孫曉葉 毛紫荊 盧鈺均 鄭翔宇 施玥 崔靜

摘? 要：Searching-智能探人者下位機(jī)硬件是基于樹(shù)莓派3B+履帶坦克智能設(shè)備，以phython作為開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，硬件主要包含主控模塊、七彩燈模塊，電機(jī)模塊，超聲波模塊，紅外避障尋光模塊和USB攝像頭等模塊;上位機(jī)是基于安卓開(kāi)發(fā)的APP，通過(guò)藍(lán)牙或WiFi方式無(wú)線連接到下位機(jī)智能終端，實(shí)現(xiàn)鳴笛，點(diǎn)燈，舵機(jī)控制，自動(dòng)避障，巡線，探測(cè)等功能。本系統(tǒng)能協(xié)助救援者在人力所不能及的范圍內(nèi)進(jìn)行監(jiān)視、偵聽(tīng)，為救援者采取正確行動(dòng)提供現(xiàn)實(shí)有效的幫助。

關(guān)鍵詞：應(yīng)急處置;樹(shù)莓派;遠(yuǎn)程控制;移動(dòng)智能終端

中圖分類號(hào)：TP393? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2020）30-0017-04

Abstract： Searching-Intelligent Detector lower-level computer hardware is based on the Raspberry Pi 3B+ crawler tank intelligent device， with Phython as the development language. The hardware mainly includes the main control module， colorful light module， motor module， ultrasonic module， infrared obstacle avoidance and light-finding module And USB camera and other modules; the host computer is based on the APP developed by Android， wirelessly connected to the lower computer intelligent terminal via Bluetooth or WiFi， to achieve whistle， lighting， servo control， automatic obstacle avoidance， line patrol， detection and other functions. The system can assist rescuers to monitor and intercept within the reach of human resources， and provide realistic and effective help for rescuers to take corrective actions.

Keywords： emergency handling; Raspberry Pi; remote control; mobile intelligent terminal

1 概述

“科技改變世界”自千禧之年后不再是一句口號(hào)，而是轉(zhuǎn)變成為了現(xiàn)實(shí)，我們正處于全世界第三次科技革命的浪潮當(dāng)中，隨處可見(jiàn)的智能化設(shè)備在實(shí)際生活中運(yùn)用， 不僅能幫助人類去完成很多任務(wù)，而且這些任務(wù)中降低了人力成本，提升了工作效率，創(chuàng)造了更多的社會(huì)價(jià)值。盡管時(shí)代的變化日新月異，人工智能的更新?lián)Q代速度令人咋舌，但是在自然面前我們始終很渺小，自然的力量人類很難與之抗衡，與自然和諧相處才是人類長(zhǎng)久生存的王道。在搶救因自然災(zāi)害被困的人員時(shí)，往往探查到的時(shí)間越早就能夠大幅度降低自然災(zāi)害的破壞[1]。一般來(lái)說(shuō)，開(kāi)展搜救的方法往往是通過(guò)一些儀器檢測(cè)環(huán)境，人力或者機(jī)械挖掘以及通過(guò)搜救犬的嗅覺(jué)尋找生命跡象，但在實(shí)施救援工作之前沒(méi)有對(duì)環(huán)境有正確的認(rèn)識(shí)與評(píng)估，非但不能完成救援工作，甚至可能造成更大的損失。而人工智能能更好地協(xié)助救援工作的進(jìn)行。災(zāi)后搜救是救助管理工作中的重要環(huán)節(jié)，現(xiàn)在的救援方式可以在傳統(tǒng)的基礎(chǔ)之上，增加對(duì)現(xiàn)代科技的運(yùn)用。這不僅是一次全新的嘗試更能夠彌補(bǔ)當(dāng)下單一的救援方式所造成的各種信息不準(zhǔn)確的問(wèn)題。

本系統(tǒng)產(chǎn)品旨在協(xié)助人類在人力所不能及的范圍進(jìn)行監(jiān)視、偵聽(tīng)，為人類采取正確行動(dòng)提供現(xiàn)實(shí)有效的信息，避免因信息的缺失而導(dǎo)致的“人間悲劇”。通過(guò)應(yīng)用于搜救、公安辦案系統(tǒng)方面，它可以充當(dāng)人類的“感官”，深入人所不能及的地域，為救助人員提供受害者的信息，為進(jìn)一步救援提供幫助，甚至代替救援人員進(jìn)行救援是勢(shì)在必行的。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案主要分為兩大部分來(lái)進(jìn)行開(kāi)發(fā)， 第一個(gè)部分是對(duì)上位機(jī)部分進(jìn)行設(shè)計(jì)， 第二個(gè)部分是對(duì)下位機(jī)部分進(jìn)行設(shè)計(jì)。Searching-智能探人者總體方案設(shè)計(jì)如圖1所示。

2.1 上位機(jī)設(shè)計(jì)

Searching-智能探人者采用的是安卓的移動(dòng)端來(lái)控制設(shè)備的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)設(shè)備的傳感器將采集的信息發(fā)送給安卓的移動(dòng)端顯示出來(lái)。系統(tǒng)的軟件開(kāi)發(fā)是選用eclipse軟件編寫(xiě)Android客戶端， 安裝APK在手機(jī)上， 經(jīng)過(guò)操作手機(jī)， Searching-智能探人者主控功能是通過(guò)藍(lán)牙和WiFi作為信息的載體，讓設(shè)備端的藍(lán)牙模塊和樹(shù)莓派配置成的路由器接收信號(hào)到樹(shù)莓派主板中進(jìn)行處理，樹(shù)莓派輸出相應(yīng)的信號(hào)使電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊工作，并通過(guò)路串口發(fā)送給串口指令來(lái)控制設(shè)備的行進(jìn)，停止，鳴笛，加減速，亮燈，轉(zhuǎn)向以及舵機(jī)云臺(tái)控制，七彩探照燈，超聲波避障，巡線等功能。樹(shù)莓派視頻功能則是通過(guò)安卓的移動(dòng)端連接樹(shù)莓派路由器來(lái)獲取到WiFi信號(hào)，USB攝像頭在連接到樹(shù)莓派的插口后采集的圖像信息數(shù)據(jù)，然后實(shí)時(shí)的通過(guò)WiFi發(fā)送給安卓的移動(dòng)終端上。上位機(jī)設(shè)計(jì)流程圖，如圖2所示。

2.2 下位機(jī)設(shè)計(jì)

下位機(jī) （Searching-智能探人者實(shí)體硬件簡(jiǎn)稱下位機(jī)） 軟件用Python程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言進(jìn)行編寫(xiě)。Python相對(duì)于其他的一些編程語(yǔ)言有著簡(jiǎn)潔明確的優(yōu)點(diǎn)。并且Python功能庫(kù)豐富，可移植性強(qiáng)， 非常適合本次設(shè)計(jì)。樹(shù)莓派控制端是通過(guò)硬件安裝的藍(lán)牙模塊接收Android端傳來(lái)的信息， 進(jìn)行字符串解析，得到想要的指令或者信息。通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊進(jìn)行控制車的行進(jìn)或速度的調(diào)整，超聲避障模塊發(fā)射超聲波根據(jù)發(fā)回來(lái)的聲波判斷前方是否有障礙物，七彩燈模塊進(jìn)行探照。在解析到用戶的命令之后，硬件便執(zhí)行相應(yīng)的功能。下位機(jī)流程設(shè)計(jì)圖，如圖3所示。

3 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)硬件整體功能模塊

Searching-智能探人者硬件構(gòu)成包含主控模塊、七彩燈模塊，電機(jī)模塊，超聲波模塊，紅外避障尋光模塊和USB攝像頭等模塊組成。在系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的過(guò)程中考慮性能、成本、開(kāi)發(fā)難度等客觀因素，此次經(jīng)過(guò)綜合考慮選取了最佳的方案。Searching-智能探人者硬件模塊如圖4所示。

3.2 主程序模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的主程序是通過(guò)對(duì)樹(shù)莓派主板的控制完成的，首先通過(guò)對(duì)APP連接到的藍(lán)牙模塊輸入的指令信息然后進(jìn)行解析，來(lái)控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)，從而達(dá)到控制硬件正常運(yùn)行的目的。由于本次系統(tǒng)選用的樹(shù)莓派3B+開(kāi)發(fā)板是沒(méi)有配置FLASE的，所以它是用SD卡的啟動(dòng)，在SD卡插入樹(shù)莓派之前我們需要先下載相應(yīng)鏡像，并通過(guò)燒錄工具將其燒寫(xiě)在SD上，完成之后插入SD卡啟動(dòng)系統(tǒng)即可，本次系統(tǒng)當(dāng)中我們選用的是Raspbin操作系統(tǒng)。

樹(shù)莓派定時(shí)對(duì)藍(lán)牙模塊的串口讀數(shù)據(jù)，檢測(cè)串口是否有數(shù)據(jù)讀出，如果有數(shù)據(jù)讀出則對(duì)讀出的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，分別對(duì)應(yīng)設(shè)備的前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、停止的控制。系統(tǒng)選用的是雙路直流電機(jī)的控制Searching-智能探人者選用的是TB6612FNG驅(qū)動(dòng)芯片系統(tǒng)的巡線功能主要是基于黑色線中心判斷，由于黑線在地板上，而顏色不同對(duì)光線的反射系數(shù)是不一樣的，因此系統(tǒng)是用紅外傳感器來(lái)幫助巡線功能的完成，巡線功能的基本原理是利用物體的反射性質(zhì)，硬件設(shè)備巡黑線行駛，然而當(dāng)紅外傳感器發(fā)射紅外線在黑顏色的線上時(shí)由于光的吸收原理紅外線就會(huì)被黑線吸收掉，但是如果紅外線是發(fā)射到其他的顏色上會(huì)重新反射到紅外的接受管上。這時(shí)樹(shù)莓派接收到反射回來(lái)的紅外光線，以紅外光線為依據(jù)來(lái)確定黑線的位置以及規(guī)劃Searching-智能探人者的行進(jìn)路線。根據(jù)上述不同特點(diǎn)通過(guò)相應(yīng)的代碼完成Searching-智能探人者的巡線功能。關(guān)鍵代碼如圖5所示。

本系統(tǒng)帶舵機(jī)超聲波避障用到的舵機(jī)是9G舵機(jī)SG90，這款舵機(jī)體積相對(duì)較小，雖然扭矩不算大，但對(duì)于系統(tǒng)要求的轉(zhuǎn)向已經(jīng)足夠。在舵機(jī)安裝之前要進(jìn)行校準(zhǔn)。

超聲波測(cè)距的原理是先通過(guò)超聲波模塊發(fā)出超聲波，然后再根據(jù)是接收器接到超聲波時(shí)的時(shí)間差。假設(shè)超聲波模塊的發(fā)射器在某一個(gè)方位發(fā)射了超聲波，模塊在超聲波發(fā)射以后邊開(kāi)始計(jì)時(shí)，當(dāng)超聲波遇見(jiàn)障礙物之后就會(huì)被反射回來(lái)，此時(shí)超聲波模塊的接收器在接受到聲波后便停止計(jì)時(shí)。在程序的編寫(xiě)中我們可以根據(jù)超聲波測(cè)距相應(yīng)的公式進(jìn)行計(jì)算來(lái)確定人員或者物體的位置。觸發(fā)超聲波模塊的測(cè)距功能如圖6所示。關(guān)鍵代碼如圖7所示。

3.3 APP系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（1）主控界面

APP的連接到Searching-智能探人者藍(lán)牙之后，就進(jìn)入了APP主控界面，此時(shí)可點(diǎn)擊相應(yīng)的按鍵對(duì)硬件行進(jìn)加速，減速，舵機(jī)云臺(tái)的轉(zhuǎn)向，燈光顏色等對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制。還可以在APP上顯示一些對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)。APP使用的是按鍵控件根據(jù)邏輯設(shè)計(jì)的原理只需要對(duì)不同按鍵進(jìn)行按下和松開(kāi)，藍(lán)牙通信發(fā)送控制設(shè)備的相應(yīng)代碼發(fā)送對(duì)應(yīng)設(shè)備控制代碼， 然后設(shè)備通過(guò)對(duì)接收到的代碼進(jìn)行解碼就會(huì)做出對(duì)應(yīng)的反應(yīng)。

APP主控界面圖，如圖8所示。

（2）用戶可通過(guò)主控界面進(jìn)入模式選擇頁(yè)面，可以在模式選擇頁(yè)面進(jìn)行相應(yīng)的操控，主要分為七彩探照、巡線模式、避障模式、樹(shù)莓派視頻四個(gè)模式，用戶可以選擇相應(yīng)的模式，Searching-智能探人者將會(huì)作出相應(yīng)的反應(yīng)。APP模式選擇圖，如圖9所示。

（3）樹(shù)莓派視頻功能

Searching-智能探人者這個(gè)基于樹(shù)莓派的WiFi智能設(shè)備的主控板已經(jīng)配置成路由器模式，開(kāi)機(jī)時(shí)啟動(dòng)mjpeg視頻服務(wù)器和bluetooth_control藍(lán)牙控制進(jìn)程。路由器IP地址為192.168.50.1。

系統(tǒng)在工作時(shí)，智能設(shè)備通過(guò)配置成功的樹(shù)莓派路由器與上位機(jī)建立無(wú)線連接。在進(jìn)入樹(shù)莓派視頻功能后，USB攝像頭捕捉到的圖像數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)樹(shù)莓派路由器內(nèi)部處理，然后通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳送到安卓的一等終端中顯示。[2-4]監(jiān)控人員在根據(jù)視頻圖像，將上位機(jī)的指令通過(guò)WiFi傳輸給樹(shù)莓派設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)Searching-智能探人者的行進(jìn)、舵機(jī)的轉(zhuǎn)向，攝像頭的角度的移動(dòng)和燈光的控制。

4 結(jié)束語(yǔ)

Searching-智能探人者是基于樹(shù)莓派的智能設(shè)備搜救系統(tǒng)。通過(guò)反復(fù)的進(jìn)行代碼修改和調(diào)試，Searching-智能探人者這個(gè)基于樹(shù)莓派的智能設(shè)備搜救系統(tǒng)樹(shù)莓派的智能設(shè)備系統(tǒng)預(yù)設(shè)功能基本實(shí)現(xiàn)，能通過(guò)Android的移動(dòng)終端設(shè)備控制設(shè)備的轉(zhuǎn)向及行走，通過(guò)舵機(jī)的轉(zhuǎn)向和拍攝的實(shí)時(shí)圖像獲取路況信息以及超聲波識(shí)別障礙物信息進(jìn)行自主避障，并通過(guò)平臺(tái)反饋給用戶。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要的意義在于將功能強(qiáng)大的樹(shù)莓派、藍(lán)牙和WiFi通信技術(shù)和安卓的智能終端進(jìn)行創(chuàng)新性的結(jié)合，簡(jiǎn)化了傳統(tǒng)終端的復(fù)雜難操作的現(xiàn)況。這次設(shè)計(jì)的Android軟件以及藍(lán)牙和WiFi雙通訊的控制系統(tǒng)不但能夠用于災(zāi)害發(fā)生的應(yīng)急處理系統(tǒng)，還可以在經(jīng)過(guò)修改后還可以應(yīng)用于更多的智能控制場(chǎng)景，使其發(fā)揮更大更多的作用。

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