張松，李響，胡雪曼

(安徽工業(yè)大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，安徽馬鞍山243000)

一種新型可移動的室內(nèi)安全檢測裝置的設(shè)計

張松，李響，胡雪曼

(安徽工業(yè)大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，安徽馬鞍山243000)

針對現(xiàn)在市場上安防產(chǎn)品的局限與不足，設(shè)計一種新型可移動的室內(nèi)安全檢測裝置。這種可移動的室內(nèi)安全檢測裝置以一個移動車體為載體，通過紅外對管對路徑信息進(jìn)行避障檢測，能夠?qū)Ω鞣N危險因素進(jìn)行檢測并及時處理，發(fā)現(xiàn)危險情況之后可以立即切斷家中電源，并啟動多種報警方式，通過多個節(jié)點傳送信息，保證家中安全。

移動檢測；紅外避障；定時巡視；實時處理；通信報警

近年來，智能機(jī)器人得到了迅速發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷擴(kuò)大。由智能型家庭服務(wù)機(jī)器人代替人來完成清潔衛(wèi)生、物品搬運(yùn)、家電控制等家務(wù)勞動,不僅是一項極具應(yīng)用前景的高新技術(shù),而且也是智能機(jī)器人領(lǐng)域目前研究的一個熱點[1]。

結(jié)合已有研究基礎(chǔ)，設(shè)計出一款適用于家庭的智能型安防檢測裝置，包括：安防機(jī)器人(車)、智能開關(guān)、手機(jī)App，其中安防機(jī)器人集各種檢測傳感器、短信模塊、Wi-Fi模塊于一身。該裝置能夠進(jìn)行多模式巡視和隱患檢測，在遇到異常情況時能夠采取聲光報警、短信通知、互聯(lián)網(wǎng)通知等方式及時報警，將故障隱患消滅在萌芽狀態(tài)。

1 功能規(guī)劃

這是一種便攜式、可移動的實時檢測裝置，預(yù)期完成目標(biāo)如下：

1)多模式巡視功能；

2)隱患檢測功能；

3)多節(jié)點、多方式通信報警；

4)顯示與圖傳功能。

開啟電源后，先通過手機(jī)App對機(jī)器人進(jìn)行模式選擇：①不定時模式，即機(jī)器人會一直進(jìn)行移動監(jiān)測，這樣可以最大程度地排除危險因素；②定時模式。機(jī)器人內(nèi)置DS1302芯片，對系統(tǒng)進(jìn)行定時，安防機(jī)器人會間隔一定時間對房間進(jìn)行避障巡視，檢測相關(guān)環(huán)境參數(shù)，定時時間可通過手機(jī)App二次設(shè)置。

安裝在底盤周圍的路徑檢測模塊可以實時檢測路況，通過STM32F405單片機(jī)對環(huán)境進(jìn)行實時檢測并分析出一條最佳前進(jìn)路徑。機(jī)器人上部安裝有溫濕度傳感器DHT11模塊、煙霧氣體傳感器MQ-5模塊與火焰?zhèn)鞲衅鞯?，可以實時檢測周邊環(huán)境狀況。機(jī)器人底盤內(nèi)置ESP8266 Wi-Fi模塊和SIM900A短信通信模塊，可通過互聯(lián)網(wǎng)和GSM通信網(wǎng)絡(luò)與手機(jī)進(jìn)行報警通信。底盤還有3個狀態(tài)指示燈與TFT液晶屏，可以實時顯示系統(tǒng)狀態(tài)。

一旦機(jī)器人檢測到危險因素的存在，立即通過短信、指示燈等方式報警，同時利用Wi-Fi模塊通過互聯(lián)網(wǎng)與手機(jī)App進(jìn)行通信，并根據(jù)手機(jī)設(shè)定是否切斷家中的智能開關(guān)。

系統(tǒng)整體示意圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體示意圖

2 安防機(jī)器人設(shè)計

安防機(jī)器人車體外觀模型如圖2所示。

車體主要由主控制器、電源模塊、路徑檢測模塊、驅(qū)動模塊、短信模塊、Wi-Fi模塊、顯示模塊、圖傳模塊等功能模塊組成。

圖2 車體模型示意圖

2.1 主控制器

主控制器是安防機(jī)器人的控制核心以及數(shù)據(jù)處理中心。為了實現(xiàn)安防機(jī)器人實時檢測、判斷、通信、中斷等功能，選用STM32F405單片機(jī)作為主控制器。STM32F405單片機(jī)以高性能的ARM Cortex-M4為內(nèi)核，具有32位精簡指令集，主頻高達(dá)168 MHz，足以滿足系統(tǒng)對控制芯片的要求[2]。

2.2 電源模塊

機(jī)器人采用12 V/8000 mAH可充電電池供電，通過MP2482電源芯片、LM1117電源芯片、SPX5205電源芯片三種芯片為各傳感器和其他模塊供電。

MP2482電源芯片可提供5 A連續(xù)輸出電流，在較寬的供電電壓范圍內(nèi)具有優(yōu)異的負(fù)載調(diào)整特性，由于要為多個傳感器和需要1 A以上電流的SIM900模塊供電，為保留足夠電流裕量，采取這種大電流芯片供電。由于Wi-Fi模塊比較耗電，因此電源一定要充足，最好單獨(dú)供電。本設(shè)計中采用LM1117作為3.3 V穩(wěn)壓電路，為Wi-Fi模塊單獨(dú)供電，實現(xiàn)5 V電壓輸入、3.3 V輸出。LM1117的片上微調(diào)把基準(zhǔn)電壓調(diào)整到1.5%的誤差以內(nèi)，而且電流限制也得到了調(diào)整，以盡量減少因穩(wěn)壓器和電源電路超載而造成的壓力[3]。對于電路中其他需要3.3 V電源供電的模塊，如狀態(tài)指示燈、TFT顯示屏、溫濕度傳感器、控制器等，采用SPX5205M5-3.3電源芯片供電，該芯片具有低輸出噪音、低壓差的特點。此處也可采用另一塊LM1117-3.3電源芯片供電，效果類似。電機(jī)驅(qū)動模塊的供電電源直接由12 V電源提供。

電源模塊如圖3所示。

圖3 電源模塊示意圖

2.3 路徑檢測

常見的路徑檢測方案有以下幾種。

方案一：電磁法檢測路徑，需要事先鋪設(shè)導(dǎo)線并通以電流，根據(jù)麥克斯韋電磁場理論進(jìn)行路徑檢測；

方案二：光電法檢測，由于不同顏色對光的反射程度不同，事先在預(yù)定的軌道鋪設(shè)黑線，通過光電傳感器檢測這條路徑；

方案三：事先不進(jìn)行路徑規(guī)劃，通過紅外傳感器實時檢測路況并實時分析得出一條最佳路徑，避開障礙物并實現(xiàn)最大范圍的檢測[4]。

在本設(shè)計中，采用第三種方案進(jìn)行避障檢測前行。反射式紅外傳感器具有一對紅外信號發(fā)射與接收二極管，發(fā)射管發(fā)射一定頻率的紅外信號(波長約為0.93 μm)，接收管接收這種頻率的紅外信號。設(shè)此傳感器以30°角發(fā)出信號，信號以30°角射入，則需要6個紅外對管全面檢測周圍信息，以控制機(jī)器人避障前進(jìn)。紅外對管工作電壓為5 V，驅(qū)動電流小、靈敏度高，符合系統(tǒng)設(shè)計要求。此外可以通過電位器調(diào)節(jié)障礙檢測距離，利于系統(tǒng)調(diào)試。紅外對管與主動輪、從動輪的安裝示意圖如圖4所示。

圖4 檢測模塊安裝示意圖

2.4 驅(qū)動模塊

電機(jī)驅(qū)動對機(jī)器人的運(yùn)行至關(guān)重要，影響車體的加速減速，因此驅(qū)動的設(shè)計尤為重要[5]。本設(shè)計采用N溝道MOSFET和專用柵極驅(qū)動芯片設(shè)計，使用兩片IRS21867S半橋驅(qū)動芯片搭建全橋驅(qū)動電路，可以實現(xiàn)前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)等功能。驅(qū)動電路圖如圖5所示。

采用單極式受限控制模式，正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)中，都只有一只MOS管處于PWM控制方式,減小了開關(guān)損耗，避免了橋臂直通[6]。在圖5中，正轉(zhuǎn)時，T1處于PWM控制方式，T3受高電平控制一直導(dǎo)通，T2、T4受低電平控制保持關(guān)斷；反轉(zhuǎn)時，T2處于PWM控制方式，T4受高電平控制一直導(dǎo)通，T1、T3受低電平控制保持關(guān)斷。

圖5 驅(qū)動電路圖

2.5 短信模塊

本設(shè)計采用SIM900A模塊進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通訊，該模塊屬于雙頻GSM/GPRS模塊，采用SMT封裝形式和工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口，具有體積小、功耗低的優(yōu)點[7]。這里采用能夠提供大電流的2482芯片為短信模塊供電。在本設(shè)計中，當(dāng)安防機(jī)器人檢測到環(huán)境參數(shù)異常時，通過STM32F405芯片控制SIM900A模塊發(fā)送短信給事先設(shè)置好的聯(lián)系人進(jìn)行通知。系統(tǒng)連接圖如圖6所示。

圖6 SIM900A系統(tǒng)連接圖

2.6 Wi-Fi模塊

ESP8266是一個完整且自成體系的Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)解決方案。本設(shè)計中，采用LM1117-3.3型號的電源芯片為Wi-Fi模塊供電。當(dāng)安防機(jī)器人檢測到異常情況時，通過Wi-Fi模塊連接互聯(lián)網(wǎng)，分別向房屋主人的手機(jī)App和電源智能總開關(guān)發(fā)出警報。工作流程圖如圖7。

圖7 Wi-Fi模塊工作流程圖

2.7 顯示模塊

2.7.1 TFT顯示模塊

顯示模塊采用2.4寸液晶屏ILI9341，分辨率為240×320，采用SPI串行總線傳輸信號，最少需要4個IO驅(qū)動，占用資源小，功耗低，用于顯示各個傳感器反饋數(shù)據(jù)，及相關(guān)電量、運(yùn)行狀況等信息。

2.7.2 狀態(tài)指示燈

為了能夠更直觀地顯示安防機(jī)器人的系統(tǒng)狀態(tài)，在其車體上安裝了3個三色燈，采用10 mm圓頭低功耗4腳專用指示燈，分別用來顯示3種不同狀態(tài)：黃燈亮，系統(tǒng)處于待機(jī)狀態(tài)；綠燈亮，系統(tǒng)處于正常運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)；紅燈亮，系統(tǒng)處于檢測到危險并未解決狀態(tài)。

2.8 圖傳模塊

當(dāng)安防機(jī)器人檢測到環(huán)境參數(shù)異常時會打開圖傳模塊，安保人員可以通過圖傳模塊對相關(guān)區(qū)域的情況進(jìn)行初步了解。

本設(shè)計采用5.8 GHz圖傳模塊，把視頻信息傳遞到安保視頻播放界面。

2.9 傳感器檢測模塊

機(jī)器人上方安裝了火焰、煙霧、溫濕度等傳感器，可用于多危險因素監(jiān)測，另外還安裝1個攝像頭，用來實時記錄安防衛(wèi)士所走路徑，以便事后回放。

傳感器模塊示意圖如圖8?；鹧?zhèn)鞲衅黛`敏度可調(diào)，探測角度60°左右，數(shù)字開關(guān)量(0和1)輸出，易于檢測。MQ-2煙霧傳感器模塊采用模擬量輸出，輸出電壓為0～5 V，濃度越高輸出電壓越高。該模塊對液化氣、天然氣、城市煤氣有較好的靈敏度(檢測前，由控制器的ADC模塊對數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換[8])。DHT11溫濕度傳感器是一款已校準(zhǔn)的數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，芯片為4針單排引腳封裝，連接方便。該傳感器測量范圍為：相對濕度20%～90%，溫度0～50 ℃。超小的體積、極低的功耗，使其成為應(yīng)用在苛刻場合的最佳選擇。

圖8 傳感器模塊示意圖

3 智能開關(guān)設(shè)計

本設(shè)計在家庭電源總開關(guān)處安裝一個智能開關(guān)模塊，包括無線接收模塊和51單片機(jī)控制芯片，可以實時接收Wi-Fi模塊通過互聯(lián)網(wǎng)傳送過來的信號。一旦機(jī)器人檢測到危險，此模塊可通過先前的手機(jī)App設(shè)定來執(zhí)行相關(guān)動作。如果設(shè)置為檢測到危險信號時不斷電，那么智能開關(guān)不動作；如果設(shè)置為檢測到危險信號時斷電，那么立即通過交流繼電器等執(zhí)行器件斷開家庭電源，開關(guān)原理圖如圖9所示。

圖9 智能開關(guān)原理圖

4 手機(jī)App

為了能夠?qū)崟r設(shè)定與調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)，對“手機(jī)TCP”軟件進(jìn)行二次開發(fā)，以適合于本系統(tǒng)的手機(jī)App。設(shè)置安防機(jī)器人和智能開關(guān)的Wi-Fi模塊與手機(jī)App為同一IP站點，從而可以通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行信息傳遞。手機(jī)App可以實現(xiàn)以下功能：

1)危險時智能開關(guān)是否關(guān)斷的選擇；

2)安防機(jī)器人的模式選擇；

3)不同模式中對安防機(jī)器人的手動控制；

4)用于短信報警的手機(jī)號碼設(shè)定。

手機(jī)App傳送字符指令到指定站點，安防機(jī)器人和智能開關(guān)實時接收傳遞來的指令并執(zhí)行。

5 結(jié)語

本文對一種新型可移動的室內(nèi)安全檢測裝置的組成、功能、細(xì)節(jié)設(shè)計進(jìn)行了闡述，并經(jīng)過實際制作與調(diào)試，證明了這種裝置的可行性。該裝置提高了對家庭危險因素的檢測效率，突破了傳統(tǒng)的固定式的檢測模式，采用移動車體為載體，擴(kuò)大了檢測范圍與可靠性，具有廣闊的市場前景。

[1]劉翀,肖南峰.智能安防與家庭服務(wù)機(jī)器人的設(shè)計與實現(xiàn)[J].微計算機(jī)信息,2006(5):212-214.

[2]陳啟軍,余有靈,張偉,等.嵌入式系統(tǒng)及其應(yīng)用[M].上海:同濟(jì)大學(xué)出版社,2011.

[3]盧慶林.基于單片機(jī)的自動尋跡避障小車設(shè)計[J].機(jī)械與電子,2014(7):75-77.

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[5]余曉填,楊曦,陳安,等.基于移動機(jī)器人直流電機(jī)驅(qū)動電路的設(shè)計與應(yīng)用[J].微電機(jī),2011(11):37-40.

[6]駱俊文.智能家居監(jiān)控機(jī)器人[D].大連:大連理工大學(xué),2011.

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[8]YU C,CHEN X.Home monitoring system based on indoor service robot and wireless sensor network[J].Computers & Electrical Engineering,2013,39(4):1276-1287.

責(zé)任編輯：楊子立

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A New Type of Mobile Indoor Security Detection Device

ZHANG Song，LI Xiang，HU Xueman

(School of Electrical and Information Engineering,Anhui University of Technology,Maanshan 243000)

A new type of mobile indoor security detection device was designed in view of the limitations and shortcomings of the present security products on the market.This device,with a mobile body as the carrier,can implement obstacle avoidance detection on path information through infrared tube,and thus detect various risk factors and make timely treatment.Upon detecting dangerous situations,this device can cut off the power immediately,set off alarms and transmit information through multiple nodes to ensure the home safety.

mobile detecting;infrared obstacle avoidance;regular inspection;real-time processing;communication alarm

10.3969/j.issn.1671- 0436.2017.02.003

2017- 03-19

張松(1996— )，男，本科生。

TP242.6

A

1671- 0436(2017)02- 0016- 05