多場景智能環(huán)境監(jiān)測機器人設計

韋羽 陳江麗 甘永匯 楊澤成

摘 要：【目的】為解決傳統(tǒng)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)面臨的監(jiān)測對象單一、使用場所固定且缺乏靈活性、監(jiān)測數據缺乏深度加工等問題，從而設計一款多場景智能環(huán)境監(jiān)測機器人?！痉椒ā恳許TM32微控制器為核心，結合二氧化碳傳感器、溫濕度傳感器、有害氣體傳感器、激光粉塵傳感器、紅外模塊、超聲波模塊、顯示屏、電源、電機、直流減速電機、蜂鳴器、LED及Wi-Fi模塊，從而設計一款基于STM32的多場景智能環(huán)境監(jiān)測機器人，代替人為進行環(huán)境數據監(jiān)測及采集?！窘Y果】通過C語言與相關的STM32算法，實時監(jiān)測環(huán)境中的CO2濃度、空氣溫濕度、有害氣體、PM2.5濃度及PM10濃度等多種環(huán)境參數，同時也可遠程及多場景監(jiān)測環(huán)境參數。當監(jiān)測所得環(huán)境參數大于設置參考閾值，系統(tǒng)則會發(fā)出警報，提示操作者做出應對措施。同時，機器人在對環(huán)境監(jiān)測過程中可自動行駛與自動避讓障礙物?！窘Y論】多場景智能環(huán)境監(jiān)測機器人設計具有實時監(jiān)測環(huán)境參數、遠程監(jiān)測、多場景應用等優(yōu)點，具有較高的應用價值。

關鍵詞：STM32微控制器；二氧化碳傳感器；溫濕度傳感器；有害氣體傳感器；激光粉塵傳感器；避障傳感器

中圖分類號：TN02? ? ?文獻標志碼：A? ? ? 文章編號：1003-5168（2024）05-0009-06

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.05.002

Design of Multi-scene Intelligent Environment Monitoring Robot

WEI Yu CHEN Jiangli GAN Yonghui YANG Zecheng

（School of Electronics and Information Engineering， Wuzhou University， Wuzhou 543000， China）

Abstract： [Purposes] This paper aims to solve the problems of the traditional environmental monitoring system， such as single monitoring object， fixed use place and lack of flexibility， and lack of deep processing of monitoring data. [Methods] STM32 microcontroller is the core， carbon dioxide sensor， temperature and humidity sensor， harmful gas sensor， laser dust sensor， infrared module， ultrasonic module， display screen， power supply， motor， DC gear motor， buzzer， LED and Wi-Fi module are combined. Therefore， a multi-scene intelligent environment monitoring robot based on STM32 is designed to monitor and collect environmental data by robot instead of human.? [Findings] C language and related STM32 algorithm were used to realize real-time monitoring of various environmental parameters such as CO2 concentration， PM2.5 concentration， PM10 concentration， air temperature and humidity， and harmful gases in the environment， as well as remote and multi-scene monitoring of environmental parameters. When the monitored environmental parameters are greater than the set reference threshold， the system sends an alarm to prompt the operator to take corresponding measures. At the same time， the robot can automatically drive and avoid obstacles in the process of environmental monitoring. [Conclusions] The design of multi-scene intelligent environmental monitoring robot has the advantages of real-time monitoring of environmental parameters， remote monitoring， multi-scene application， etc.， and has high application value.

Keywords： STM32 microcontroller； CO2 sensor；temperature and humidity sensor；harmful gas sensor；laser dust sensor； obstacle avoidance sensor

0 引言

環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)可以準確、及時、全面地反映環(huán)境參數及發(fā)展趨勢，并為環(huán)境管理與環(huán)境決策等提供科學的依據，廣泛應用于日常的生產生活中。例如溫室種植大棚、工業(yè)現(xiàn)場、存儲倉庫、工廠車間等場所都需要對環(huán)境進行嚴格的監(jiān)測把控［1-5］。但是傳統(tǒng)的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)存在著監(jiān)測對象單一、使用場景固定且缺乏靈活性、監(jiān)測數據缺乏深度加工等問題，導致環(huán)境的監(jiān)測不能準確地反映實時環(huán)境參數［6］。

針對以上情況，本研究設計了一款基于STM32多場景智能環(huán)境監(jiān)測機器人。該環(huán)境監(jiān)測機器人相對于傳統(tǒng)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)而言，可以同時為多對象提供監(jiān)測，或對同一對象進行多點檢測，靈活應用于各種場所，可以代替人為到危險的環(huán)境中采集環(huán)境參數，同時可遠程實時監(jiān)測環(huán)境參數。當監(jiān)測所得環(huán)境參數異常，則會發(fā)出警報，提示操作者做出應對措施，及時消除監(jiān)測場所的危險因素。

1 主要功能

多場景智能環(huán)境監(jiān)測機器人主要功能如表1所示。由電源、環(huán)境監(jiān)測、避障、驅動、數據傳輸、報警及顯示單元組成。系統(tǒng)利用現(xiàn)代信息技術、自動化技術、傳感技術、控制技術、云端數據傳輸等技術，通過上位機和OLED顯示屏實時獲取各種環(huán)境參數，根據不同的監(jiān)測場景分析數據，并傳輸至數據端，對異常數據發(fā)出警報并提示操作，及時消除環(huán)境中的危險因素。

2 硬件設計

2.1 整體設計

多場景智能環(huán)境監(jiān)測機器人整體結構設計如圖1所示。

多場景智能環(huán)境監(jiān)測機器人由七個單元和STM32控制器組成。分別如下：STM32F 103ZET6最小系統(tǒng)、電源單元、環(huán)境監(jiān)測單元、避障單元、驅動單元、數據傳輸單元、報警單元、顯示單元。多場景智能環(huán)境監(jiān)測機器人以STM32F 103ZET6為主控，通過環(huán)境監(jiān)測單元、電源單元、顯示單元、報警單元及數據傳輸單元，實時監(jiān)測環(huán)境中的CO2濃度、空氣溫濕度、空氣中有害氣體濃度、PM2.5與PM10等數據，監(jiān)測所得數據通過OLED顯示或Wi-Fi模塊傳輸至數據庫，若監(jiān)測數據異常則發(fā)出警報。在實時監(jiān)測環(huán)境參數的過程中，通過驅動單元與避障單元，改變機器人的行駛軌跡，自動避開障礙物。

2.2 電源單元電路設計

多場景智能環(huán)境監(jiān)測機器人的環(huán)境監(jiān)測單元中的二氧化碳傳感器、有害氣體傳感器、PM2.5/PM10傳感器的工作電壓采用5 V的直流供電；溫濕度傳感采用3.3～5 V供電；ESP8266 Wi-Fi模塊和STM32F 103ZET6工作電壓為3.3 V，故需要設計電壓轉化電路，使電路中產生12 V、5 V、3.3 V這三種電壓。電壓轉換電路如圖2所示。

2.3 環(huán)境監(jiān)測單元電路設計

2.3.1 二氧化碳傳感器。二氧化碳監(jiān)測模塊采用MH-Z14二氧化碳傳感器。該傳感器是一款通用的智能小型傳感器［7］，利用NDIR原理監(jiān)測環(huán)境中的二氧化碳濃度，具備高靈敏度、壽命長、低功耗、內置溫度補償等特點。二氧化碳傳感器通過STM32的串口1進行監(jiān)測環(huán)境參數及數據傳輸，二氧化碳傳感器與STM32微控制的硬件連接如圖3所示。

2.3.2 溫濕度傳感器。溫濕度監(jiān)測模塊采用DHT11數字溫濕度傳感器，為已校準的數字信號輸出的溫濕度復合傳感器，能實時采集環(huán)境參數中的溫度、濕度。在對環(huán)境進行監(jiān)測時具備抗干擾能力強 ，測量精度高，響應時間快等優(yōu)勢。DHT11溫濕度傳感器與STM32微控制的硬件連接如圖4所示。

2.3.3 有害氣體傳感器。有害氣體監(jiān)測模塊采用由SnO2作為導體材質的MQ-135有害氣體傳感器?？梢员O(jiān)測空氣中的一氧化碳、硫化物、苯等有害氣體，具備響應速度快、穩(wěn)定性好、使用壽命長及在一定范圍內對有害氣體具有較好的靈敏度等特點。在對監(jiān)測點進行有害氣體監(jiān)測時，傳感器的電導率會隨著有害氣體濃度的增大而增大，可采用ADC方式將電導率轉換為相應的電壓。有害氣體傳感器與STM32微控制的硬件連接如圖5所示。

2.3.4 PM2.5/PM10傳感器。PM2.5/PM10監(jiān)測模塊采用FS00202激光粉塵傳感器。該傳感器是一款數字式的通用顆粒物濃度傳感器，具備多種通信方式如IIC、USART、PWM等，利用激光散射原理對空氣中的懸浮物進行監(jiān)測，其具有使用壽命長、靈敏度高、響應速度快、抗干擾能力強等特點。PM2.5/PM10傳感器與STM32微控制的硬件連接如圖6所示。

2.4 避障單元電路設計

避障單元采用具有反應迅速的紅外避障模塊和具備優(yōu)良方向性能的HC-HR04超聲波傳感器相結合［8-9］?？梢越鉀Q機器人在行駛過程中使用單一傳感器避障效率低及準確度差等問題，保證機器人運行安全。多路傳感器采集到的各種信號發(fā)送給STM32微控制器，微控制器對不同的信號采用不同的避障策略［10］。紅外避障傳感器與STM32微控制的硬件連接如圖7所示。

超聲波傳感器模塊與STM32微控制的硬件連接如圖8所示。

2.5 驅動單元電路設計

環(huán)境監(jiān)測機器人的驅動單元件選擇520直流減速電機與TB6 612FNG電機組成。直流減速電機具有扭轉大、穩(wěn)定性好、轉速高等特點，而TB6 612FNG電機驅動模塊具備雙通道電路輸出，可同時驅動兩部電機并具有啟、停、正、反轉四種控制模式的優(yōu)勢。STM32微控制器通過PWM信號輸出控制TB6 612FNG的AO/BO引腳輸出不同的電壓，STM32微控器IO口輸出的高、低電平控制電機的運行方向。520直流減速電機、TB6 612FNG電機驅動模塊與STM32微控制的硬件連接如圖9所示。

2.6 數據傳輸單元電路設計

數據傳輸電路主要通過ESP8266 Wi-Fi通信模塊實現(xiàn)。ESP8266 Wi-Fi通信模塊支持TCP/IP協(xié)議與IEEE802.11協(xié)議，內置32位CPU，可獨立運行，也可作為從機搭載其他主機MCU運行，進行編程時可直接通過發(fā)送指令來實現(xiàn)。其廣泛應用于智能家居、終端數據顯示、無線傳感器等領域，具有較強的實用性。Wi-Fi通信模塊與STM32微控制的硬件連接如圖10所示。

2.7 報警單元電路設計

在環(huán)境參數的監(jiān)測中，對于數據的分析是必不可少的環(huán)節(jié)，若所監(jiān)測到的環(huán)境參數大于正常的環(huán)境參數，需要做出相應的警示。報警模塊所使用的元件為LED與蜂鳴器，當數據異?；蛘叩竭_預警值則發(fā)出警報，提示操作者及時消除監(jiān)測點的不安全環(huán)境參數。報警電路的警報燈直接采用微控制器的LED0即可，而蜂鳴器采用蜂鳴器模塊，蜂鳴器模塊與STM32微控制的硬件連接如圖11所示。

2.8 顯示模塊

數據顯示模塊采用0.96英寸OLED屏幕。OLED顯示屏為自發(fā)光材料、屏幕畫質均勻、反應速度快，能夠直接顯示監(jiān)測的各種環(huán)境參數。OLED顯示屏與STM32微控制電路連接如圖12所示。

3 軟件設計

系統(tǒng)主程序流程如圖13所示。

系統(tǒng)啟動后，對各個模塊進行初始化，環(huán)境監(jiān)測機器人開始運動，各類傳感器開始監(jiān)測環(huán)境參數，收集監(jiān)測數據并傳輸至STM32微控制中。系統(tǒng)對數據進行整理后，通過Wi-Fi模塊將數據發(fā)送至手機端或者上位機，再返回。

4 結語

本研究詳細地介紹了多場景智能環(huán)境監(jiān)測機器人的硬件設計與軟件設計過程，并通過機器人整體測試驗證了智能環(huán)境監(jiān)測機器人的有效性與可靠性。結果表明，該環(huán)境監(jiān)測機器人可以實時監(jiān)測環(huán)境中的二氧化碳濃度、空氣溫濕度、有害氣體及PM2.5/PM10濃度等環(huán)境參數；通過Wi-Fi模塊實現(xiàn)遠程監(jiān)測及多場景監(jiān)測功能；通過避障單元實現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測機器人自動行駛與自動避讓。該機器人在實時監(jiān)測環(huán)境參數過程中，對于監(jiān)測異常的環(huán)境參數，系統(tǒng)可發(fā)出警報，及時通知工作人員消除監(jiān)測點的不安全環(huán)境參數。系統(tǒng)的整個電路結構簡單，成本較低，具有較強的實用性。

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