張歡

摘 要：針對(duì)市面上功能齊全的智能服務(wù)檢測(cè)機(jī)器人種類(lèi)少，而市場(chǎng)需求旺盛的問(wèn)題，文中設(shè)計(jì)了一款樓宇衛(wèi)士智能服務(wù)監(jiān)測(cè)機(jī)器人。利用紅外單點(diǎn)避障與超聲波雙路避障相結(jié)合的模式，實(shí)現(xiàn)對(duì)障礙物的全方位有效躲避與自動(dòng)巡回功能;將Arduino UNO單片機(jī)與WiFi703N模塊連接，結(jié)合機(jī)身搭載的攝像頭實(shí)時(shí)回傳錄像，通過(guò)手機(jī)APP對(duì)機(jī)器人進(jìn)行控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該機(jī)器人性能穩(wěn)定，功能齊全，具有較好的推廣價(jià)值。

關(guān)鍵詞：智能服務(wù);實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè);機(jī)器人

1 背景概述

國(guó)內(nèi)智能建筑可以追溯到1986年，由我國(guó)國(guó)家計(jì)委與科委共同立項(xiàng)，由中國(guó)科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所承擔(dān)的軟課題《智能化辦公大樓可行性研究》立項(xiàng)并工作，受到政府的高度重視。之后智能建筑在主管部門(mén)的引導(dǎo)下得到初步發(fā)展。進(jìn)入21世紀(jì)初，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)和房地產(chǎn)行業(yè)發(fā)展高峰的到來(lái)，智能建筑行業(yè)整體水平提高較快，一大批重點(diǎn)項(xiàng)目建成，形成了一個(gè)跨學(xué)科、跨專(zhuān)業(yè)、人才密集、技術(shù)密集的新型產(chǎn)業(yè)。由于樓宇智能化在低碳、節(jié)能方面優(yōu)勢(shì)突出，同時(shí)為人們的生活帶來(lái)更多舒適體驗(yàn)，因此樓宇智能化的概念深入人心，鳥(niǎo)巢、水立方、上海金茂大廈、世博會(huì)、中國(guó)館、環(huán)球金融中心等應(yīng)用樓宇智能化的建筑不斷出現(xiàn)。然而我國(guó)目前的智能建筑還存在著一定的局限性：

（1）建筑智能化水平逐步提高，但參差不齊，與國(guó)外相比仍有差距;

（2）智能化技術(shù)和產(chǎn)品依賴(lài)進(jìn)口，缺少?lài)?guó)產(chǎn)化系統(tǒng)集成產(chǎn)品;

（3）自主服務(wù)機(jī)器人在智能樓宇系統(tǒng)中的應(yīng)用研究跟不上智能建筑的發(fā)展;

（4）智能建筑設(shè)計(jì)沒(méi)有可依據(jù)的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，造成規(guī)劃、設(shè)計(jì)和施工隊(duì)伍技術(shù)能力不強(qiáng)。

綜上所述，很有必要研發(fā)一種靈活、輕便，可應(yīng)用于各個(gè)樓層的服務(wù)型機(jī)器人來(lái)填補(bǔ)國(guó)內(nèi)智能建筑服務(wù)行業(yè)的空白，為今后智能建筑的發(fā)展指明方向。

本產(chǎn)品針對(duì)樓宇、倉(cāng)庫(kù)、醫(yī)院、高校等環(huán)境監(jiān)測(cè)和自助服務(wù)的缺陷，將單片機(jī)控制系統(tǒng)、實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)z像頭、物聯(lián)網(wǎng)、用電器、傳感器、搬運(yùn)機(jī)構(gòu)等有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)樓宇智能檢測(cè)服務(wù)機(jī)器人的開(kāi)發(fā)測(cè)試，最終實(shí)現(xiàn)定時(shí)定點(diǎn)自動(dòng)巡邏與實(shí)時(shí)監(jiān)控、聯(lián)網(wǎng)防盜預(yù)警、火災(zāi)報(bào)警功能，同時(shí)搭載傳感器，實(shí)現(xiàn)收集環(huán)境檢測(cè)數(shù)據(jù)，再把收集數(shù)據(jù)上傳至物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)監(jiān)控智能化，安保人員只需坐在保安室監(jiān)控機(jī)器人實(shí)時(shí)傳輸回的樓宇情況即可，如若遇到突發(fā)情況及時(shí)處置，可以極大地減少安保工作人員的勞動(dòng)量。同時(shí)，針對(duì)居民樓、辦公樓、教學(xué)樓、圖書(shū)館等對(duì)搬運(yùn)沉重物品有需求的環(huán)境，智能樓宇服務(wù)監(jiān)測(cè)機(jī)器人可以協(xié)助用戶(hù)實(shí)現(xiàn)短距離重物搬運(yùn)，很大程度上為人們的生活和工作提供便利。

2 作品推廣的可行性

目前市面上銷(xiāo)售的針對(duì)樓宇的智能服務(wù)監(jiān)測(cè)機(jī)器人少之又少，具有類(lèi)似功能的機(jī)器人也僅僅在火車(chē)站、機(jī)場(chǎng)等人員密集的公共場(chǎng)所執(zhí)行巡邏安保任務(wù)，在居民樓、醫(yī)院、高校等具有很大發(fā)展?jié)摿Φ牡胤讲⑽赐度胧褂谩?/p>

樓宇衛(wèi)士智能服務(wù)監(jiān)測(cè)機(jī)器人將看似遙不可及的高精度、高品質(zhì)巡邏機(jī)器人帶進(jìn)尋常百姓的生活，為住戶(hù)的生活提供便利。綜合單片機(jī)通信、無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸、傳感器、微控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自動(dòng)巡檢、環(huán)境數(shù)據(jù)收集并上傳互聯(lián)網(wǎng)等功能。通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)器人工作環(huán)境的視頻信息及相關(guān)數(shù)據(jù)，不僅能夠有效降低安保人員的勞動(dòng)成本和勞動(dòng)量，提升樓宇的安全系數(shù)，還能為住戶(hù)提供一定的重物運(yùn)輸服務(wù)，提高安保和服務(wù)系統(tǒng)的效率和業(yè)務(wù)水平，大大提升人類(lèi)的生活質(zhì)量。

3 作品概況

3.1 作品目的

（1）在樓內(nèi)進(jìn)行定時(shí)定點(diǎn)或者遙控巡邏，為樓宇管理人員提供樓宇環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，工作人員掌控樓內(nèi)環(huán)境;

（2）以服務(wù)樓宇用戶(hù)為目標(biāo)，用戶(hù)可以通過(guò)手機(jī)端APP預(yù)約，提供自助搬運(yùn)服務(wù)，減輕住戶(hù)負(fù)擔(dān)，提高住戶(hù)的生活質(zhì)量;

（3）連接公共場(chǎng)所的安保系統(tǒng)，降低安保人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，減少公共場(chǎng)所的監(jiān)控盲區(qū)，提升樓宇的安全系數(shù);

（4）發(fā)生特殊狀況時(shí)發(fā)出警報(bào)，爭(zhēng)分奪秒降低損失，挽救生命。

3.2 作品樣機(jī)實(shí)物

圖1所示為第一代樣機(jī)，為了適應(yīng)樓宇中可能出現(xiàn)的狹小工況以及后續(xù)升級(jí)的搬運(yùn)功能，在第一代樣機(jī)的基礎(chǔ)上對(duì)機(jī)器人的硬件進(jìn)行了升級(jí)，并優(yōu)化了小車(chē)結(jié)構(gòu)。

說(shuō)明：目前作品只完成了自動(dòng)巡邏、環(huán)境監(jiān)測(cè)和環(huán)境視頻數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)回傳功能，受團(tuán)隊(duì)時(shí)間及單片機(jī)能力限制，目前暫時(shí)不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)巡線(xiàn)和WiFi手動(dòng)遙控兩種模式的一鍵切換。同時(shí)，通過(guò)改良結(jié)構(gòu)，機(jī)器人已初步具備搬運(yùn)重物的條件。

4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 輪式機(jī)器人移動(dòng)控制設(shè)計(jì)

4.1.1 三路尋跡模塊尋跡模式

利用紅外單點(diǎn)避障與超聲波雙路避障相結(jié)合的模式，實(shí)現(xiàn)對(duì)障礙物的全方位有效躲避與自動(dòng)巡回功能。為此，在前端中央設(shè)置一組紅外避障傳感器，用于探測(cè)輪式機(jī)器人前方障礙物，再在機(jī)器人前端設(shè)置一個(gè)安裝舵機(jī)云臺(tái)超聲波避障傳感器，分別探測(cè)輪式機(jī)器人前方左右兩側(cè)障礙物，有效擴(kuò)大探測(cè)范圍，實(shí)現(xiàn)了輪式機(jī)器人在尋跡過(guò)程中的有效避障。

4.1.2 WiFi手動(dòng)控制模式

將Arduino UNO單片機(jī)與WiFi703N模塊連接，結(jié)合機(jī)身搭載的攝像頭實(shí)時(shí)回傳錄像，通過(guò)手機(jī)APP對(duì)機(jī)器人進(jìn)行控制。由于WiFi具有高穿透性和穩(wěn)定性等特點(diǎn)，及時(shí)無(wú)線(xiàn)遙控范圍可達(dá)200 m2。

本系統(tǒng)利用多模塊協(xié)調(diào)配合，使機(jī)器人具有較高的自適應(yīng)能力。硬件以需求為基礎(chǔ)，選擇合適的模塊。驅(qū)動(dòng)模塊包含電源模塊、尋跡模塊、紅外傳感模塊、超聲波傳感模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、Arduino模塊、WiFi703N、攝像頭等。

移動(dòng)模塊系統(tǒng)原理如圖2所示。驅(qū)動(dòng)模塊主控為Arduino UNO板，外加傳感器擴(kuò)展板，由兩塊L298N驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)四個(gè)直流電機(jī)為輪式機(jī)器人提供動(dòng)力，尋跡模塊自主巡線(xiàn)，輔助模塊—紅外傳感器和超聲波傳感器實(shí)現(xiàn)障礙物監(jiān)測(cè)，安裝光敏燈模塊，使機(jī)器人在光源不充足區(qū)域的自主尋跡更穩(wěn)定，電壓表模塊可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電源電量，通過(guò)TL-WR703NWiFi模塊實(shí)現(xiàn)視頻上傳，由PC端WiFi控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。各模塊組合起來(lái)實(shí)現(xiàn)了輪式機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)、自主尋跡、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、避障等功能。

4.2 環(huán)境數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)

移動(dòng)監(jiān)測(cè)機(jī)器人的環(huán)境數(shù)據(jù)采集模塊由溫濕度傳感器、煙霧報(bào)警裝置、人體紅外傳感器組成。由ESP8266串口WiFi模塊上傳環(huán)境數(shù)據(jù)，針對(duì)上傳網(wǎng)絡(luò)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)按照以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)母袷胶鸵?guī)則進(jìn)行編碼。同時(shí)針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)配置好系統(tǒng)的API后，可以通過(guò)因特網(wǎng)使用物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)查看環(huán)境數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)。環(huán)境數(shù)據(jù)采集原理如圖3所示。

溫濕度傳感器、人體紅外傳感器均為數(shù)字傳感器，數(shù)字信號(hào)通過(guò)ESP8266WiFi模塊CPIO2端口上傳。需要對(duì)ESP8266進(jìn)行串行端口調(diào)試，使用AT指令進(jìn)行參數(shù)配置，8266使用AT命令進(jìn)行參數(shù)配置，命令詳細(xì)使用方法可查閱《Espressif AT指令集》，參照《ESP8266新手入門(mén)調(diào)試指導(dǎo)（補(bǔ)全）》的內(nèi)容進(jìn)行調(diào)試。

火焰?zhèn)鞲衅?、煙霧傳感器與Arduino主控板直接相連，輸出口接蜂鳴器，當(dāng)兩個(gè)傳感器同時(shí)檢測(cè)到有火情發(fā)生時(shí)，蜂鳴器報(bào)警，提醒附近人員以及安保人員采取對(duì)應(yīng)措施，提升樓宇安全系數(shù)。

4.3 硬件設(shè)計(jì)

4.3.1 Arduino UNO控制板

控制板采用Arduino平臺(tái)，它是基于Atmel AVR和ARM微控制開(kāi)發(fā)的開(kāi)源軟硬平臺(tái)，近年來(lái)發(fā)展迅速，應(yīng)用廣泛，在各種基于傳感器的系統(tǒng)原型設(shè)計(jì)方面得到了廣泛應(yīng)用，其硬件設(shè)計(jì)采用CC BY-SA3.0協(xié)議，軟件采用類(lèi)C++的高級(jí)語(yǔ)言。

Arduino UNO是Arduino USB接口系列的最新版本，可作為Arduino平臺(tái)的參考標(biāo)準(zhǔn)模板。UNO的處理器核心為ATmega328，其具有14路數(shù)字輸入/輸出口（其中6路可作為PWM輸出），6路模擬輸入，一個(gè)16 MHz晶體振蕩器，一個(gè)USB口，一個(gè)電源插座，一個(gè)ICSP header和一個(gè)復(fù)位按鈕。

Arduino是一個(gè)擁有眾多用戶(hù)的開(kāi)源平臺(tái)，編程簡(jiǎn)單，運(yùn)行穩(wěn)定，具有一般單片機(jī)的所有功能。選用Arduino單片機(jī)能夠大大縮短設(shè)計(jì)、調(diào)試過(guò)程及開(kāi)發(fā)所用時(shí)間，降低設(shè)計(jì)成本。

4.3.2 電機(jī)模塊

輪式機(jī)器人采用直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式，通過(guò)控制左右四個(gè)直流電機(jī)來(lái)控制小車(chē)轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向，電機(jī)模塊如圖4所示。直流電機(jī)采用兩片直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L293進(jìn)行控制。

L298N是一款單片集成的高電壓、高電流、4通道電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，設(shè)計(jì)用于連接標(biāo)準(zhǔn)DTL或TTL邏輯電平，驅(qū)動(dòng)電感負(fù)載（如繼電線(xiàn)圈、DC和步進(jìn)電機(jī)）和開(kāi)關(guān)功率晶體管等。為了簡(jiǎn)化為雙橋應(yīng)用，L298N每個(gè)通道都配備了一個(gè)使能輸入端，其邏輯電路具有獨(dú)立的供電輸入，可在更低的電壓下工作。此外，L298N還內(nèi)置有二極管，適用于頻率達(dá)5 kHz的開(kāi)關(guān)應(yīng)用。

由于芯片L298N并未限制對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制方式，因此可通過(guò)Arduino程序控制調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的PWM信號(hào)，改變電機(jī)輸出功率，從而控制左右電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

4.3.3 麥克納姆輪（Mecanum Wheel）

麥克納姆輪是瑞典麥克納姆公司的專(zhuān)利。麥克納姆輪的全方位移動(dòng)方式基于一個(gè)有許多位于機(jī)輪周邊輪軸的中心輪原理，這些成角度的周邊輪軸把一部分機(jī)輪轉(zhuǎn)向力轉(zhuǎn)化到一個(gè)機(jī)輪法向力上，依靠各自機(jī)輪的方向和速度，這些力最終合成在任何要求的方向，形成合力矢量，從而保證該平臺(tái)在最終的合力矢量方向上能自由移動(dòng)，而不改變機(jī)輪自身的方向。在其輪緣上斜向分布著許多小滾子，故輪子可以橫向滑移。小滾子的母線(xiàn)很特殊，當(dāng)輪子繞著固定的輪心軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，各個(gè)小滾子的包絡(luò)線(xiàn)為圓柱面，所以該輪能夠連續(xù)向前滾動(dòng)。麥克納姆輪結(jié)構(gòu)緊湊，運(yùn)動(dòng)靈活，將4個(gè)新型輪子進(jìn)行組合，可以更靈活、方便地實(shí)現(xiàn)全方位移動(dòng)功能。麥克納姆輪如圖5所示，麥克納姆輪移動(dòng)方式如圖6所示。

4.3.4 尋跡模塊

TCRT5000傳感器的紅外發(fā)射二極管不斷發(fā)射紅外線(xiàn)，當(dāng)發(fā)射出的紅外線(xiàn)沒(méi)有被反射回來(lái)或被反射回來(lái)但強(qiáng)度不夠大時(shí)，紅外接收管一直處于關(guān)斷狀態(tài)，此時(shí)模塊的輸出端為高電平，指示二極管一直處于熄滅狀態(tài);被檢測(cè)物體出現(xiàn)在檢測(cè)范圍內(nèi)時(shí)，紅外線(xiàn)被反射回來(lái)且強(qiáng)度足夠大，紅外接收管飽和，此時(shí)模塊的輸出端為低電平，指示二極管被點(diǎn)亮。

尋跡模式采用三路尋跡，若左邊TCRT5000傳感器檢測(cè)黑線(xiàn)存在，則右邊電機(jī)啟動(dòng)左轉(zhuǎn);若右邊TCRT5000傳感器檢測(cè)黑線(xiàn)存在，則左邊電機(jī)啟動(dòng)右轉(zhuǎn);若中間TCRT5000傳感器檢測(cè)黑線(xiàn)存在，則左右電機(jī)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。尋跡模塊如圖7所示。

4.3.5 紅外傳感器模塊

紅外測(cè)距模塊采用夏普GP2Y0A21紅外測(cè)距傳感器，夏普GP2Y0A21型紅外測(cè)距傳感器是基于位置敏感傳感器PSD（Position Sensitive Device，PSD）的微距傳感器，捕捉的是光信號(hào)并且有著基于Lucovusky方程的電路設(shè)計(jì)，其有效的測(cè)量距離為80 cm。紅外測(cè)距的優(yōu)點(diǎn)是無(wú)盲區(qū)、測(cè)量精度高、反應(yīng)速度快，但其缺點(diǎn)是受環(huán)境影響較大、探測(cè)距離較近。采用紅外傳感器與超聲波傳感器互補(bǔ)，使機(jī)器人具有精確的感測(cè)范圍。

4.3.6 超聲波傳感器模塊

超聲波模塊由發(fā)射電路和接收電路組成。其中發(fā)射電路由Em78p153單片機(jī)、MAX232及超聲波發(fā)射頭T40等組成，接收電路由 TL074運(yùn)算放大器及超聲波接收器R40等組成。探測(cè)時(shí)，超聲波發(fā)射器發(fā)射出長(zhǎng)約6 mm，頻率為40 kHz的超聲波信號(hào)。此信號(hào)被物體反射回來(lái)由超聲波接收器接收，接收器實(shí)質(zhì)上是一種壓電效應(yīng)的換能器。它接收到信號(hào)后產(chǎn)生mV級(jí)微弱電壓信號(hào)，電壓信號(hào)再在核心控制模塊中轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。設(shè)超聲波脈沖由傳感器發(fā)出到接收所經(jīng)歷的時(shí)間為t，超聲波在空氣中的傳播速度為c，則從傳感器到目標(biāo)物體的距離D可通過(guò)D=ct/2求出。

4.3.7 TL-704N WiFi模塊和攝像頭

系統(tǒng)所用WiFi模塊為高通 AR9331芯片，這是一個(gè)高度集成的WLAN解決方案。JS9331 基于Atheros AR9331 SOC方案的WiFi模塊，系統(tǒng)頻率達(dá)400 MHz，板載64 MB DDR2 RAM，8 MB FLASH，對(duì)外引出USB，GPIO，UART，I2S，以太網(wǎng)接口，WiFi天線(xiàn)接口。本模塊體積小、功耗低、發(fā)熱量小，WiFi、網(wǎng)口傳輸性能穩(wěn)定。

運(yùn)行OpenWrt（Linux）系統(tǒng)，可長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。模塊外圍電路非常簡(jiǎn)單，僅需加上33 V DC 電源，即可讓系統(tǒng)啟動(dòng)，并可通過(guò)WiFi控制。采用2個(gè)1×19 2.0 mm鍍金排針接口，可非常穩(wěn)定地固定在底板上。該模塊預(yù)置OpenWrt固件，適配工作室各系列驅(qū)動(dòng)板，實(shí)現(xiàn)視頻傳輸及指令雙向傳輸功能。

符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的802.11 b/g/n協(xié)議采用DSSS，OFDM，BPSK，QPSK，CCK和QAM基帶調(diào)制技術(shù)，能自適應(yīng)路由器等設(shè)備的無(wú)線(xiàn)熱點(diǎn)。最大連接速率達(dá)150 Mbps，可用于智能家居，IP camera，VOIP，遙控拍攝飛行器、遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)、便攜式3G/4G 路由器、簡(jiǎn)單的Web網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、FTP服務(wù)器、遠(yuǎn)程下載。TL-704N WiFi模塊如圖8所示，攝像頭實(shí)物如圖9所示。

4.3.8 溫濕度傳感器

DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，它應(yīng)用專(zhuān)用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性和卓越的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。傳感器包括一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)NTC測(cè)溫元件，并與一個(gè)高性能8位單片機(jī)相連接。因此該產(chǎn)品具有品質(zhì)卓越、超快響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)、性?xún)r(jià)比極高等優(yōu)點(diǎn)。每個(gè)DHT11傳感器都在極為精確的濕度校驗(yàn)室中進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)系數(shù)以程序的形式存在OTP內(nèi)存中，傳感器內(nèi)部在檢測(cè)信號(hào)的處理過(guò)程中要調(diào)用這些校準(zhǔn)系數(shù)。單線(xiàn)制串行接口使系統(tǒng)集成變得簡(jiǎn)易快捷。超小的體積、極低的功耗，使其成為該類(lèi)應(yīng)用中，在苛刻應(yīng)用場(chǎng)合的最佳選擇。產(chǎn)品為4針單排引腳封裝，連接方便。溫濕度傳感器接線(xiàn)，VCC-3.3 V，CH_PD-3.3 V，GND-GND，GPIO2-DHT11 data腳。

4.3.9 煙霧傳感器MQ-2

MQ-2氣體傳感器所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導(dǎo)率較低的二氧化錫（SnO2）。當(dāng)傳感器所處環(huán)境中存在可燃?xì)怏w時(shí)，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中可燃?xì)怏w濃度的增加而增大。使用簡(jiǎn)單的電路即可將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)。MQ-2氣體傳感器對(duì)液化氣、丙烷、氫氣的靈敏度高，對(duì)天然氣和其他可燃蒸汽的檢測(cè)也很理想。這種傳感器可檢測(cè)多種可燃性氣體，是一款適合多種應(yīng)用的低成本傳感器。

4.3.10 火焰?zhèn)鞲衅?/p>

火焰?zhèn)鞲衅髂軌蛱綔y(cè)到波長(zhǎng)在700～1 000 nm范圍內(nèi)的紅外光，探測(cè)角度為60°，其中紅外光波長(zhǎng)在880 nm附近時(shí)，其靈敏度達(dá)到最大。遠(yuǎn)紅外火焰探頭將外界紅外光的強(qiáng)弱變化轉(zhuǎn)化為電流的變化，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器反映0～255范圍內(nèi)數(shù)值的變化。外界紅外光越強(qiáng)，數(shù)值越小;紅外光越弱，數(shù)值越大。

4.3.11 人體紅外傳感器

人體都有恒定的體溫，一般在37 ℃，所以會(huì)發(fā)出特定波長(zhǎng)約10 μm的紅外線(xiàn)，被動(dòng)式紅外探頭依靠探測(cè)人體發(fā)射的10 μm紅外線(xiàn)工作。人體發(fā)射的約10 μm的紅外線(xiàn)通過(guò)菲涅爾濾光片增強(qiáng)后聚集到紅外感應(yīng)源上。紅外感應(yīng)源通常選用熱釋電元件，該類(lèi)元件在接收到人體紅外輻射溫度發(fā)生變化時(shí)就會(huì)失去電荷平衡，向外釋放電荷，后續(xù)電路經(jīng)檢測(cè)處理后會(huì)產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)。

熱釋電效應(yīng)：當(dāng)一些晶體受熱時(shí)，在晶體兩端將會(huì)產(chǎn)生數(shù)量相等而符號(hào)相反的電荷，這種由于熱變化而產(chǎn)生的電極化現(xiàn)象稱(chēng)為熱釋電效應(yīng)。

菲涅爾透鏡：根據(jù)菲涅爾原理制成，菲涅爾透鏡分為折射式和反射式兩種，其作用一是聚焦，將熱釋紅外信號(hào)折射（反射）在熱釋電人體紅外傳感器（PIR）上;二是將檢測(cè)區(qū)分為若干個(gè)明區(qū)和暗區(qū)，使進(jìn)入檢測(cè)區(qū)的移動(dòng)物體能以溫度變化的形式在PIR上產(chǎn)生變化熱釋紅外信號(hào)，之后PIR產(chǎn)生變化電信號(hào)，使熱釋電人體紅外傳感器靈敏度大大增加。菲涅爾透鏡如圖10所示。

4.4 控制模式

機(jī)器人有兩個(gè)模式，即自主尋跡與特殊情況WiFi控制。運(yùn)行測(cè)試項(xiàng)目為自主尋跡、避障、舵機(jī)云臺(tái)操作、實(shí)時(shí)監(jiān)控、WiFi控制、溫濕度和人體紅外數(shù)據(jù)上傳物聯(lián)網(wǎng)、煙霧傳感器和火焰?zhèn)鞲衅鲌?bào)警。WiFi模式如圖11所示。自主尋跡模式如圖12所示。

4.5 樓宇環(huán)境情況實(shí)時(shí)回傳

樓宇衛(wèi)士智能服務(wù)監(jiān)測(cè)機(jī)器人運(yùn)行情況以及巡邏期間樓宇內(nèi)的環(huán)境情況通過(guò)機(jī)器人上搭載的攝像頭以視頻形式展現(xiàn)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)樓宇進(jìn)行360°無(wú)死角監(jiān)測(cè)。回傳情況可以通過(guò)電腦端接收，將來(lái)還會(huì)開(kāi)發(fā)與樓宇衛(wèi)士智能服務(wù)監(jiān)測(cè)機(jī)器人配套的APP，使安保人員和管理人員能夠隨時(shí)隨地掌握建筑物內(nèi)的情況，便于處理突發(fā)事件。環(huán)境情況實(shí)時(shí)回傳界面如圖13所示。

4.6 環(huán)境溫濕度監(jiān)測(cè)

對(duì)于樓宇內(nèi)環(huán)境的監(jiān)測(cè)，溫濕度無(wú)法被忽視，特別是對(duì)于一些特定倉(cāng)庫(kù)環(huán)境，掌握實(shí)時(shí)溫濕度數(shù)據(jù)，并采取相應(yīng)措施是管理人員十分重要的責(zé)任之一。傳統(tǒng)執(zhí)行方式是通過(guò)倉(cāng)庫(kù)內(nèi)安裝的定點(diǎn)溫濕度計(jì)等傳感器，由管理人員讀取特定數(shù)值，進(jìn)而判斷倉(cāng)庫(kù)內(nèi)的溫濕度情況。我們的樓宇衛(wèi)士智能服務(wù)監(jiān)測(cè)機(jī)器人可以將監(jiān)測(cè)范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，通過(guò)巡邏和實(shí)時(shí)回傳，使管理人員能夠獲得樓宇內(nèi)每一處的實(shí)時(shí)溫濕度情況，大大降低管理人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。圖14所示為機(jī)器人電腦端控制界面，通過(guò)利用現(xiàn)有創(chuàng)客物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)連接機(jī)器人上的ESP8266WiFi芯片模塊實(shí)時(shí)傳輸環(huán)境信息。溫濕度監(jiān)測(cè)界面如圖15所示。

4.7 外來(lái)人員入侵監(jiān)測(cè)

對(duì)于倉(cāng)庫(kù)、居民樓等特定時(shí)間內(nèi)不會(huì)有人員進(jìn)入的建筑，需要安保人員徹夜巡查，極大地增加了安保人員的工作量，同時(shí)監(jiān)控設(shè)施往往存在一些監(jiān)控盲區(qū)，而不法分子往往通過(guò)抓住這些漏洞實(shí)施犯罪活動(dòng)。因此，通過(guò)機(jī)器人的紅外傳感器搭配視頻情況實(shí)時(shí)回傳，安保人員只需在值班室內(nèi)對(duì)回傳的視頻畫(huà)面和數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)比對(duì)和監(jiān)控即可，一旦出現(xiàn)異常立刻采取相關(guān)措施，以有效提升建筑的監(jiān)控水平，減少建筑的監(jiān)控盲區(qū)，提升監(jiān)控效率。人員入侵監(jiān)測(cè)如圖16所示。

4.8 煙霧火警監(jiān)測(cè)與報(bào)警

對(duì)于樓宇安全來(lái)說(shuō)，火災(zāi)預(yù)防往往排在首位，很多火災(zāi)的發(fā)生通常是由一些不易被發(fā)現(xiàn)的隱患引起的，因此預(yù)防火災(zāi)難度較高。除了做好相關(guān)隱患的排除和配備滅火工具外，對(duì)于環(huán)境煙霧的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和火災(zāi)第一時(shí)間報(bào)警也是降低火災(zāi)損失的重要措施之一。樓宇衛(wèi)士智能服務(wù)監(jiān)測(cè)機(jī)器人可以通過(guò)搭載的煙霧傳感器和報(bào)警裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境煙霧的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，如果出現(xiàn)異常情況，立即通過(guò)報(bào)警裝置報(bào)警，做到第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)并處理，將火災(zāi)的損失降至最低。

4.9 自助搬運(yùn)服務(wù)

對(duì)于樓宇內(nèi)住戶(hù)來(lái)說(shuō)，某些情況下需要借助一些工具實(shí)現(xiàn)搬運(yùn)功能，如圖書(shū)館需要搬運(yùn)圖書(shū)，倉(cāng)庫(kù)需要搬運(yùn)貨物，居民樓業(yè)主需要搬運(yùn)蔬菜等，辦公樓人員需要頻繁傳遞辦公用品及文件資料，因此針對(duì)隨叫隨到的搬運(yùn)機(jī)器人的需求十分旺盛。目前小車(chē)已經(jīng)具備實(shí)現(xiàn)搬運(yùn)功能的結(jié)構(gòu)，軟件及搬運(yùn)前端正在開(kāi)發(fā)中。

5 智能服務(wù)監(jiān)測(cè)類(lèi)機(jī)器人現(xiàn)實(shí)優(yōu)勢(shì)

隨著機(jī)器人行業(yè)的發(fā)展和高層樓宇的大量出現(xiàn)，越來(lái)越多的地方對(duì)于樓宇服務(wù)機(jī)器人的需求開(kāi)始增大。倉(cāng)庫(kù)、醫(yī)院、高校、小區(qū)住宅、大型辦公樓等都對(duì)服務(wù)類(lèi)的機(jī)器人存在迫切需求。同時(shí)由于人們對(duì)于安全要求的提高，也會(huì)對(duì)安保類(lèi)機(jī)器人存在大量需求，樓宇衛(wèi)士智能服務(wù)監(jiān)測(cè)機(jī)器人會(huì)大大降低安保和管理人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

6 智能服務(wù)監(jiān)測(cè)類(lèi)機(jī)器人未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

李克強(qiáng)總理2016年的政府工作報(bào)告中首次提到了“大眾創(chuàng)業(yè)，萬(wàn)眾創(chuàng)新”的概念，樓宇衛(wèi)士智能服務(wù)監(jiān)測(cè)機(jī)器人便是大學(xué)生自主創(chuàng)新的產(chǎn)物，該機(jī)器人采用模塊化設(shè)計(jì)，順應(yīng)未來(lái)發(fā)展潮流。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的崗位將會(huì)由智能服務(wù)監(jiān)測(cè)類(lèi)機(jī)器人勝任，取代傳統(tǒng)勞動(dòng)人員，實(shí)現(xiàn)全天候、全方位監(jiān)測(cè)與服務(wù)，大大提高監(jiān)測(cè)范圍與服務(wù)質(zhì)量，是我國(guó)服務(wù)業(yè)發(fā)展的有力助推器。

隨著電子元器件的發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步，機(jī)器人的制作成本正在逐漸降低，承擔(dān)監(jiān)測(cè)、巡邏的機(jī)器人正逐步走向人們的生活。在各種樓宇環(huán)境中投入大量類(lèi)似的樓宇服務(wù)機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測(cè)、定點(diǎn)巡邏，通過(guò)攝像頭與樓宇互聯(lián)網(wǎng)及時(shí)回傳環(huán)境圖像，并對(duì)一些突發(fā)情況作出相應(yīng)處理，以有效減少樓宇監(jiān)控盲區(qū)，與樓宇的安保人員形成優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，極大地節(jié)省人力。同時(shí)，機(jī)器人所具備的搬運(yùn)功能也能夠?yàn)闃怯钭?hù)提供一些運(yùn)輸服務(wù)，大大減少用戶(hù)負(fù)擔(dān)，對(duì)提升小區(qū)居民生活質(zhì)量，提高樓宇安全系數(shù)，以及增加住戶(hù)對(duì)樓宇的滿(mǎn)意程度有很大貢獻(xiàn)。這款產(chǎn)品的潛在用戶(hù)為小區(qū)物業(yè)、醫(yī)院、學(xué)校的安保系統(tǒng)，以及倉(cāng)庫(kù)管理部門(mén)等，推廣價(jià)值巨大。

7 市場(chǎng)需求分析

隨著高檔小區(qū)的發(fā)展，以及大型公司、高校、物流倉(cāng)儲(chǔ)的需求，智能監(jiān)測(cè)機(jī)器人將會(huì)占據(jù)很高的市場(chǎng)份額，投入各行各業(yè)的生產(chǎn)生活中，與管理人員協(xié)作，提供更好的管理和服務(wù)。

8 獨(dú)特性與創(chuàng)新點(diǎn)

樓宇衛(wèi)士智能服務(wù)監(jiān)測(cè)機(jī)器人將看似遙不可及的高精度、高品質(zhì)巡邏機(jī)器人帶進(jìn)尋常百姓的生活，為住戶(hù)生活提供便利。同時(shí)，該作品基于Arduino UNO硬件平臺(tái)研發(fā)，擴(kuò)展性好。

輪式機(jī)器人驅(qū)動(dòng)模塊由紅外傳感器、超聲波測(cè)距傳感器、舵機(jī)、尋跡模塊TCRT5000、WiFi模塊703N、攝像頭等組成;環(huán)境采集模塊由溫濕度傳感器DHT11、煙霧報(bào)警裝置MQ2、火焰?zhèn)鞲衅?、人體紅外感應(yīng)模塊HC-SR501、ESP8266WiFi模塊組成。

軟件方面，Arduino IDE開(kāi)發(fā)環(huán)境，類(lèi)似C/C++后端使用貝殼物聯(lián)平臺(tái)。兩者均為開(kāi)源平臺(tái)，產(chǎn)品開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)成本較低，具備較大的開(kāi)發(fā)升級(jí)空間，可以針對(duì)不同需求的用戶(hù)做出不同的改進(jìn)，大大拓寬樓宇服務(wù)機(jī)器人的推廣范圍。

樓宇衛(wèi)士智能服務(wù)監(jiān)測(cè)機(jī)器人可以填補(bǔ)智能樓宇目前發(fā)展過(guò)程中的空白，提高樓宇的智能性。該作品可以在倉(cāng)庫(kù)、居民樓、醫(yī)院、辦公樓、教學(xué)樓、圖書(shū)館等眾多建筑中投入使用。在環(huán)境監(jiān)測(cè)過(guò)程中，機(jī)器人可以通過(guò)實(shí)現(xiàn)定時(shí)定點(diǎn)自動(dòng)巡邏進(jìn)行環(huán)境檢測(cè)，由高清攝像頭回傳實(shí)時(shí)監(jiān)控的視頻，并具備聯(lián)網(wǎng)防盜預(yù)警功能。搭載傳感器后可使機(jī)器人實(shí)時(shí)收集環(huán)境檢測(cè)數(shù)據(jù)，并將收集到的數(shù)據(jù)上傳至物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)智能化，安保人員只需坐在保安室監(jiān)控機(jī)器人實(shí)時(shí)傳輸回的樓宇情況即可。

針對(duì)居民樓、辦公樓、教學(xué)樓、圖書(shū)館等人流量較大的環(huán)境，智能樓宇服務(wù)監(jiān)測(cè)機(jī)器人可以幫助用戶(hù)搬運(yùn)一定重物，在很大程度上為人們的生活和工作提供便利。