基于ARM處理器的智能巡游機器人

黃志芳 盧怡霖 陳旭 陳煒康 何梓杰

摘 要：文中提出了一款以STC12C5A60S2單片機為控制中心，以STC8F2K08S2單片機為輔的智能巡游機器人的設計。通過GY-25模塊、GY-53模塊、HY-SRF05超聲波模塊、驅動芯片和直流電機等模塊，實現機器人在室內自動避障和巡游功能;采用DHT11溫濕度模塊、火焰傳感器、MQ-2模塊監測室內的溫濕度、空氣質量、是否發生火災等信息。當發生異常情況時，該機器人通過GSM模塊短信或電話聯系用戶。該系統性能良好、安全可靠、操作簡便、成本低廉，能有效監測室內環境質量。

關鍵詞：室內自動避障;智能巡游;ARM;機器人;GSM通信;STC12C5A60S2

中圖分類號：TP242.6文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2020）11-00-03

0 引 言

當今世界，科技水平不斷提高，制造業發展迅速，很多集成化的大型工廠或車間應運而生。集成化的大型工廠和車間在提高生產效率的同時，也增加了氣體泄漏、發生火災的概率，一旦發生危險情況，往往造成較大的經濟損失。其次，現在家居住房，天然氣、大型家電產品走進千家萬戶，天然氣泄漏、家電產品電路故障等也是引發家居火災的重要因素。因而制作一款基于ARM處理器與GSM通信的智能巡檢機器人很有必要。它可以在大型工廠車間各個區域自動巡游監測各項安全指數是否正常;在家庭安全防護方面，若監測到煤氣泄漏等危險情況時，能夠及時采取相關措施，有效降低危險的發生。

近年來，社會飛速發展，各種產品需求量不斷增加。在保證生產效率的同時，本文所設計的智能巡檢機器人目前主要有兩大應用。

（1）大型工廠車間：自動避障、巡游、監測規劃區域內的安全信息。機器人可設置定時定期和隨機巡查，特別是夜間無人巡查時，可以彌補人工巡查的缺漏點。

（2）家用方面：檢測室內的空氣質量。當無人在家時，能監測天然氣、室內空氣質量等相關信息。

1 系統的硬件結構

本系統硬件結構如圖1所示。它以STC12C5A60S2微處理器為控制中心，輔以STC8F2K08S2單片機，包括GY-25模塊、GY-53模塊、HY-SRF05超聲波模塊、TB6612FNG驅動模塊、直流電機、DHT11溫濕度模塊、火焰傳感器、MQ-2模塊、GSM模塊等。

STC12C5A60S2是宏晶科技生產的“新一代8051單片機”。它有以下特點：

（1）指令代碼兼容傳統8051，而且速度快8～12倍;

（2）內部集成很多功能強大的寄存器，如8路高速10位A/D轉換，E2PROM等。

STC8F2K08S2 是一款增強型51單片機，具有以下特點：

（1）尺寸小但性能強，需要自己搭建的電路很簡單;

（2）內部時鐘頻率較高，可達27 MHz，其執行速度相比STC12C5A60S2有了更大提升;

（3）有兩個硬件串口，內部RAM較大，適用于需要兩個串口或者RAM需求高的場合。

1.1 室內巡游與避障

室內巡游與避障功能通過GY-25模塊、GY-53模塊、HY-SRF05模塊及TB6612FNG模塊完成[1]。

GY-25是一款傾斜度模塊，具有成本低的特點。其工作原理是陀螺儀與加速度傳感器配合工作，經過數據融合算法得到角度數據。通過這個模塊可以實現機器人定角度旋轉。

GY-53是一款紅外測距傳感器。將其安裝在機器人的底部，調節適當的角度即可測量出機器人與不同方向目的地的距離[2]。

HY-SRF05是一款超聲波測距傳感器。將其安裝在機器人的正面，可以檢測前方障礙物與機器人的距離，從而實現避障。

TB6612FNG是一種用于直流電機工作的驅動芯片。其采用MOS管橋結構，有兩個輸出通道，能夠同時驅動兩個直流電機，可以更好地控制機器人移動。

1.2 室內溫濕度檢測

室內溫度和濕度檢測采用DHT11溫濕度傳感器[3]。它是一種自含校準的傳感器，供電為DC 3.3～5 V，具有成本低、響應速度快、抗干擾能力強、信號傳輸距離長、數字信號輸出、精確校準的特點。

1.3 室內易燃氣體檢測

室內易燃氣體檢測采用MQ-2氣體傳感器[4]。當MQ-2氣體傳感器工作在DC 5 V時，其阻值隨被測氣體的濃度（成分）而變化，并將被測氣體的濃度（成分）信號轉換成相應的電信號。MQ-2傳感器對天然氣、液化石油氣等可燃氣體有很高的靈敏度，符合本設計需要檢測安全隱患的要求，且具有良好的抗干擾性。

1.4 室內明火檢測

室內明火檢測采用火焰傳感器模塊。遠紅外火焰探頭能夠感知外界紅外光的變化，進而轉換成電流變化。紅外光的強度與電流數值的大小成反比例關系，通過A/D轉換器將電流變化轉換成數值變化。

1.5 GSM通信

GSM模塊是一塊集成電路板。它上面含有基帶處理和射頻芯片、存儲器記憶芯片，這兩種芯片能夠提供標準接口。通過單片機控制GSM模塊，在某些情況下通過短信或語音電話聯系用戶[5]。

2 系統的軟件設計與實現

單片機的程序采用Keil軟件編寫。它采用模塊化編寫方式，最終編譯生成“.hex”文件，再由專用的下載器將二進制文件燒錄至單片機中[6]。

2.1 巡游與避障功能

任務1：室內巡游;

任務2：自動避障。

系統上電后，首先GY-53模塊、HY-SRF05模塊工作：檢測前方是否有障礙物并將距離值返回微處理器，設置一定的距離作為機器人行走的安全距離。若前方無障礙物，且機器人處在安全距離之內，微處理器控制電機運動讓機器人保持一定的速度前行[7];若機器人處在安全距離之外，微處理器控制機器人轉動一定的角度，之后繼續判斷機器人是否處于安全距離之內，由此循環，實現機器人在室內巡游、避障[8]。巡游與避障流程如圖2所示。

2.2 室內溫度、濕度、易燃氣體、火焰檢測

任務1：室內溫濕度測量;

任務2：室內易燃氣體檢測;

任務3：室內火焰檢測。

各項任務的數據采集采用分模塊的設計方法。首先，編寫模塊的時序程序，在主程序中調用得到返回值再加以轉換便得到室內的各項數據。其次，將各個傳感器安裝在機器人上，隨著機器人在室內的巡游，便可以通過測量得到室內不同位置的安全信息[9]。

室內檢測流程如圖3所示。單片機上電開始工作后，各個模塊開始工作，采集環境的各項信息并返回單片機，循環操作。

2.3 GSM通信功能的實現

采用GSM通信模塊的主要任務，是當室內溫濕度、空氣等參數發生異常時，能夠及時通知用戶，采取必要措施，避免造成更大損失[10]。

GSM通信流程如圖4所示。它采用循環比較的方式：單片機持續接收各個檢測模塊返回的數據，獲取室內各項參數;單片機設置相應閾值，當超出閾值時，單片機通過GSM模塊發送短信或拔打電話給用戶，反之則繼續采集數據，進行比較。

3 系統的整體構造

本系統設計的機器人如圖5所示。其形狀類似于圓柱體，該設計有助于整體運行時更加平穩，而且內部有足夠大的空間存放元器件。機器人外觀主要采用的是亞克力板。其制作工序為：利用雕刻軟件CorelDRAW畫出圖形，連接雕刻機將亞克力板雕刻成形;之后將各部分元器件按照設計的位置安裝在亞克力板上，利用螺絲、熱熔膠等工具將各部分組合起來。

4 實驗結果

試驗結果顯示，機器人可以在室內自動巡游，當遇到障礙時，能夠自動規劃實現避障。在人為模擬的室內環境，如溫度過高、濕度過高，存在天然氣或煤氣等可燃性氣體、明火等情況下，機器人能夠及時發送短信或電話通知用戶。但遠紅外火焰傳感器對火焰的監測受光照等因素影響，還有一定的誤檢率和誤報率，后期將對遠紅外火焰傳感器的算法再做進一步優化。

5 結 語

試驗表明，基于ARM處理器的智能巡游機器人達到了設計要求。它實現了既定的目標功能，也為工業生產、家居安全提供了一種輔助監測工具，性能穩定，安全可靠;但也存在一些不足，這給后續的研究提供了改進方向。智能巡游機器人不僅能監測工廠、室內的安全，也能夠在危險區域，替代人類去執行巡游監測功能，有效保障了人們的生命安全。

參考文獻

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