家居安全隱患的智能機器人多傳感器控制系統設計

毛麗民，盧振利，2，王晨希，胡建秋

(1. 常熟理工學院電氣與自動化工程學院，江蘇常熟215500;2. 阿威羅大學電子和信息通信工程研究所，葡萄牙中阿威羅3810－193)

0 前言

科技的進步改善著人們的生活，家居環境這方面尤為突出［1］。樓宇自動化裝備使人民的生活更加舒適，各種現代化設備進入了千家萬戶［2］。各種電氣裝置讓做飯、洗衣服都實現了自動化，燃氣也改變了人民的取暖方式。針對人民生活設計的各類服務機器人也隨之迅猛發展［3］。豪華裝修中為了追求裝修效果，過多采用易燃材料，隱蔽電氣線路，線路型號選擇不當，家庭用火用電不慎、小孩玩火等都極易誘發火災。一旦發生火災，往往火勢很快蔓延，易產生大量有毒氣體，給居民生命財產安全造成很大威脅［4］。如何針對現代樓宇中家居環境的典型安全隱患進行實時的監測，并將信息實時發送給房屋主人，讓主人在第一時間進行報警，并通過遠程操作對火災利用機器人進行第一時間的撲滅，具有重大研究意義。該類機器人研究為實現無人化自動監控提供了保障［5－8］。

文中設計針對現代家庭安防展開研究的基礎上，應用多傳感器和現代通訊設備設計了一種智能機器人。針對各種原因引起的煙霧和火焰進行實時檢測，將其信息發送給主人，并在主人遠程操作下對火焰等第一時間進行撲滅，為人民生活安全具有及其重要的作用。

1 機器人總體設計

針對現代家庭的布局特點，設計機器人本體如圖1 所示。其通過四輪驅動機器人實現在室內環境的巡航功能。

圖1 機器人機構

該機器人不但能實現普通的防災報警功能，而且還能在檢測到具體的危險源后，通過電腦來遠程控制機器人進行相應的簡單處理。智能家居報警機器人通過煙霧傳感器、火焰傳感器、瓦斯檢測傳感器檢測潛在危險源或者已有的危險源，通過GSM 模塊發短信給用戶，用戶在接到短信后，登陸上位機遠程控制機器人，通過攝像頭觀察現場情況，控制機器人對著危險源做簡單處理。通過升降云臺，不僅可以調整傳感器角度，而且可以擴大機器人的視角。融合多傳感器信息的控制體系機構如圖2 所示。

圖2 多傳感器體系結構圖

2 機器人的控制系統硬件設計

2.1 電機驅動的硬件設計

由于智能家居報警機器人采用四輪驅動方式。4個電機都由不同的單片機管腳進行正反轉控制。而STC RX32 單片機模塊上只支持2 路電機驅動，機器人的兩路電機A、B 接驅動板上的兩路電機接口，外接兩路電機C、D 通過L298 與驅動板管腳進行連接，如圖3 所示。

圖3 L298 電機驅動電路圖

2.2 控制系統供電電路設計

圖4 是一個典型的用變壓器降壓，以7805 為芯片的+5 V 電源。圖中的電容C1、C2為電解電容，根據負載的大小來確定，理論上電容越大，輸出的電壓越穩定。C1、C2的耐壓值至少在25 V 以上，而C3、C4的耐壓值在9 V 以上即可，電路需有接地。

圖4 主系統的供電電路圖

2.3 GSM 報警系統模塊的設計

該設計采用無線通信模塊M23。GSM 模塊的通信方式為RS232 轉接口上的2 號管腳接51 單片機的RS232 轉接口的3 號管腳，GSM 模塊的RS232 轉接口上的3 號管腳接51 單片機的RS232 轉接口的2 號管腳，GSM 模塊的RS232 轉接口上的5 號管腳接RS232轉接口的5 號管腳。如圖5 所示。

圖5 串口通訊接線

在使用的過程中，火焰傳感器對火焰很敏感，要與火焰保持一定距離，以免高溫損壞傳感器。實際使用中傳感器數字量輸出接口可以與單片機IO 口直接相連。圖6 為火焰傳感器電路圖。

圖6 火焰傳感器電路圖

在沒有煙霧的情況下，傳感器的阻值為20 kΩ 左右，當煙霧進入傳感器時阻值急劇下降，其壓降降低。從傳感器上端出來的信號Ui經過運算放大器的同相輸入端，但是為了保證引入的是負反饋，輸出電壓Uo通過電阻R15接到反相輸入端，反相輸入端通過電阻R14接到參考電壓Uref，由于引入深度電壓串聯負反饋，因此電路的輸入阻抗很高，輸出阻抗很低。而高輸入阻抗可以減少放大電路對前端電路的影響，低輸出阻抗也可以提高自身的抗干擾性。該放大電路還加入了參考電壓，引入了零點調節功能，產生一個參考電壓Uref，再利用電壓跟隨器把電壓輸入到運算放大電路的電壓參考端。調節滑動變阻器，可以改變放大電路的參考電壓，防止R14和R15對滑動變阻器輸出電壓的影響。如圖7 所示。

圖7 煙霧傳感器

2.4 驅動板WIFI 系統模塊的總體電路

該設計中WIFI 驅動模塊系統接線電路如圖8 所示。其包含了電機輸入接口、USB 模塊、攝像頭信號輸入模塊。各個傳感器信號通過WIFI 與主機進行信息通訊。

圖8 WIFI 驅動模塊系統接線電路

3 控制系統軟件設計

3.1 軟件總體設計

圖9 是智能家居報警機器人的總體軟件設計流程圖。其包括報警模式和控制模式。報警模式中，小車在行走中實時檢測明火和煙霧，通過單片機來與GSM 模塊進行通訊。控制模式中，小車接到GSM 傳來信息，停止運動，控制云臺進行滅火。

圖9 系統軟件設計總體流程圖

3.2 火焰傳感器的設計

針對滅火功能，首先對火焰傳感器的靈敏度進行調節，調至良好接收火焰信號范圍后，將火焰傳感器安裝在機器人前方。將火焰傳感器的引腳接入S51 單片機的P11 引腳。在報警系統程序中單片機接收到P11 低電平后，火焰報警紅燈亮，自動發送代碼到GSM 模塊，再通過GSM 網絡對相應的用戶發送“火焰報警”的報警短信，以此達到報警用戶的目的。如圖10 所示。

圖10 傳感器程序流程圖

4 實驗部分

實驗環境是按照二室一廳一位結構搭建，如圖11所示。里面房間1 有煙霧源，房間二有可燃物危險源，房間三內有一個障礙物。分別對機器人的巡航、躲障、煙霧檢測和明火檢測以及遠程操作實驗進行驗證。

圖11 實驗環境

4.1 自動巡航及躲避障礙物

機器人在巡航模式對各個房間進行巡檢，當遇到障礙物時可以應用紅外傳感器躲避障礙物，如圖12所示。

圖12 巡航避障實驗

4.2 煙霧信號預警

機器人在巡航模式對各個房間進行巡檢，當檢測到煙霧時，發出短信提示，如圖13 所示。

圖13 巡航煙霧實驗

4.3 明火預警與遠程滅火

當機器人巡航時檢測到明火時，報警燈紅燈亮，GSM 發送報警信息，用戶指定手機接收到相應報警信息，如圖14 所示。

圖14 發現火情及發送報警短信

圖15 機器人接近火源

4.4 遠程人機滅火操作

當主人接到機器人的火警提示，控制機器人停止自動巡航功能。主人通過網絡手動控制機器人行走方位，靠近火源，如圖15 所示。進而調節滅火裝置，完成滅火動作，如圖16 所示。

圖16 改變方向滅火

5 結論

面向現代家居環境中特定危險源實時監控作業設計智能機器人控制系統。該機器人系統包括自主控制和人機交互控制兩種模式。自主模式可以實現自動巡航、躲避障礙物、特定煙霧和明火檢測及和報警功能，完成了GSM 模塊的發送短信的功能。人機交互控制是利用無線路路由器實現人與機器人的遠程操作功能。該機器人能在檢測到具體的危險源后，通過GSM 模塊發短信給用戶，用戶接收到短信后，登陸電腦遠程控制機器人，通過攝像頭查看現場情況，對危險源第一時間進行處理，可避免火災等發生。實驗證明文中設計對現代家居的安全隱患可實時監控，及時發現潛在危險并及時處理，可將危險和損失降低，為人們的生活起到了巨大的保障作用。

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