基于ARM處理器的智能巡游機(jī)器人

黃志芳 盧怡霖 陳旭 陳煒康 何梓杰

摘 要：文中提出了一款以STC12C5A60S2單片機(jī)為控制中心，以STC8F2K08S2單片機(jī)為輔的智能巡游機(jī)器人的設(shè)計(jì)。通過GY-25模塊、GY-53模塊、HY-SRF05超聲波模塊、驅(qū)動(dòng)芯片和直流電機(jī)等模塊，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在室內(nèi)自動(dòng)避障和巡游功能;采用DHT11溫濕度模塊、火焰?zhèn)鞲衅鳌Q-2模塊監(jiān)測室內(nèi)的溫濕度、空氣質(zhì)量、是否發(fā)生火災(zāi)等信息。當(dāng)發(fā)生異常情況時(shí)，該機(jī)器人通過GSM模塊短信或電話聯(lián)系用戶。該系統(tǒng)性能良好、安全可靠、操作簡便、成本低廉，能有效監(jiān)測室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：室內(nèi)自動(dòng)避障;智能巡游;ARM;機(jī)器人;GSM通信;STC12C5A60S2

中圖分類號：TP242.6文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號：2095-1302（2020）11-00-03

0 引 言

當(dāng)今世界，科技水平不斷提高，制造業(yè)發(fā)展迅速，很多集成化的大型工廠或車間應(yīng)運(yùn)而生。集成化的大型工廠和車間在提高生產(chǎn)效率的同時(shí)，也增加了氣體泄漏、發(fā)生火災(zāi)的概率，一旦發(fā)生危險(xiǎn)情況，往往造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。其次，現(xiàn)在家居住房，天然氣、大型家電產(chǎn)品走進(jìn)千家萬戶，天然氣泄漏、家電產(chǎn)品電路故障等也是引發(fā)家居火災(zāi)的重要因素。因而制作一款基于ARM處理器與GSM通信的智能巡檢機(jī)器人很有必要。它可以在大型工廠車間各個(gè)區(qū)域自動(dòng)巡游監(jiān)測各項(xiàng)安全指數(shù)是否正常;在家庭安全防護(hù)方面，若監(jiān)測到煤氣泄漏等危險(xiǎn)情況時(shí)，能夠及時(shí)采取相關(guān)措施，有效降低危險(xiǎn)的發(fā)生。

近年來，社會(huì)飛速發(fā)展，各種產(chǎn)品需求量不斷增加。在保證生產(chǎn)效率的同時(shí)，本文所設(shè)計(jì)的智能巡檢機(jī)器人目前主要有兩大應(yīng)用。

（1）大型工廠車間：自動(dòng)避障、巡游、監(jiān)測規(guī)劃區(qū)域內(nèi)的安全信息。機(jī)器人可設(shè)置定時(shí)定期和隨機(jī)巡查，特別是夜間無人巡查時(shí)，可以彌補(bǔ)人工巡查的缺漏點(diǎn)。

（2）家用方面：檢測室內(nèi)的空氣質(zhì)量。當(dāng)無人在家時(shí)，能監(jiān)測天然氣、室內(nèi)空氣質(zhì)量等相關(guān)信息。

1 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。它以STC12C5A60S2微處理器為控制中心，輔以STC8F2K08S2單片機(jī)，包括GY-25模塊、GY-53模塊、HY-SRF05超聲波模塊、TB6612FNG驅(qū)動(dòng)模塊、直流電機(jī)、DHT11溫濕度模塊、火焰?zhèn)鞲衅鳌Q-2模塊、GSM模塊等。

STC12C5A60S2是宏晶科技生產(chǎn)的“新一代8051單片機(jī)”。它有以下特點(diǎn)：

（1）指令代碼兼容傳統(tǒng)8051，而且速度快8～12倍;

（2）內(nèi)部集成很多功能強(qiáng)大的寄存器，如8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換，E2PROM等。

STC8F2K08S2 是一款增強(qiáng)型51單片機(jī)，具有以下特點(diǎn)：

（1）尺寸小但性能強(qiáng)，需要自己搭建的電路很簡單;

（2）內(nèi)部時(shí)鐘頻率較高，可達(dá)27 MHz，其執(zhí)行速度相比STC12C5A60S2有了更大提升;

（3）有兩個(gè)硬件串口，內(nèi)部RAM較大，適用于需要兩個(gè)串口或者RAM需求高的場合。

1.1 室內(nèi)巡游與避障

室內(nèi)巡游與避障功能通過GY-25模塊、GY-53模塊、HY-SRF05模塊及TB6612FNG模塊完成[1]。

GY-25是一款傾斜度模塊，具有成本低的特點(diǎn)。其工作原理是陀螺儀與加速度傳感器配合工作，經(jīng)過數(shù)據(jù)融合算法得到角度數(shù)據(jù)。通過這個(gè)模塊可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人定角度旋轉(zhuǎn)。

GY-53是一款紅外測距傳感器。將其安裝在機(jī)器人的底部，調(diào)節(jié)適當(dāng)?shù)慕嵌燃纯蓽y量出機(jī)器人與不同方向目的地的距離[2]。

HY-SRF05是一款超聲波測距傳感器。將其安裝在機(jī)器人的正面，可以檢測前方障礙物與機(jī)器人的距離，從而實(shí)現(xiàn)避障。

TB6612FNG是一種用于直流電機(jī)工作的驅(qū)動(dòng)芯片。其采用MOS管橋結(jié)構(gòu)，有兩個(gè)輸出通道，能夠同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)直流電機(jī)，可以更好地控制機(jī)器人移動(dòng)。

1.2 室內(nèi)溫濕度檢測

室內(nèi)溫度和濕度檢測采用DHT11溫濕度傳感器[3]。它是一種自含校準(zhǔn)的傳感器，供電為DC 3.3～5 V，具有成本低、響應(yīng)速度快、抗干擾能力強(qiáng)、信號傳輸距離長、數(shù)字信號輸出、精確校準(zhǔn)的特點(diǎn)。

1.3 室內(nèi)易燃?xì)怏w檢測

室內(nèi)易燃?xì)怏w檢測采用MQ-2氣體傳感器[4]。當(dāng)MQ-2氣體傳感器工作在DC 5 V時(shí)，其阻值隨被測氣體的濃度（成分）而變化，并將被測氣體的濃度（成分）信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號。MQ-2傳感器對天然氣、液化石油氣等可燃?xì)怏w有很高的靈敏度，符合本設(shè)計(jì)需要檢測安全隱患的要求，且具有良好的抗干擾性。

1.4 室內(nèi)明火檢測

室內(nèi)明火檢測采用火焰?zhèn)鞲衅髂K。遠(yuǎn)紅外火焰探頭能夠感知外界紅外光的變化，進(jìn)而轉(zhuǎn)換成電流變化。紅外光的強(qiáng)度與電流數(shù)值的大小成反比例關(guān)系，通過A/D轉(zhuǎn)換器將電流變化轉(zhuǎn)換成數(shù)值變化。

1.5 GSM通信

GSM模塊是一塊集成電路板。它上面含有基帶處理和射頻芯片、存儲(chǔ)器記憶芯片，這兩種芯片能夠提供標(biāo)準(zhǔn)接口。通過單片機(jī)控制GSM模塊，在某些情況下通過短信或語音電話聯(lián)系用戶[5]。

2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

單片機(jī)的程序采用Keil軟件編寫。它采用模塊化編寫方式，最終編譯生成“.hex”文件，再由專用的下載器將二進(jìn)制文件燒錄至單片機(jī)中[6]。

2.1 巡游與避障功能

任務(wù)1：室內(nèi)巡游;

任務(wù)2：自動(dòng)避障。

系統(tǒng)上電后，首先GY-53模塊、HY-SRF05模塊工作：檢測前方是否有障礙物并將距離值返回微處理器，設(shè)置一定的距離作為機(jī)器人行走的安全距離。若前方無障礙物，且機(jī)器人處在安全距離之內(nèi)，微處理器控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)讓機(jī)器人保持一定的速度前行[7];若機(jī)器人處在安全距離之外，微處理器控制機(jī)器人轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度，之后繼續(xù)判斷機(jī)器人是否處于安全距離之內(nèi)，由此循環(huán)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在室內(nèi)巡游、避障[8]。巡游與避障流程如圖2所示。

2.2 室內(nèi)溫度、濕度、易燃?xì)怏w、火焰檢測

任務(wù)1：室內(nèi)溫濕度測量;

任務(wù)2：室內(nèi)易燃?xì)怏w檢測;

任務(wù)3：室內(nèi)火焰檢測。

各項(xiàng)任務(wù)的數(shù)據(jù)采集采用分模塊的設(shè)計(jì)方法。首先，編寫模塊的時(shí)序程序，在主程序中調(diào)用得到返回值再加以轉(zhuǎn)換便得到室內(nèi)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)。其次，將各個(gè)傳感器安裝在機(jī)器人上，隨著機(jī)器人在室內(nèi)的巡游，便可以通過測量得到室內(nèi)不同位置的安全信息[9]。

室內(nèi)檢測流程如圖3所示。單片機(jī)上電開始工作后，各個(gè)模塊開始工作，采集環(huán)境的各項(xiàng)信息并返回單片機(jī)，循環(huán)操作。

2.3 GSM通信功能的實(shí)現(xiàn)

采用GSM通信模塊的主要任務(wù)，是當(dāng)室內(nèi)溫濕度、空氣等參數(shù)發(fā)生異常時(shí)，能夠及時(shí)通知用戶，采取必要措施，避免造成更大損失[10]。

GSM通信流程如圖4所示。它采用循環(huán)比較的方式：單片機(jī)持續(xù)接收各個(gè)檢測模塊返回的數(shù)據(jù)，獲取室內(nèi)各項(xiàng)參數(shù);單片機(jī)設(shè)置相應(yīng)閾值，當(dāng)超出閾值時(shí)，單片機(jī)通過GSM模塊發(fā)送短信或拔打電話給用戶，反之則繼續(xù)采集數(shù)據(jù)，進(jìn)行比較。

3 系統(tǒng)的整體構(gòu)造

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的機(jī)器人如圖5所示。其形狀類似于圓柱體，該設(shè)計(jì)有助于整體運(yùn)行時(shí)更加平穩(wěn)，而且內(nèi)部有足夠大的空間存放元器件。機(jī)器人外觀主要采用的是亞克力板。其制作工序?yàn)椋豪玫窨誊浖﨏orelDRAW畫出圖形，連接雕刻機(jī)將亞克力板雕刻成形;之后將各部分元器件按照設(shè)計(jì)的位置安裝在亞克力板上，利用螺絲、熱熔膠等工具將各部分組合起來。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果顯示，機(jī)器人可以在室內(nèi)自動(dòng)巡游，當(dāng)遇到障礙時(shí)，能夠自動(dòng)規(guī)劃實(shí)現(xiàn)避障。在人為模擬的室內(nèi)環(huán)境，如溫度過高、濕度過高，存在天然氣或煤氣等可燃性氣體、明火等情況下，機(jī)器人能夠及時(shí)發(fā)送短信或電話通知用戶。但遠(yuǎn)紅外火焰?zhèn)鞲衅鲗鹧娴谋O(jiān)測受光照等因素影響，還有一定的誤檢率和誤報(bào)率，后期將對遠(yuǎn)紅外火焰?zhèn)鞲衅鞯乃惴ㄔ僮鲞M(jìn)一步優(yōu)化。

5 結(jié) 語

試驗(yàn)表明，基于ARM處理器的智能巡游機(jī)器人達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。它實(shí)現(xiàn)了既定的目標(biāo)功能，也為工業(yè)生產(chǎn)、家居安全提供了一種輔助監(jiān)測工具，性能穩(wěn)定，安全可靠;但也存在一些不足，這給后續(xù)的研究提供了改進(jìn)方向。智能巡游機(jī)器人不僅能監(jiān)測工廠、室內(nèi)的安全，也能夠在危險(xiǎn)區(qū)域，替代人類去執(zhí)行巡游監(jiān)測功能，有效保障了人們的生命安全。

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