劉誠(chéng) 肖彤 曹荀
摘要:針對(duì)對(duì)于大面積區(qū)域安防場(chǎng)景的需求,以樹(shù)莓派為主控,STM32單片機(jī)作為運(yùn)動(dòng)控制底盤(pán),采用不同種類的環(huán)境傳感器,設(shè)計(jì)出一款多場(chǎng)景適用,功能強(qiáng)大的遠(yuǎn)可控的安防小車(chē)。該小車(chē)可在室內(nèi)、室外進(jìn)行常規(guī)的安全隱患監(jiān)視,極大滿足對(duì)于大面積區(qū)域的安防保障有需求的用戶。
關(guān)鍵詞:樹(shù)莓派;智能監(jiān)控;安防;物聯(lián)網(wǎng);
引言:
隨著建設(shè)“鄉(xiāng)村振興”、“建設(shè)美麗鄉(xiāng)村”的推進(jìn),農(nóng)村基礎(chǔ)設(shè)施、公共服務(wù)得到有利改善。越來(lái)越多的外出務(wù)工人選擇回到農(nóng)村,為建設(shè)美麗鄉(xiāng)村貢獻(xiàn)自己的力量。當(dāng)然,隨著鄉(xiāng)村人數(shù)的增加,人們的安防意識(shí)也隨之提高。特別是農(nóng)村地區(qū),由于住宅普遍面積較廣,同時(shí)工作在外的子女希望能有更便捷的方式,能時(shí)刻關(guān)注在家的老人的安全。顯然,傳統(tǒng)的監(jiān)控設(shè)備功能已經(jīng)不能滿足這些新的需求。
本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)技術(shù)、無(wú)線通訊技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、人工智能技術(shù)、傳感器技術(shù)、機(jī)器人技術(shù),設(shè)計(jì)一款可在室內(nèi)、室外進(jìn)行巡邏監(jiān)控、防盜報(bào)警,同時(shí)能夠通過(guò)手機(jī)APP實(shí)現(xiàn)監(jiān)控區(qū)域選擇,監(jiān)控回放,小車(chē)移動(dòng)控制,語(yǔ)音對(duì)講。
1.系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)
小車(chē)方案設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。
本設(shè)計(jì)以樹(shù)莓派作為機(jī)器的“大腦”,STM32F10X系列單片機(jī),作為機(jī)器的“小腦”,控制小車(chē)運(yùn)動(dòng)底盤(pán)。用戶對(duì)小車(chē)進(jìn)行巡邏線路的設(shè)置后,小車(chē)可在室內(nèi)、室外進(jìn)行安全巡視,全方位地對(duì)房屋每一個(gè)角落,無(wú)死角監(jiān)視。還可以通過(guò)手機(jī)APP,控制小車(chē)到任意一個(gè)地方。
小車(chē)搭載攝像頭模塊、升降云臺(tái)、聲光報(bào)警模塊、LCD顯示模塊,及各種環(huán)境傳感器。攝像頭實(shí)時(shí)采集視頻存儲(chǔ)到本地存儲(chǔ)中。用戶可通過(guò)手機(jī)APP查看實(shí)時(shí)監(jiān)控畫(huà)面,或者查看過(guò)去回放。查看回放時(shí),樹(shù)莓派根據(jù)用戶需求選取對(duì)應(yīng)時(shí)段的本地監(jiān)控信息上傳至云服務(wù)器中。當(dāng)攝像頭檢測(cè)到有未錄入臉出現(xiàn)時(shí),發(fā)出聲光警告并向用戶手機(jī)推送消息。升降云臺(tái)可以調(diào)節(jié)監(jiān)控的視野,極大增加了定點(diǎn)監(jiān)控的視野范圍。
小車(chē)所搭載的環(huán)境傳感器,會(huì)實(shí)時(shí)收集環(huán)境信息,并根據(jù)設(shè)置的閾值,通過(guò)多種方式向用戶發(fā)送警告,能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)有毒有害氣體,煙霧火災(zāi)等險(xiǎn)情。
2.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
STM32單片機(jī)電路主要原理圖如下圖2所示。
小車(chē)硬件部分由小車(chē)底盤(pán)部分、傳感器部分、機(jī)械結(jié)構(gòu)部分,三大部分組成。其硬件連接關(guān)系如下圖3。
小車(chē)底盤(pán)由四個(gè)直流減速電機(jī)和MPU6050模塊,以及一個(gè)激光雷達(dá)模塊構(gòu)成,樹(shù)莓派樹(shù)莓派連接到激光雷達(dá),獲取環(huán)境地圖與STM32單片機(jī)進(jìn)行串口通訊,來(lái)控制電機(jī)運(yùn)動(dòng),獲取小車(chē)姿態(tài)等信息。
為了能夠讓小車(chē)在安裝攝像頭、傳感器等設(shè)備后仍然能靈活運(yùn)動(dòng),應(yīng)選擇功率較大的直流電機(jī)。然而,由于單片機(jī)通用輸入輸出口的帶負(fù)載能力比較弱,難以驅(qū)動(dòng)大電流的電機(jī)負(fù)載。這里選用一款直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器件。。
MPU6050模塊,即陀螺儀。主要用來(lái)獲取到小車(chē)底盤(pán)的運(yùn)動(dòng)姿態(tài),從而為主控做出決策提供參考依據(jù)。該模塊價(jià)格低廉,抗干擾能力強(qiáng)。
為了降低成本,選擇價(jià)格相對(duì)低廉的基于三角測(cè)距的雷達(dá),該激光雷達(dá)在每次測(cè)距時(shí)發(fā)射紅外激光信號(hào),視覺(jué)采集系統(tǒng)接收反射的激光信號(hào),經(jīng)過(guò)樹(shù)莓派的處理后,將以激光雷達(dá)為中心到被測(cè)距離值解算出來(lái)。
聲光報(bào)警模塊主要是由蜂鳴器和LED組合實(shí)現(xiàn),通過(guò)程序控制其觸發(fā)時(shí)間,實(shí)現(xiàn)不同緊急情況,不同的聲光提示效果。
攝像頭模塊采用紅外攝像頭,可以在夜間無(wú)補(bǔ)光的條件下進(jìn)行拍攝,可以在黑暗環(huán)境下,對(duì)畫(huà)面有比較好的清晰度。攝像頭配合電機(jī)控制的伸縮桿,可以極大拓寬監(jiān)控可視范圍。
小車(chē)可通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)WIFI模塊連接到用戶家中網(wǎng)絡(luò)。如果區(qū)域無(wú)無(wú)線網(wǎng)絡(luò),可選擇搭載4G模塊的方式實(shí)現(xiàn)4G無(wú)線透?jìng)鳎瑫r(shí)也能覆蓋更廣的巡視范圍。
環(huán)境傳感器中,有毒氣體一氧化碳傳感器JXM-CO,具有抗干擾能力強(qiáng),靈敏度高,體積小的特點(diǎn),實(shí)現(xiàn)對(duì)有害氣體實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。火焰監(jiān)測(cè)采用紅紫外火焰探測(cè)器,該傳感器利用光學(xué)敏感器件監(jiān)測(cè)火焰發(fā)出的紅外波與紫外波,有效抑制和減少誤報(bào)幾率。,通過(guò)樹(shù)莓派對(duì)多個(gè)傳感器數(shù)據(jù)分析,進(jìn)行聲光警報(bào)的觸發(fā)。
屏幕模塊可以進(jìn)行基礎(chǔ)的功能配置,連接網(wǎng)絡(luò)等操作。顯示傳感器實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),也可以查看視頻監(jiān)控回放。也能與手機(jī)APP進(jìn)行手機(jī)視頻通訊。
3.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
樹(shù)莓派對(duì)小車(chē)底盤(pán)的控制是基于ROS機(jī)器人操作系統(tǒng)完成的。ROS層作為上位機(jī)啟動(dòng)各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)以及運(yùn)行建圖算法和導(dǎo)航算法。STM32作為底層驅(qū)動(dòng)硬件,完成對(duì)直流電機(jī)的閉環(huán)控制。樹(shù)莓派與單片機(jī)采用串口通訊的方式,進(jìn)行雙向的數(shù)據(jù)連接。
STM32對(duì)電機(jī)的閉環(huán)控制,是實(shí)現(xiàn)小車(chē)正確運(yùn)動(dòng)的重要的一環(huán)。為解決電機(jī)速度閉環(huán)問(wèn)題,采用了經(jīng)典的PID控制,對(duì)電機(jī)速度進(jìn)行PID控制,通過(guò)代碼實(shí)現(xiàn)后,再進(jìn)行PID參數(shù)的設(shè)定,從而讓機(jī)器的運(yùn)動(dòng)達(dá)到我們想要的效果。
當(dāng)小車(chē)開(kāi)始運(yùn)行時(shí),將按照已經(jīng)規(guī)劃好的路線進(jìn)行巡視,攝像頭和環(huán)境傳感器收集視頻信息保存到本地儲(chǔ)存,將傳感器實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)上傳到主控設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及分析,當(dāng)超過(guò)預(yù)設(shè)的閾值時(shí),發(fā)出聲光報(bào)警。當(dāng)手機(jī)APP接入時(shí),小車(chē)停止巡邏,用戶通過(guò)監(jiān)控視頻畫(huà)面觀察環(huán)境,控制小車(chē)移動(dòng)到任意位置,或者重新設(shè)置巡邏路線。
4.系統(tǒng)測(cè)試
按照硬件電路原理圖焊接好后 設(shè)計(jì)好電路,焊接電子元件后,進(jìn)行硬件連接和系統(tǒng)調(diào)試。接入電源后,在屏幕上顯示有害氣體濃度,溫濕度等傳感器收集的數(shù)據(jù),傳感器工作正常。通過(guò)設(shè)置,將小車(chē)接入網(wǎng)絡(luò)后,打開(kāi)手機(jī)APP,顯示出攝像頭實(shí)時(shí)畫(huà)面,有1s左右的延遲。通過(guò)手機(jī)的按鍵,控制小車(chē)的自由移動(dòng)。底盤(pán)控制程序測(cè)試通過(guò)。
5.結(jié)論
本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了以樹(shù)莓派為主控的物聯(lián)網(wǎng)安防小車(chē)。攝像頭結(jié)合升降云臺(tái),通過(guò)移動(dòng)底盤(pán),實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境的無(wú)死角巡視監(jiān)控。檢測(cè)到 陌生人接近時(shí)能進(jìn)行聲光報(bào)并向用戶手機(jī)端及時(shí)推送消息,實(shí)現(xiàn)家庭安全監(jiān)視功能,溫濕度傳感器,有害氣體傳感器,火焰?zhèn)鞲衅魈綔y(cè)環(huán)境有害氣體泄露,火災(zāi)等危險(xiǎn)場(chǎng)景,及時(shí)進(jìn)行聲光報(bào)警觸發(fā)和手機(jī)消息推送,保障了人生財(cái)產(chǎn)安全,及時(shí)制止危險(xiǎn)事故發(fā)生。提高了社會(huì)居民的生活體驗(yàn),用科技改變?nèi)藗兊纳罘绞健?/p>
作者簡(jiǎn)介:
劉誠(chéng)(2000-),男,漢族,四川中江人,西昌學(xué)院本科在讀,電子信息工程方向。
基金項(xiàng)目:
西昌學(xué)院2020年度大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目:遠(yuǎn)程體感交互小車(chē)(項(xiàng)目編號(hào):202010628001)。