智能安全管家系統的研發

葉芮杏 李杰浩 王文升 區德浩 陳德文

摘 要：為了解決智能家居靜態處理信息的窘境，實現智能家居動態化，提出一種管家機器人的智能化和網絡化的設計。該設計采用了ZigBee無線網絡技術平臺，結合飛思卡爾MC9S12XS128處理器的S12環境，應用Java可擴展的Eclipse軟件平臺，實現了手機對機載微處理器進行監控。同時對DHT11溫濕度監控模塊、線性CCD和超聲波測距模塊、CMOS手機成像模塊和LM324自動燈光模塊進行設計，達到雙向無線通信，實現人機交換，遠程監控。該次設計實現的效果是通過Android手機可以顯示挖掘機實時數據，測距和溫濕度，并進行控制，手機通過攝像頭監控作業環境，具備自動感應燈光系統。該設計解決了作業機器的人機交換和無人值守的問題。

關鍵詞：管家機器人 物聯網 智能家居 動態化

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）07（b）-0001-02

1 設計思路

隨著計算機技術、通信技術、控制技術的迅猛發展，人們對居住環境提出了更高的要求，希望自己居住的生活空間更加安全、舒適，智能家居的概念在這種理念的驅動下應運而生。人們希望通過智能家居技術實現家庭設備與住宅環境的智能化管理與監控，使之和諧與協調，從而滿足用戶對居住環境的新的、更高的需求。

該作品為一種基于WCDMA+ZigBee技術的智能安全管家機器人，利用計算機技術和網絡技術，將家居生活環境中與安全相關的各種子系統有機地結合在一起，通過統籌管理，為人們提供更安全、更舒適、更便利的居住環境。智能安全管家有靈活的運動系統；具備判斷家中一些陳設位置的能力；能夠實現對家中一些電器設備的控制；對溫度、濕度等物理信息的測量能力；能將采集到的信息上傳至家中的電腦。如果主人不在家，還能夠通過網絡將信息輸送至互聯網，主人可以利用移動數據，如WCDMA，實時遠程查看家居安防監測情況。這樣，機器人就可以自主地完成各種管家的工作，或者在主人的“指揮”下料理各種家務。最終實現對家居環境及安全的實時監測、預警及報警，而且用戶可以實時遠程查看家居安防監測情況、控制各類家電工作。在整個系統設計中，基于人們對智能家居的理解加入了更加人性化的設計元素。

2 智能環境信息采集系統

智能安全管家實現對家居實時環境物理信息的采集監測，包括溫度、濕度、氣體、人體紅外等，并通過ZigBee模塊中的CC2530作為主控芯片，對采集的物理信息進行實時監控，當信息異常時發出警報。

智能安全管家裝備采用基于CC2530芯片的主控系統，是用于2.4-GHz IEEE 802.15.4、ZigBee和RF4CE應用的片上系統（SoC）解決方案。它能夠以非常低的材料成本建立強大的網絡節點。CC2530結合了領先的RF收發器的優良性能，同時具有不同的運行模式，尤其適應超低功耗要求的系統。運行模式之間的轉換時間短進一步確保了低能源消耗。

通過搭載數字式溫濕度傳感器DHT11（如圖1，是一種含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器，它應用專用的數字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，確保產品具有極高的可靠性和卓越的長期穩定性。實時監控家庭環境的溫濕度），當家中發生火災時，智能安全管家可以及時發現溫度異常并作出一系列反饋動作，如發出警報、通過跨平臺終端控制系統通知主人。

同時搭載有害氣體傳感器MQ-2、人體紅外傳感器LHi778等，實時監控家庭環境的情況，當發生意外，如發生火災、煤氣泄漏時，智能安全管家可以準確地發現家庭環境溫度或氣體濃度的異常，及時發出警報，當無人在家中時，智能安全管家可通過跨平臺終端控制系統遠程通知主人。

3 實時視頻監測系統

智能安全管家通過攝像頭實現對家庭環境的實時視頻監測，并可在手機端呈現；同時帶有自動亮燈功能，可在光線不好的環境下給攝像頭進行補光，保證攝像頭采集圖像的清晰。

智能安全管家采用可變色720P高清攝像頭進行實時的視頻監控，同時需要支持在多種平臺上進行數據展示。因此，在該模塊中采用目前較為成熟的開源視頻軟件MJPEG-Stream，并把他移植到手機平臺。攝像頭連接路由器，手機端可直接連接路由器WIFI，從專用軟件上獲取實時圖像信息，從而完成跨平臺的實時視頻監控。

同時，通過光敏電阻結合比較器芯片LM324，獲取實時環境亮度信息，用光敏電阻D3和電阻R1構成分壓電路，并采用雙電壓比較器LM324，D3兩端的節點電壓作為比較器的同向輸入端，反向輸入端信號作為基準電壓，當接收的光線超過一定強度時，D3電阻減小到一定值，D3兩端電壓小于基準電壓，比較器輸出低電平，反之輸出高電平。為了調節檢測靈敏度，基準電壓應實現可調，該系統中采用電位器進行可調分壓（0～5 V）。當智能管家處在黑暗環境中時，自動點亮位于機器人平臺周圍的LED燈對攝像頭進行補光，保證攝像頭采集圖像的質量。

4 智能管家控制系統

該系統主要包括兩部分，一是智能管家的行走控制部分，包括自動避障行走和人為遙控行走兩種模式；二是智能管家的機械手控制部分，主要由六自由度的機械手平臺構成，可用于完成一些特定的任務。

底盤：智能管家的底盤采用一種多地形適應性履帶式底盤，底盤主體部分是兩條形狀可變的履帶，分別由兩個主電動機驅動。當兩條履帶的速度相同時，機器人實現前進或后退移動；當兩條履帶的速度不同時，機器人實現轉向運動。當主臂桿繞履帶架上的軸旋轉時，帶動行星輪轉動，從而實現履帶的不同構形，以適應不同的運動和地形環境。

行走控制：智能管家的控制中心采用飛思卡爾半導體公司的MC9S12XS128芯片，芯片采用5 V電壓供電，采用7.2 V可充電鋰電池作為電源，通過LM2940穩壓芯片得到5 V電壓給芯片供電。

智能管家底盤兩個主動電機的驅動采用4片BTS7970芯片驅動，每兩片芯片分別控制一個電機的正轉和反轉，通過主芯片控制機器人行走的速度。

5 跨平臺終端控制系統

該系統主要包括3部分：一為ZigBee平臺模塊對各種傳感器信息的采集，組網并通過無線網關與路由器傳輸至互聯網平臺，用戶的手機平臺可通過移動數據（如WCDMA）對互聯網進行訪問，獲得實時家庭情況并針對各種情況進行反饋措施；二為實時視頻圖像在手機Android平臺的呈現；三為遙控器平臺對智能管家的遠程遙控控制。

智能安全管家通過Zigbee模塊搭載溫濕度傳感器，同時可通過WIFI+路由器組建智能無線網關，使采集的數據可以隨時上傳至互聯網。

當用戶對家庭環境進行遠程監控時，可直接通過登錄網站或客戶端，利用（WCDMA）移動數據訪問互聯網，結合移動數據（WCDMA）的先天兼容優勢，使得該設備（移動設備—互聯網—終端）能結合各種類型的設備和智能管家采集到的信息進行遠程監控，主人發現到異常時，可以通過語音或者輸入指令對智能管家進行控制，實現智能人機交換，使得用戶在多種環境下都能實現監測、控制。

另外，可以通過ZigBee模塊組網的方式將家庭中的各種設備，如電燈、電視、窗戶等，將與家居生活中安全相關的各種子系統，有機地結合在一起，通過統籌管理，為人們提供更安全、更舒適、更便利的居住環境。

跨平臺的終端控制克服了距離上的缺點，使主人可以遠程監測和控制家庭的情況，并可以對緊急情況緊急處理，體現了智能家居的需求。

6 結語

采用飛思卡爾半導體公司的MC9S12XS128芯片作為智能管家核心控制中心，內核為CPU12 高速處理器，擁有豐富的片內資源，有16路AD轉換，精度最高可設置為10位；有8路8位PWM并可兩兩級聯為16位精度PWM，特別適合用于控制多電機系統。而且它的串行通信端口也非常豐富，有2路SCI，2路SPI此外還有IIC，CAN總線等端口，并且采用了引腳復用功能，使得這些功能引腳也可設置為普通的IO端口使用，此外，它內部還集成了完整的模糊邏輯指令，可大大簡化程序設計。

參考文獻

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