智能巡防機器人設(shè)計報告

第十一屆“博創(chuàng)杯”全國大學(xué)生嵌入式設(shè)計大賽

作品設(shè)計報告智能巡防機器人SmartGuardRobot隊伍編號：參賽學(xué)校：作者：指導(dǎo)教師：組另IJ:口碩士組本科組□高職組摘要本項目的智能安防機器人，它是新一代的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)智能安防設(shè)備，由S5PV210構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)并作為任務(wù)分配核心再輔以ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)來監(jiān)測環(huán)境，一旦某個節(jié)點有異常(氣體、入侵等)出現(xiàn)后會立即激活紅外裝置,發(fā)出定位信號提供給自主研發(fā)的紅外定位系統(tǒng)進行定位；在趕往異常節(jié)點附近的同時，還會要求控制臺查看安防機器人實時回傳的視頻；控制臺會顯示傳感器收集到的信息，并可對視頻采集系統(tǒng)的云臺角度進行調(diào)整;安防機器人使用STM32作為運動控制器，使得其具有良好的移動性能，能讓用戶獲得最大視角；通過終端可以手動操縱安防機器人運動；安防機器人在使用的時候會伴有語音提示，提高用戶體驗。機器人設(shè)計很美觀，能很好的融入到使用者的環(huán)境，時刻保護使用者的安全。相信借助未來的市場需求，本項目能夠盡善盡美！關(guān)鍵詞：智能安防設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)、無線傳感網(wǎng)絡(luò)、紅外定位系統(tǒng)AbstractOursmartguardrobot,itisanewgenerationofnetworkinterconnectionintelligentsecurityequipment,itconsistsofS5PV210,assisttowirelesssensornetworktomonitortheenvironment,onceanodehasanexception(suchasgas、intrudeandsoon)showup,itwillimmediatelyactivatetheinfrareddevice，toprovidepositioningsignaltoindependentresearchanddevelopment;Atthesametime,requesttheconsoleviewreal-timevideocomesbackanddisplayreceivemessageandcontrolholder.smartguardrobotuseSTM32tocontrolmovement.wecanthroughtheterminalcontrolsmartguardrobotfinishjob;Therobothasvoicepromptwhenyouoperation.Therobotdesignisverybeautiful,webelievethatcanquicklyintotheuser'senvironmenttoprotectusersafe.Webelievewiththehelpofthefuturemarketdemand,oursmartguardrobotwillbeperfect！Keywords:SmartGuardRobot、NetworkInterconnection、WirelessSensorNetwork、InfraredPositioningSystemTOC\o"1-5"\h\z第1章緒論11.1背景11.2國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀11.3研究意義2第2章系統(tǒng)方案2主控芯片3視頻傳輸5電源部分6室內(nèi)定位6第3章功能與指標7智能巡防機器人實現(xiàn)功能7智能巡防機器人功能指標7第4章實現(xiàn)原理8Linux實現(xiàn)84.1.1使用Linux構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器8使用Linux進行任務(wù)分配8Android終端實現(xiàn)9Android終端人機交互實現(xiàn)9Android終端與Linux的網(wǎng)絡(luò)通訊Socket11Android終端對于H.264解碼12ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)12巡防機器人基于室內(nèi)定位的智能路徑實現(xiàn)13多路隔離電源的實現(xiàn)15第5章硬件框圖16S5PV210硬件框圖16STM32F4硬件框圖17圖5-2STM32F4硬件框圖17ZigBee硬件框圖17STC15F2K61S2硬件框圖18第6章創(chuàng)新18結(jié)論19參考文獻19智能巡防機器人智能巡防機器人SmartGuardRobot#Android終端與Linux的網(wǎng)絡(luò)通訊Socket本系統(tǒng)利用基于TCP協(xié)議的Socket基本模型（基本模型如圖4-5所示）進行網(wǎng)絡(luò)編程，一方面因為基于TCP的Socket編程簡單，另一方面在利用在本系統(tǒng)進行通信時，數(shù)據(jù)可以安全可靠的傳輸?shù)侥繕?，不僅如此，服務(wù)器端的程序可以打開多個線程與多個客戶進行通信。這種通信方式比較靈活，且適用于本系統(tǒng)的通信。譬如：每當建立一個Socket連接，同時創(chuàng)建一個新線程對該Socket進行單獨通信（采用阻塞的方式通信），這種方式具有很高的響應(yīng)速度，并且控制起來也很簡單。具體化來說：本系統(tǒng)使用基于TCP協(xié)議的Socket，先獲得服務(wù)端（S5PV210控制板的網(wǎng)絡(luò)端口號和IP地址,然后由網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施利用目標地址，將客戶端發(fā)送的信息傳遞到正確的服務(wù)端（S5PV210控制板）上，這樣就實現(xiàn)了Android終端與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的通訊。

Android纟冬端對于H.264解碼Android終端首先需要接收Linux服務(wù)器回傳的視頻數(shù)據(jù)，然后通過圖4-6的流程進行數(shù)據(jù)的解碼，待解碼完成后，需要將數(shù)據(jù)顯示出來，該過程實質(zhì)是使用了FFmpeg解碼器，該解碼器是個非常巨大的多媒體解碼庫，本項目在此是利用裁剪好之后的解碼器，調(diào)用相應(yīng)的API進行H.264解碼的。接收RTP數(shù)據(jù)包T否圖4-6對于獲取視頻解碼流程接收RTP數(shù)據(jù)包T否圖4-6對于獲取視頻解碼流程ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)前文提到：“整合安防區(qū)域內(nèi)的所有安防設(shè)備”，這是如何實現(xiàn)的呢？本項目組使用了ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)，這樣實現(xiàn)的原因一方面是為了降低節(jié)點的成本，另一方面是因為ZigBee組網(wǎng)方便，傳輸速率及信號覆蓋率適合本系統(tǒng)。之所以說整合，是因為首先通過ZigBee的終端節(jié)點將傳感器驅(qū)動并采集數(shù)據(jù)，然后將采集到的數(shù)據(jù)進行編碼，編碼后的數(shù)據(jù)再經(jīng)過ZigBee運行的Z-Stack協(xié)議棧打包后無線上傳至ZigBee協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器再通過串行接口傳輸給網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，終端節(jié)點同時負責控制紅外發(fā)射系統(tǒng)，檢測到異常時，會自動啟動紅外發(fā)射源引導(dǎo)巡防機器人，這樣就實現(xiàn)了對巡防機器人的輔助作用，也就是使全部安防資源整合起來協(xié)同工作，做到了智能硬件。本系統(tǒng)防御資源的整合如圖4-7所示。圖4-7ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)巡防機器人基于室內(nèi)定位的智能路徑實現(xiàn)相信室內(nèi)定位這一問題是比較困擾廣大開發(fā)者的，傳統(tǒng)的無線信號強度定位在遭遇諸如信號繁多復(fù)雜的場合、障礙物較多的場合等等會導(dǎo)致信號不穩(wěn)定、衰減的場合，在此些情況下就會造成定位不精準，故在此本項目組提出了一套基于紅外線的定位辦法，實現(xiàn)流程及外觀如圖4-8所示。

圖4-8紅外線定位接收端流程及發(fā)射與接收裝置紅外定位裝置具體實現(xiàn)方法:對于發(fā)射源來說，本項目團隊利用NE555制作了一個40KHz頻率的紅外光發(fā)射裝置，使用ZigBee控制，一旦檢測到異常情況，ZigBee將會控制繼電器，決定紅外發(fā)射源是否工作,一旦紅外發(fā)射源激活，那么接收裝置就能感受到40KHz頻率的紅外光，如圖4-9是紅外發(fā)射電路原理圖;圖4-9圖4-9紅外發(fā)射源電路對于接收裝置來說，接收到紅外光后，首先會經(jīng)過第一次濾波，第一次濾波的原理是：對于正面射入的紅外光，假定本項目組的紅外定位裝置如圖4-10所示（該裝置共計16個接收頭，此處只以1~7號頭作解說），可以看到：4號紅外接收頭正面朝向紅外發(fā)射源，此時抽象的說，當紅外光射入整個模塊時，因為結(jié)構(gòu)的問題，2~6號頭的角度始終能夠較多的接收到紅外光，而1號、7號頭相對來說會較少接收到，程序會自動判斷濾除，最終剩下2~6號頭，此時再進行取中值，最終將會剩下4號頭，同理，在入射源位置發(fā)生改變時，中值接收頭也會發(fā)生改變，但只會出現(xiàn)一個較為固定的接收頭序號。上面提到：“只會出現(xiàn)一個較為固定的接收頭序號”，不排除干擾的問題，干擾會來自墻面反射入射源的紅外光、人體發(fā)出的紅外等等，當遭遇此種干擾時，中值頭會發(fā)生跳動，實際是4號頭，但是會突變?yōu)?號，或者6號等等，本項目組將該現(xiàn)象理解為高斯白噪聲，針對這一問題，我們就需要借助卡爾曼濾波，來將數(shù)據(jù)確定為準確、穩(wěn)定的一個值。17TTTT40KHzrA/W圖4-10紅外裝置示意圖多路隔離電源的實現(xiàn)LM2596開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器是降壓型電源管理單片集成電路，能夠輸出3A的驅(qū)動電流，同時有很好的線性和負載調(diào)節(jié)特性。在特定輸出電壓和輸出負載的條件下，輸出電壓的誤差可以保證在±4%的范圍內(nèi)；擁有80uA的待機電流，并且擁有自我保護電路：限流保護和在異常情況下斷電的過溫保護電路。本項目就是利用如此高可靠的芯片完成多路隔離電源，在電源輸入加入了1N5822肖特基二極管，防止正負極反接，在輸出加入了一顆電感以及一顆1N5822作為續(xù)流器件，在電源輸入GND端加入0Q電阻隔離地。這樣就實現(xiàn)了多路開關(guān)隔離可調(diào)電源，為系統(tǒng)提供穩(wěn)定、純凈的輸入電壓，提供足夠功率！原理圖如圖4-11。TL>13-L：k3VTZOi

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口dfC-3--■=一一總GO?010Cfiffl；L2O_=_圖4-11LM2596-ADJ三路隔離輸出電壓可調(diào)DC-DC第5章硬件框圖S5PV210硬件框圖以S5PV210作為主控核心，驅(qū)動LCD顯示屏，異步串行接口與其它主控協(xié)調(diào)完成數(shù)據(jù)交互、任務(wù)分配，同時建立網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器。具體框圖如圖5-1所示。LCD顯示屏S5PV21O異步串行通訊接口"■協(xié)調(diào)其它主控DM9000AEPRTL8189攝像頭DM9000AEPRTL8189攝像頭網(wǎng)關(guān)圖5-1S5PV210硬件框圖STM32F4硬件框圖以STM32F4作為姿態(tài)解算核心，負責巡防機器人的姿態(tài)控制，由STM32F4的串口1接收STC15紅外定位系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，再進行濾波以及中值頭計算，最后再送入卡爾曼濾波器，得到一個穩(wěn)定的中值頭；通過串口3接收ZigBee的數(shù)據(jù)（入侵檢測、氣體異常等）；以上數(shù)據(jù)接收完成后處理，一部分轉(zhuǎn)換為控制指令讓機器人運動，另一部分再編碼上傳至本項目組構(gòu)建的服務(wù)器。具體框圖如圖5-2所示。圖5-2STM32F4硬件框圖ZigBee硬件框圖傳感器通過ZigBee終端進行驅(qū)動控制并采集數(shù)據(jù)，將采集的數(shù)據(jù)編碼后無線發(fā)送至ZigBee協(xié)調(diào)器，這一過程由Z-Stack協(xié)議棧完成（傳輸信號制式為2.4G頻段），在ZigBee協(xié)調(diào)器接收數(shù)據(jù)后，將接收到的數(shù)據(jù)送入STM32F4解碼再運用，最終實現(xiàn)安防資源的整合。具體框圖如圖5-3所示。

STM32F4i1ZigBee終端~ZStack—MQ2氣體傳感器串口ZStfck2.4G無線ZigBee終端~Stack—DHT11傳感器ZigBee協(xié)調(diào)器ZigBee終端*~ZStack入侵檢測傳感器圖5-3ZigBee硬件框圖STC15F2K61S2硬件框圖8路紅外壁障頭、16路紅外定位頭連接至STC15F2K61S2單片機I/O口且8路占用一組連續(xù)（如P0.0~P0.7）I/O口，這樣方便程序的編寫，數(shù)據(jù)將會通過串口1傳輸至STM32F4單片機處理。具體框圖如圖5-4所示。圖5-4STC15F2K61S2硬件框圖第6章創(chuàng)新本系統(tǒng)最大的創(chuàng)新有以下幾點：1）具備自主研發(fā)的基于卡爾曼濾波的紅外室內(nèi)定位裝置，巡防機器人能夠移動至異常區(qū)域進行視頻監(jiān)控；2）使用ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)整合了防御區(qū)內(nèi)的所有硬件資源；3）巡防機器人結(jié)構(gòu)是自行多次實驗制作的，運行靈活，硬件布局合理保證系統(tǒng)穩(wěn)定性，外觀美觀可愛；結(jié)論本項目組研發(fā)的智能巡防機器人完成了研發(fā)初期提出的所有任務(wù)目標，這全依賴于團隊的分工明確，合作協(xié)調(diào)順暢。研發(fā)初期，團隊查閱大量資料，都指明現(xiàn)階段安防設(shè)備發(fā)展迅速的趨勢，但是現(xiàn)有安防設(shè)備是存在一定缺陷的，為了解決缺陷，團隊多方論證方案，最終努力完成了巡防機器人的研發(fā)，填補了市場的空缺。在設(shè)計本機器人時，團隊秉承著產(chǎn)品的設(shè)計理念，從硬件選型、終端交互等方面都在考慮使用者以及在實際場景中的表現(xiàn)。本項目最大的創(chuàng)新點在于研制了一套基于卡爾曼濾波的紅外室內(nèi)定位系統(tǒng)，在到達異常事件地點時，會回傳監(jiān)控視頻，本系統(tǒng)還將防御區(qū)域中的安防設(shè)備資源使用ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)進行了整合。系統(tǒng)的穩(wěn)定性也是較好的，這對于安防設(shè)備尤其重要！在此，本項目組需要感謝提供此次競賽的組織者們提供了本項目組一個平臺得以展示本項目組的創(chuàng)新作品，在這個平臺上，本項目組得以拼搏進取，創(chuàng)造出更多能夠造福社會的智能設(shè)備，同時也要感謝評委們提出的建議，本項目組也會積極吸納更多的建議，把智能巡防機器人再完善。電子的進步能讓人類社會更加美好，生活更加便利！同時也要感謝閱讀此文的讀者！參考文獻劉軍，張洋.原子教你玩STM32[M].北京航空航天大學(xué)出版社，