基于樹莓派的遠程交互安防小車

劉誠 肖彤 曹荀

摘要：針對對于大面積區域安防場景的需求，以樹莓派為主控，STM32單片機作為運動控制底盤，采用不同種類的環境傳感器，設計出一款多場景適用，功能強大的遠可控的安防小車。該小車可在室內、室外進行常規的安全隱患監視，極大滿足對于大面積區域的安防保障有需求的用戶。

關鍵詞：樹莓派;智能監控;安防;物聯網;

引言：

隨著建設“鄉村振興”、“建設美麗鄉村”的推進，農村基礎設施、公共服務得到有利改善。越來越多的外出務工人選擇回到農村，為建設美麗鄉村貢獻自己的力量。當然，隨著鄉村人數的增加，人們的安防意識也隨之提高。特別是農村地區，由于住宅普遍面積較廣，同時工作在外的子女希望能有更便捷的方式，能時刻關注在家的老人的安全。顯然，傳統的監控設備功能已經不能滿足這些新的需求。

本設計采用單片機技術、無線通訊技術、計算機技術、人工智能技術、傳感器技術、機器人技術，設計一款可在室內、室外進行巡邏監控、防盜報警，同時能夠通過手機APP實現監控區域選擇，監控回放，小車移動控制，語音對講。

1.系統方案設計

小車方案設計框圖如圖1所示。

本設計以樹莓派作為機器的“大腦”，STM32F10X系列單片機，作為機器的“小腦”，控制小車運動底盤。用戶對小車進行巡邏線路的設置后，小車可在室內、室外進行安全巡視，全方位地對房屋每一個角落，無死角監視。還可以通過手機APP，控制小車到任意一個地方。

小車搭載攝像頭模塊、升降云臺、聲光報警模塊、LCD顯示模塊，及各種環境傳感器。攝像頭實時采集視頻存儲到本地存儲中。用戶可通過手機APP查看實時監控畫面，或者查看過去回放。查看回放時，樹莓派根據用戶需求選取對應時段的本地監控信息上傳至云服務器中。當攝像頭檢測到有未錄入臉出現時，發出聲光警告并向用戶手機推送消息。升降云臺可以調節監控的視野，極大增加了定點監控的視野范圍。

小車所搭載的環境傳感器，會實時收集環境信息，并根據設置的閾值，通過多種方式向用戶發送警告，能夠及時發現有毒有害氣體，煙霧火災等險情。

2.系統硬件設計

STM32單片機電路主要原理圖如下圖2所示。

小車硬件部分由小車底盤部分、傳感器部分、機械結構部分，三大部分組成。其硬件連接關系如下圖3。

小車底盤由四個直流減速電機和MPU6050模塊，以及一個激光雷達模塊構成，樹莓派樹莓派連接到激光雷達，獲取環境地圖與STM32單片機進行串口通訊，來控制電機運動，獲取小車姿態等信息。

為了能夠讓小車在安裝攝像頭、傳感器等設備后仍然能靈活運動，應選擇功率較大的直流電機。然而，由于單片機通用輸入輸出口的帶負載能力比較弱，難以驅動大電流的電機負載。這里選用一款直流電機驅動器件。。

MPU6050模塊，即陀螺儀。主要用來獲取到小車底盤的運動姿態，從而為主控做出決策提供參考依據。該模塊價格低廉，抗干擾能力強。

為了降低成本，選擇價格相對低廉的基于三角測距的雷達，該激光雷達在每次測距時發射紅外激光信號，視覺采集系統接收反射的激光信號，經過樹莓派的處理后，將以激光雷達為中心到被測距離值解算出來。

聲光報警模塊主要是由蜂鳴器和LED組合實現，通過程序控制其觸發時間，實現不同緊急情況，不同的聲光提示效果。

攝像頭模塊采用紅外攝像頭，可以在夜間無補光的條件下進行拍攝，可以在黑暗環境下，對畫面有比較好的清晰度。攝像頭配合電機控制的伸縮桿，可以極大拓寬監控可視范圍。

小車可通過物聯網WIFI模塊連接到用戶家中網絡。如果區域無無線網絡，可選擇搭載4G模塊的方式實現4G無線透傳，同時也能覆蓋更廣的巡視范圍。

環境傳感器中，有毒氣體一氧化碳傳感器JXM-CO，具有抗干擾能力強，靈敏度高，體積小的特點，實現對有害氣體實時監測?；鹧姹O測采用紅紫外火焰探測器，該傳感器利用光學敏感器件監測火焰發出的紅外波與紫外波，有效抑制和減少誤報幾率。，通過樹莓派對多個傳感器數據分析，進行聲光警報的觸發。

屏幕模塊可以進行基礎的功能配置，連接網絡等操作。顯示傳感器實時數據，也可以查看視頻監控回放。也能與手機APP進行手機視頻通訊。

3.系統軟件設計

樹莓派對小車底盤的控制是基于ROS機器人操作系統完成的。ROS層作為上位機啟動各個傳感器節點以及運行建圖算法和導航算法。STM32作為底層驅動硬件，完成對直流電機的閉環控制。樹莓派與單片機采用串口通訊的方式，進行雙向的數據連接。

STM32對電機的閉環控制，是實現小車正確運動的重要的一環。為解決電機速度閉環問題，采用了經典的PID控制，對電機速度進行PID控制，通過代碼實現后，再進行PID參數的設定，從而讓機器的運動達到我們想要的效果。

當小車開始運行時，將按照已經規劃好的路線進行巡視，攝像頭和環境傳感器收集視頻信息保存到本地儲存，將傳感器實時數據上傳到主控設備進行數據處理及分析，當超過預設的閾值時，發出聲光報警。當手機APP接入時，小車停止巡邏，用戶通過監控視頻畫面觀察環境，控制小車移動到任意位置，或者重新設置巡邏路線。

4.系統測試

按照硬件電路原理圖焊接好后 設計好電路，焊接電子元件后，進行硬件連接和系統調試。接入電源后，在屏幕上顯示有害氣體濃度，溫濕度等傳感器收集的數據，傳感器工作正常。通過設置，將小車接入網絡后，打開手機APP，顯示出攝像頭實時畫面，有1s左右的延遲。通過手機的按鍵，控制小車的自由移動。底盤控制程序測試通過。

5.結論

本設計實現了以樹莓派為主控的物聯網安防小車。攝像頭結合升降云臺，通過移動底盤，實現對環境的無死角巡視監控。檢測到 陌生人接近時能進行聲光報并向用戶手機端及時推送消息，實現家庭安全監視功能，溫濕度傳感器，有害氣體傳感器，火焰傳感器探測環境有害氣體泄露，火災等危險場景，及時進行聲光報警觸發和手機消息推送，保障了人生財產安全，及時制止危險事故發生。提高了社會居民的生活體驗，用科技改變人們的生活方式。

作者簡介：

劉誠（2000-），男，漢族，四川中江人，西昌學院本科在讀，電子信息工程方向。

基金項目：

西昌學院2020年度大學生創新創業訓練計劃項目：遠程體感交互小車（項目編號：202010628001）。