基于STM32的家庭看護助手

李芳芳

【摘 要】針對當今社會的家庭結構，孩子數目增多，老人平均年齡偏大，家庭的主要勞動力忙于工作，為了減輕中年夫婦照看孩子看管老人的負擔，提出了基于STM32芯片的家庭看護機器人，通過Zigbee進行數據的無線傳輸，方便上位機進行實時的監控，可以很好的輔助家長照看孩子和老人。

【關鍵詞】STM32，機器人，Zigbee

一、引言

隨著科技的飛速發展，我們的生活也逐漸趨近于自動化、智能化，近幾年，各種類型的智能掃地機器人層出不窮，智能教學機器人也入住了各個家庭，這些智能機器人著實給人們的生活學習帶來了意想不到的便捷，在二胎政策的鼓勵下，現在一個家庭的孩子數目以2作為基數在增加，與此同時我們國家的人口比例趨于老齡化增長的模式還在持續，這就導致家庭的主要生產力即家庭的中年夫婦需要陪伴孩子成長的同時要照顧看管好老人的起居生活，為此提出了一種基于STM32芯片的家庭看護機器人的設計，方便中年夫婦在工作之余可以對家人實時的監護，預防突發情況無法知曉的悲劇發生。

二、家庭看護機器人的整體結構設計

感知節點包括紅外熱像儀、超聲波避障模塊、高清可見光攝像機、紅外光電避障傳感器以及溫濕度傳感器和其他相關的擴展模塊。通過以上多源信息采集的感知節點，機器人可以實時的獲取家里的多種信息，通過紅外熱像儀和高清可見光攝像機可以隨時了解家人的活動范圍和身體運動信息，同時溫濕度傳感器又可以對家里的溫濕度情況做一個實時的反饋，便于主人對家用電器進行遠程調控以此為家人提供更加舒適的生活成長環境。

感知節點獲取的信息通過無線網絡傳至上位機。控制節點包括電路控制和運動控制，由信息采集電路，控制器，供電模塊，驅動電路等構成。主要完成信息的分析處理，控制指令的制定。無線傳輸電路是機器人與上位機的信息傳輸的紐帶，實現感知節點與控制節點的指令的傳輸。家庭看護機器人助手采用客戶機/服務器的運行模式。客戶端就是信息的獲取者也就是家庭監護人，他們可以通過PC機在線監測家庭的一些基本情況，并且可以面對突發情況發送一些控制指令，操控機器人實現突發情況下的一些動作，家庭看護機器人，則是對家庭的生活環境尤其是家庭成員的活動狀態進行實時的監控反饋，服務端在機器人身上設置，核心部分是STM32集中控制器，主要負責多源信息采集，定位導航確定方位和機器人自身的運動行走。

三、家庭看護機器人的系統設計

（一）機器人控制部分設計

對家庭看護機器人控制器的開發中，選用TI公司STM32F103作為核心控制芯片，它的內核是ARM公司的Cortex—M3，工作頻率為72MHZ、FLASH為512KB，有2個12位ADC，5個USART，12個16位計時器，資源完全滿足機器人的運行需求，具有高效率、易擴展、實用性強等優點。家庭看護中心硬件電路結構圖如下圖1所示。

看護機器人控制電機、機械手臂及紅外避障傳感器進行控制。本系統采用由兩片半橋驅動芯片和極低內阻的N溝道MOSFE組成的驅動器驅動兩組電機。該驅動器可快速打開MOSFET溝道，提高了電機的加速曲率，使機器人迅速啟動、迅速剎車和轉向。集中控制器接收到PC端上位機發送的串口指令后，將串口指令轉化為電源可以識別的PWM信號，從而調整電源的輸出電流，控制電機的運行狀態。集中控制器從上位機客戶端接收到指令，并將其轉化為PWM信號，控制伺服電機轉動的圈數，從而決定機械手臂姿態位置。

（二）環境監測部分設計

溫、濕度傳感器 AM2320 完成室內溫、濕度的檢測，通過I2C接口完成與嵌入式控制器的通信；通過紅外測距傳感器 GP2D12 完成室內障礙物距離檢測，數據直接通過嵌入式控制器 A/D 接口將數據送入控制器。

（三）無線通信模塊的設計

無線通信控制中心模塊與感知節點之間的通信通過ZICM2410 Zigbee 無線模塊實現，該模塊遵從 Zigbee規范和 IEEE 802.15.4 標準，內含有基帶MODEM的射頻收發器、硬連線的 MAC和內嵌8051 內核的微控制器（帶有內部 Flash 存儲器）組成，多個通用I/O 引腳、定時器、UART、SPI 以及硬件語音編解碼器。

看護機器人的數據傳輸通過安裝 OpenWrt的無線路由端使上位機客戶端與服務端建立點對點的局域網來實現。采用 TCP/IP 通信協議，能夠保證數據實時高速傳輸傳輸。紅外熱成像儀與可見光攝像機拍攝的視頻信號經過壓縮后通過局域網無線傳輸到達上位機客戶端，圖像經過解壓顯示在監控中心的屏幕上。紅外熱像圖能夠有效地檢測出家人的運動狀態。可見光攝像機拍攝的可見光圖像與紅外圖像匹配、融合，能精確識別家人行動的范圍。發現異常情況后，家庭監護人可以通過上位機客戶端發送指令，控制數據通過 Socket發送到路由端，路由端把數據包解開后發送到路由端串口。集中控制器與路由端通過STM32 建立串口通信，從路由端發出的串口指令控制監控機器人實行預警方案，譬如發出警報聲引起周圍鄰居或者路人的關注，實現在救護車或者專業醫療人員達到之前無人進行人工急救而引起的不必要的麻煩。

四、結語

家庭看護機器人采用客戶端/服務端的運行模式，客戶端位于監控中心的PC機上，負責實時顯示家人活動場所的環境信息，以及家人活動的狀態信息，家庭看護人也可以通過客戶端上位機發送指令，控制巡檢機器人對指定的家庭成員進行重點定點看護。服務端位于看護機器人本體，核心部分是STM32集中控制器，主要負責導航定位、機器人運動控制、多源信息數據傳輸等。使用者在管理界面可實現對家庭環境和家人的實時監控并且對智能設備的操作。為避免特殊情況下，周圍沒有人員參與急救，多提供了一重急救的保障。當然系統只是初步實現了一些看護、預警功能，還有待于進一步改進提高。

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