基于Arduino的校園巡邏遠程監(jiān)控小車

◎湖南省邵陽市第十六中學 周之童 周糧恒

為更好地監(jiān)測學生的體溫狀況，我們設計了一款校園巡邏遠程監(jiān)控小車。

一、系統(tǒng)總體設計

校園巡邏遠程監(jiān)控小車主要包括Arduino主控器、循跡避障模塊、電機驅動模塊、紅外測溫模塊、拍照遠程監(jiān)測模塊、語音播報和電話通信模塊等，要實現(xiàn)的功能為：避開障礙物；及時檢測體溫異常的人員。

系統(tǒng)總體結構框架圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結構框架圖

二、系統(tǒng)硬件設計

1.主控器

選取Arduino UNO R3板作為校園巡邏遠程監(jiān)控小車的主控器。該主控器可對紅外循線傳感器、超聲波傳感器、紅外測溫傳感器檢測到的數(shù)據(jù)進行采集與信息處理，進而通過輸出PWM信號和控制各引腳的高低電平來實現(xiàn)小車的循跡避障、拍照上傳、語音播報和電話通信等功能。

2.拍照遠程監(jiān)測模塊

選取ESP32-CAM模塊（如圖2）對校園體溫異常者進行拍照并將照片上傳，實現(xiàn)遠程監(jiān)控。該模塊的VCC引腳接主控板VCC引腳，GND引腳接主控板GND引腳，端口IO16連接主控板的端口3。

圖2 ESP32-CAM模塊

3.紅外測溫模塊

選取MLX90614系列紅外溫度計進行校內人員的非接觸式測溫。該模塊的GND引腳接地，VCC引腳接主控板5 V電源。SCL引腳為兩線通信協(xié)議的串行時鐘信號，接主控板的端口A4。SDA引腳為數(shù)字信號輸入/輸出，正常模式下，該引腳以脈寬調制方式輸出被測量物體的溫度，接主控板的端口A5。

4.電機驅動模塊

選取智能小車底板和兩個強磁碳刷減速電機，并配以2個3.7 V的電池對電機進行供電，實現(xiàn)電機的驅動。Arduino主控器的5、6、9和10端口分別驅動電機的左正轉、右正轉、左反轉和右反轉。

5.循跡避障模塊

選取3個紅外循線傳感器和1個超聲波傳感器構成小車的循跡避障模塊。Arduino主控器的7、8、11端口分別從左、中、右三個方向獲取3個紅外循線傳感器檢測到的數(shù)據(jù)。Arduino主控器的12、13端口連接超聲波傳感器的trig、echo引腳，通過小車與物體的距離判斷前方是否有障礙物。

6.語音播報和電話通信模塊

選取BY8001-16P語音播報模塊進行不同情形下的播報與警示，Arduino主控器的2、4端口連接語音播報模塊的IO1、IO2端口，分別控制第一段、第二段的語音播報。

選取GSM 通信模塊進行電話語音通信，實現(xiàn)遠程交流，主控器的0（RX）、1（TX）端口分別連接GSM通信模塊的TX、RX端口。

三、系統(tǒng)程序設計

1.總程序設計

利用Mixly、Arduino IDE兩種軟件對校園巡邏遠程監(jiān)控小車系統(tǒng)進行設計。

首先對系統(tǒng)進行初始化配置，各傳感器正常運行，檢測周圍環(huán)境參數(shù)，接著將傳感器檢測到的數(shù)據(jù)與設定閾值進行比較，超出設定閾值則調用對應子程序。子程序包括循跡避障語音播報提醒子程序、紅外測溫拍照語音播報電話通信子程序。

系統(tǒng)總程序流程圖如圖3所示。

2.循跡避障語音播報提醒子程序設計

循跡小車的運動狀態(tài)有左轉、直走、右轉、停止四種，而運動狀態(tài)的選取取決于3個紅外循線傳感器。紅外循線傳感器遇黑線時Arduino主控器輸入高電平，遇白線時輸入低電平。當左邊或左邊與中間的紅外循線傳感器同時檢測到黑線時，表示左輪胎壓線，此時應該左轉，反之右轉。只有當中間的傳感器獨自檢測到黑線時才直走，這就是循跡算法。

當超聲波傳感器檢測到的距離低于設定值時，Arduino主控器的端口4輸出低電平，控制語音模塊進行播報。循跡避障語音播報提醒子程序流程圖如圖4所示。

3.紅外測溫拍照語音播報電話通信子程序設計

校園巡邏遠程監(jiān)控小車在校園內行駛時，紅外測溫傳感器檢測到有人體溫超過設定閾值后，小車停車，Arduino主控板的端口3輸出低電平，以一個低電平信號為觸發(fā)源，進行一次拍照。端口2輸出低電平，語音模塊進行第二段語音播報。同時，Arduino主控板與通信模塊進行串行口通信，可撥打預設電話。紅外測溫拍照語音播報電話通信子程序流程圖如圖5所示。

圖5 紅外測溫拍照語音播報電話通信子程序流程圖

四、系統(tǒng)調試

系統(tǒng)調試過程如下：將小車放入校園地圖跑道，小車運行正常。當前方10 cm處有障礙物時，小車停止循跡，并播報語音：“請避開，讓我通行。”一段時間后再次檢測，無障礙物后繼續(xù)進行校園循跡。當校內有溫度超過設定閾值的人員時，小車停止循跡，并進行語音播報：“請站在原地，不要走動?！盓SP32-CAM攝像頭能對體溫異常者拍照并將照片上傳，實現(xiàn)遠程監(jiān)測，GSM通信模塊能撥打校園護衛(wèi)隊相關責任人的電話，讓他們來進行更加細致的鑒定。

搭建好的校園巡邏遠程監(jiān)控小車如圖6所示。

圖6 校園巡邏遠程監(jiān)控小車

五、未來展望

本作品還可進行如下改進：加裝PM2.5傳感器進行空氣質量檢測；加裝有毒氣體傳感器，檢測校園內是否存在有毒氣體；加裝煙霧傳感器和火焰?zhèn)鞲衅?，讓其成為校園安防的一部分；等等。

專家點評

周之童、周糧恒同學的“基于Arduino的校園巡邏遠程監(jiān)控小車”是一個比較典型的創(chuàng)客作品。它體現(xiàn)了“創(chuàng)意—物化—分享”這一核心理念。這個作品的產生，對兩位同學的成長無疑是很有幫助的。

兩位同學能把自己在課本上學到的知識與在社團活動中學到的知識結合運用，來實現(xiàn)自己的基本構想，敢想敢干，富有挑戰(zhàn)精神。

這里提兩點建議：其一，我們有了創(chuàng)意，在想把創(chuàng)意物化和分享之前，要多找找相關資料，了解一下當前整個項目的發(fā)展水平。我們應就自己的創(chuàng)意和能力，去設計解決新的問題。其二，在項目報告中，兩位同學一定要說明各自在這個項目中所做的工作。