩沖區(qū)，對位進(jìn)行數(shù)據(jù)選取，用于區(qū)別無線端口標(biāo)號和接收數(shù)據(jù)的類別。具體程序由于篇幅原因在此不予以展示。

2.2.2 上位機(jī)程序設(shè)計

上位機(jī)采用C#語言進(jìn)行編寫，上位機(jī)的編寫包括UI界面和程序業(yè)務(wù)邏輯，主要功能是顯示數(shù)據(jù)和發(fā)送控制指令據(jù)，實現(xiàn)一定的預(yù)警功能。當(dāng)Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)中有數(shù)據(jù)到達(dá)模塊的串口時，上位機(jī)開始接收數(shù)據(jù)，并按照預(yù)先設(shè)定好的數(shù)據(jù)協(xié)議解析串口數(shù)據(jù)，將網(wǎng)絡(luò)中的環(huán)境數(shù)據(jù)清晰的顯示在上位機(jī)界面上。并且上位機(jī)需要負(fù)責(zé)監(jiān)控環(huán)境終端，當(dāng)收集到的數(shù)據(jù)超過預(yù)設(shè)值時，上位機(jī)調(diào)用電腦的蜂鳴器發(fā)聲，實現(xiàn)報警提示。同時上位機(jī)還兼具控制舵機(jī)轉(zhuǎn)向的功能，當(dāng)使用者想遠(yuǎn)程控制小車上的云臺或機(jī)械臂運轉(zhuǎn)必須先通過上位機(jī)發(fā)送指令。

3 系統(tǒng)調(diào)試

在分別完成各個部分的功能后進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試，我們的團(tuán)隊對各個組件以及模塊間的協(xié)同工作結(jié)合測試，檢測其正常工作時的各個參數(shù)。為了使測試結(jié)果更符合自然使用時的情形，我們模擬居家環(huán)境，將硬件、軟件、操作者看作一個整體，從MCU工作狀態(tài)，云臺及機(jī)械臂轉(zhuǎn)向靈敏度，視頻傳輸幀率等全方位測試了“智能管家”的系統(tǒng)穩(wěn)定性。完善了其美觀度，及人機(jī)交互界面，增強(qiáng)了軟硬件的可用性。

4 總結(jié)

我們本次研究主要就是為了實現(xiàn)生活在外的子女可以遠(yuǎn)程控制，隨時隨地通過手機(jī)控制智能管家與父母視頻聯(lián)系，實時掌握家里的狀況，并且自動解決家中隱患（如火災(zāi)報警功能）。該項目充分利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、云臺電機(jī)控制技術(shù)、溫度探測器技術(shù)，以此達(dá)到通過手機(jī)遠(yuǎn)程控制智能管家移動，實現(xiàn)人機(jī)交互并且實時監(jiān)控家中室內(nèi)溫度，保障家人安全。

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