一種城市安全防護(hù)機(jī)器人

0 引言

為保證城市安全，城市中各處都安裝著網(wǎng)絡(luò)攝像頭，以此保證意外情況發(fā)生時能夠及時處理。傳統(tǒng)式城市安防監(jiān)控系統(tǒng)采用定點(diǎn)式煙霧報(bào)警器或攝像頭，監(jiān)控方式較為固定統(tǒng)一且靈活性不高。隨著城市交通網(wǎng)越來越龐大，城市內(nèi)市民的活動日趨復(fù)雜，傳統(tǒng)的定點(diǎn)式安裝存在監(jiān)控死角，已經(jīng)不能滿足當(dāng)代社會的安防需求。所以需要投放巡防機(jī)器人做安保工作，既節(jié)省人力又節(jié)省財(cái)力。因此，人們也在想方設(shè)法設(shè)計(jì)一種智能的巡防機(jī)器人用于實(shí)際巡防工作中。

現(xiàn)今機(jī)器人產(chǎn)品廣泛用于科技領(lǐng)域，并以驚人的速度用于各個領(lǐng)域，例如工業(yè)、農(nóng)業(yè)、服務(wù)業(yè)和軍事，具有非常廣闊的市場前景。隨著我國制造業(yè)快速發(fā)展，城市安全成為人們關(guān)注的話題，投入一種能滿足當(dāng)今時代的信息化，智能化控制要求且保證城市安全的機(jī)械設(shè)備尤為重要。本文設(shè)計(jì)的一種城市安全防護(hù)機(jī)器人對未來城市智能化有著很大的意義和價值。

1 總體設(shè)計(jì)

城市安全防護(hù)機(jī)器人系統(tǒng)由機(jī)器人運(yùn)動部分、電腦監(jiān)控控制部分、手機(jī)數(shù)據(jù)監(jiān)控部分3 部分組成。首先3個部分需在同一網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，由機(jī)器人運(yùn)動部分搭載的樹莓派建立服務(wù)器，完成物聯(lián)網(wǎng)的主服務(wù)器端，電腦端及手機(jī)端以客戶端的形式連接服務(wù)器，進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。機(jī)器人運(yùn)動部分負(fù)責(zé)公共場所的移動檢測，同時具有激光雷達(dá)避障功能，將采集的煙霧數(shù)據(jù)信息和圖像信息返回給電腦監(jiān)控端及手機(jī)端；電腦端顯示機(jī)器人回傳的數(shù)據(jù)及對機(jī)器人的遠(yuǎn)程控制；手機(jī)端可完成便攜式的移動監(jiān)控，該機(jī)器人具有視頻監(jiān)控、煙霧檢測、事故報(bào)警、人臉識別、遠(yuǎn)程控制等功能，可對復(fù)雜的監(jiān)控死角進(jìn)行巡視，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)安防系統(tǒng)的不足，進(jìn)一步確保了市民和財(cái)產(chǎn)的安全。

圖1 城市安全防護(hù)機(jī)器人總體設(shè)計(jì)框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

機(jī)器人巡防部分安裝有負(fù)責(zé)機(jī)器人定位的GPS 定位模塊、激光雷達(dá)模塊；負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)及圖像傳輸?shù)?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/樹莓派">樹莓派；負(fù)責(zé)檢測的煙霧模塊及報(bào)警器；電腦端與機(jī)器人通過 WIFI 的局域網(wǎng)TCP 協(xié)議進(jìn)行通信，可將機(jī)器人采集到的數(shù)據(jù)傳輸給電腦端，電腦端也可以根據(jù)圖傳傳回的圖像對機(jī)器人進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，手機(jī)端也可進(jìn)行數(shù)據(jù)查看。系統(tǒng)硬件如圖2 所示。

圖2 城市安全防護(hù)機(jī)器人硬件結(jié)構(gòu)圖

2.1 GPS定位模塊

車體定位主要由GPS 定位模塊實(shí)現(xiàn)。模塊采用GPS，北斗雙模衛(wèi)星定位的ATGM332D，跟蹤靈敏度度達(dá)-162 dBm，定位精度達(dá)2.5 m，采用UART 作為輸出通道，按照NMEA0183 協(xié)議格式輸出。GPS 定位模塊數(shù)據(jù)輸出如下。

圖3 GPS定位模塊返回?cái)?shù)據(jù)格式

在GPS 定位模塊返回的數(shù)據(jù)中：“$”為1 幀數(shù)據(jù)的起始位，“GNGLL”代表數(shù)據(jù)為大地坐標(biāo)信息，“4257.29860”代表緯度信息，“N”代表當(dāng)前定位點(diǎn)位于北半球，“12439.01275”代表經(jīng)度信息，“E”代表當(dāng)前定位點(diǎn)位于東半球，“024401”代表UTC 時間，“A”代表當(dāng)前數(shù)據(jù)為有效定位，根據(jù)返回的數(shù)據(jù)進(jìn)行解算：緯度：N 4257.29860 精度E12439.01275緯度= 4257.29860 /100 = 42°，4257.29860%/100 =57′ ， 0.29860 × 60 = 17.916″經(jīng)度=12439.01275 /100 =124°，12439.01275%100 =39′，0.01275× 60 = 0.765″此時的機(jī)器人位置位于北緯：42°57′17.916″ ，東經(jīng)：124°39′0.765″。

2.2 激光雷達(dá)模塊

激光雷達(dá)模塊采用思嵐RPLIDAR A1 型，8000 次/s為機(jī)器人掃描周圍的障礙物，從而完成機(jī)器人的路徑規(guī)劃，激光雷達(dá)的通信采用報(bào)文模式，處理芯片須向激光雷達(dá)模塊發(fā)送請求報(bào)文后建立通信協(xié)議。根據(jù)實(shí)際測量激光雷達(dá)返回?cái)?shù)據(jù)量龐大，如果將激光雷達(dá)數(shù)據(jù)交由機(jī)器人主控芯片處理，可能會影響路徑規(guī)劃等進(jìn)程的速度?？紤]到機(jī)器人靈敏度，所以采用STM32F103 芯片專門負(fù)責(zé)激光雷達(dá)的數(shù)據(jù)采集工作，圖4 為STM32F103 的電路原理圖。

圖4 STM32最小系統(tǒng)原理圖

激光雷達(dá)連接STM32 的串口通過UART 串口通信完成報(bào)文的傳輸。根據(jù)激光雷達(dá)數(shù)據(jù)字節(jié)偏移格式進(jìn)行解算，定義計(jì)數(shù)變量cNum，數(shù)據(jù)存儲數(shù)組cData[]。利用S 位與S 位進(jìn)行異或再與校驗(yàn)位C 進(jìn)行與運(yùn)算，判斷數(shù)據(jù)是否為報(bào)頭，如果判斷報(bào)頭成立，則進(jìn)行角度與位置解算，保存角度、距離數(shù)據(jù)，完成激光雷達(dá)的數(shù)據(jù)獲取。

2.3 煙霧傳感器模塊

機(jī)器人安裝有煙霧傳感器，光強(qiáng)傳感器負(fù)責(zé)火焰煙霧的檢測，以防發(fā)生火災(zāi)情況；煙霧傳感器選用MQ-2煙霧氣敏傳感器模塊，采用是在清潔空氣中電導(dǎo)率較低的二氧化錫，當(dāng)檢測到可燃?xì)鈺r，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中的可燃?xì)鉂舛鹊脑龃蠖龃螅驹O(shè)計(jì)中采用Arduino為數(shù)據(jù)采集芯片，Arduino芯片內(nèi)部集成了 AD轉(zhuǎn)換模塊，可采集傳感器的模擬量輸出，數(shù)據(jù)采集連接電路圖如圖5 所示。

圖5 數(shù)據(jù)采集電路連接圖

2.4 樹莓派及攝像頭模塊

該機(jī)器人需要進(jìn)行人機(jī)數(shù)據(jù)交互，依據(jù)現(xiàn)有的相關(guān)模塊，可采用WIFI 模塊和圖傳攝像頭，煙霧采集數(shù)據(jù)及對機(jī)器人的控制指令由WIFI 模塊傳輸、機(jī)器人的圖像信息由圖傳傳回電腦控制端，但由于圖傳信號容易受到干擾，實(shí)際工作效果并不能滿足后期的圖像質(zhì)量，故采用WIFI、圖像與一體的樹莓派作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)妮d體。Raspberry Pi（樹莓派）工作環(huán)境基于Linux。本設(shè)計(jì)樹莓派選用3B+ 版本，CPU 為64 位1.4 GHz 四核，WIFI網(wǎng)絡(luò)采用802.11AC 無線，支持2.4 GHz 與5 GHz 雙頻，采用串口通信方式與機(jī)器人底盤的主控芯片相連接。圖像傳輸由Motion 運(yùn)動檢測實(shí)現(xiàn)，可對圖像中的運(yùn)動目標(biāo)定位追蹤。

在進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)時，首先在樹莓派建立一個TCP服務(wù)器進(jìn)行局域網(wǎng)組網(wǎng)，這樣在公共場所中保證與樹莓派連接相同的網(wǎng)絡(luò)就能通過TCP 協(xié)議與樹莓派進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，Motion 采用8081 視頻端口，為了連接方便，數(shù)據(jù)端口我們采用8082 號，根據(jù)樹莓派顯示頁面提供的IP 地址建立連接，這樣在此局域網(wǎng)內(nèi)的客戶端均可與樹莓派進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

為滿足機(jī)器人夜間的巡視要求，攝像頭模塊采用樹莓派夜視攝像頭，在攝像頭的兩側(cè)各配有紅外補(bǔ)光燈，在夜間工作時，紅外燈向外發(fā)射紅外線，遇到物體或者人體時進(jìn)行漫反射，將紅外光線返回到攝像頭中，這樣攝像頭就能如同白天一樣采集圖像信息，攝像頭的紅外補(bǔ)光燈可拆卸，保證不同環(huán)境的需求。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 電腦客戶端設(shè)計(jì)

電腦客戶端采用Pyqt5 編程語言實(shí)現(xiàn)顯示頁面。具有機(jī)器人視頻監(jiān)控、遠(yuǎn)程控制、煙霧數(shù)據(jù)監(jiān)測、定位顯示、及報(bào)警等功能。

視頻監(jiān)控控制頁面可將樹莓派傳回的圖像顯示出來，具有人臉檢測功能，可對視頻中的人臉進(jìn)行定位，同時將面部信息上傳百度智能云，對所有人臉進(jìn)行統(tǒng)計(jì)歸檔，完成城市公共場所的人員監(jiān)控，同時具有圖片抓拍功能，當(dāng)圖像中出現(xiàn)意外情況，可及時抓拍取證。數(shù)據(jù)監(jiān)控頁面主要是對機(jī)器人傳回的煙霧值進(jìn)行顯示，并繪制煙霧值的變化曲線。當(dāng)煙霧值超過設(shè)定值時報(bào)警指示燈會變成紅色，并發(fā)送手機(jī)報(bào)警信息，由安全管理部門當(dāng)即了解情況，規(guī)劃決策措施，以保證財(cái)產(chǎn)安全。

發(fā)送短信機(jī)制采用Twilio 云通訊，Twilio 是美國知名的云通訊公司，向用戶提供數(shù)字化或可編程的語音和消息通信服務(wù)，本設(shè)計(jì)中采用Python 調(diào)用twilio.rest 庫中的Client 完成發(fā)送短信的功能。

定位頁面通過調(diào)用百度的靜態(tài)地圖 API 完成定位，實(shí)時根據(jù)經(jīng)緯度確定機(jī)器人的所在位置。如圖6 為機(jī)器人位置顯示，藍(lán)色代表機(jī)器人當(dāng)前位置。百度地圖靜態(tài)圖API，可實(shí)現(xiàn)把百度地圖以圖片形式發(fā)送回來，在圖片控件中進(jìn)行顯示，自需發(fā)送HTTP 請求，就可獲取位置信息。

圖6 北斗定位電腦端顯示頁面

3.2 手機(jī)客戶端設(shè)計(jì)

手機(jī)客戶端由 APP Inventor 編程完成，啟動時輸入機(jī)器人的 IP 地址，可對機(jī)器人的圖像信息及煙霧情況進(jìn)行觀測。

3.3 樹莓派顯示頁面設(shè)計(jì)

樹莓派顯示頁面使用 python 編程完成，可檢測樹莓派的端口串口連接情況，調(diào)節(jié)波特率等參數(shù)，快速與底盤建立連接，同時可建立TCP 服務(wù)器，如圖7 所示，此時樹莓派的IP 地址位192.168.43.155，端口為8082，電腦及手機(jī)端連接此IP 就可完成通訊連接。

4 結(jié)束語

現(xiàn)如今城市交通網(wǎng)絡(luò)日趨復(fù)雜，人們的活動范圍逐漸擴(kuò)大，必然導(dǎo)致一些不可避免的如火災(zāi)、遇險等多種危害人身安全及財(cái)產(chǎn)安全的情況。功能單一的定點(diǎn)式監(jiān)控不能實(shí)現(xiàn)即時的安保工作。

圖7 樹莓派顯示頁面

本設(shè)計(jì)成功實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的遠(yuǎn)程控制，圖像傳輸，煙霧值傳輸，火焰報(bào)警等功能。通過電腦上位機(jī)遙控機(jī)器人運(yùn)動，實(shí)時顯示煙霧變化情況，定位機(jī)器人，同時可對返回的圖像進(jìn)行人臉檢測，信息存入百度智能云端，監(jiān)控公共場所人員流動情況，有靈活性強(qiáng)，應(yīng)用效用高，節(jié)省公共資源與當(dāng)今信息化緊密結(jié)合等優(yōu)點(diǎn)，對城市的公共安全監(jiān)控具有重要意義。

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（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年12月期）