智能視覺安防巡檢機(jī)器人設(shè)計(jì)

楊青青,韓雪雯,吳千千

(保定學(xué)院,河北 保定 071000)

0 引言

如今,我國(guó)大部分化工廠及危險(xiǎn)品倉庫存儲(chǔ)主要采用定點(diǎn)檢測(cè)和人工巡檢這一傳統(tǒng)方式,這種方式存在人員安全難以保證和檢測(cè)不全面、不精確等弊端。本設(shè)計(jì)基于此背景研制了能夠在化工廠進(jìn)行日常自主安全巡檢和及時(shí)報(bào)警提醒的智能視覺安防巡檢機(jī)器人,代替?zhèn)鹘y(tǒng)人工方式,達(dá)到了及時(shí)、精確的目的,保障了巡檢人員的安全,實(shí)現(xiàn)工廠智能化、自動(dòng)化。

1 系統(tǒng)原理及方法

本產(chǎn)品采用STM32F1 開發(fā)板和Arduino MEGA2560作為主控芯片,外置了MQ 系列(MQ_2,MQ_135,MQ_3,MQ_7,MQ_9)傳感器、溫濕度傳感器、雨滴傳感器、光敏傳感器、GPS 定位等硬件采集設(shè)備,主控芯片采集周圍環(huán)境信息,并將采集的信息通過ESP8266 無線傳輸模塊上傳到監(jiān)控臺(tái),進(jìn)而通過上位機(jī)實(shí)時(shí)顯示并監(jiān)測(cè)工廠的環(huán)境參數(shù),實(shí)現(xiàn)了越限報(bào)警。 智能視覺安防巡檢機(jī)器人設(shè)計(jì),包括硬件模塊的選型與設(shè)計(jì)、后臺(tái)監(jiān)測(cè)軟件開發(fā)與設(shè)計(jì)[1]。 檢測(cè)系統(tǒng)的核心硬件模塊,包括采集模塊、傳輸模塊、監(jiān)控模塊、控制模塊、GPS 定位、紅外避障、自主循跡模塊、4G 短信報(bào)警8 個(gè)部分。總體設(shè)計(jì),如圖1 所示。

圖1 總體設(shè)計(jì)

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

本產(chǎn)品數(shù)據(jù)采集端采集環(huán)境信息、獲取定位以及監(jiān)控上傳至Arduino MEGA 2560,通過ESP8266 無線傳輸模塊傳輸至上位機(jī),在上位機(jī)上進(jìn)行顯示。 上位機(jī)實(shí)現(xiàn)了環(huán)境信息實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、機(jī)器運(yùn)動(dòng)的遠(yuǎn)程控制、監(jiān)控等功能[2-5]。

2.2 系統(tǒng)詳細(xì)硬件設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目硬件核心模塊包括:采集模塊、傳輸模塊、監(jiān)控模塊、控制模塊、GPS 定位、紅外避障、自主循跡模塊、4G 短信報(bào)警模塊8 個(gè)部分。

(1) 采集終端:由STM32F1 開發(fā)板和Arduino MEGA2560 外接各種傳感器MQ 系列(MQ_2,MQ_135,MQ_3,MQ_7,MQ_9)傳感器、溫濕度傳感器、雨滴傳感器、光敏傳感器、GPS 定位、紅外避障等信息采集設(shè)備,實(shí)現(xiàn)了對(duì)工廠環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)采集。

(2)傳輸模塊:采用ESP8266 無線傳輸模塊和HC-06 藍(lán)牙模塊來進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。 無線傳輸模塊和藍(lán)牙模塊具有低功耗、強(qiáng)力抗干擾、RSSI 信號(hào)強(qiáng)度檢測(cè)、數(shù)據(jù)加密等優(yōu)點(diǎn)。 不僅可以將底層采集的信息傳輸?shù)奖O(jiān)控中心,還可以將監(jiān)控中心的命令下達(dá)至底層[6]。

(3)監(jiān)控模塊:使用舵機(jī)控制的視頻傳輸模塊,實(shí)時(shí)獲取視頻信息并通過無線模塊傳輸至移動(dòng)終端。 主要作用是進(jìn)行圖像的采集,可以進(jìn)行圖像的保存和傳輸。

(4)控制模塊:上位機(jī)發(fā)送字符給HC-06 藍(lán)牙模塊,藍(lán)牙模塊接收后發(fā)送信號(hào)給STM32F1 開發(fā)板,開發(fā)板最終驅(qū)動(dòng)機(jī)器人,讓其運(yùn)動(dòng)起來。 包括對(duì)機(jī)器人的啟動(dòng)、前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎、停止、中高速控制、避障等功能[5-6]。

(5)GPS 定位:采用GT-U7 模塊,具有高靈敏度、低功耗、小型化的優(yōu)點(diǎn)。 其極高的追蹤靈敏度大大擴(kuò)大了定位的覆蓋面,在普通GPS 接收模塊不能定位的地方,如狹窄都市天空下、密集的叢林環(huán)境等,GT-U7 都能高精度定位。

(6)紅外避障:紅外避障傳感器具有一對(duì)紅外線發(fā)射與接收管,發(fā)射管發(fā)射出一定頻率的紅外線,當(dāng)檢測(cè)方向遇到障礙物時(shí),紅外線反射回來被接收管接收[7]。

(7)自主循跡模塊:采用光電循跡模塊對(duì)地上的黑線較周圍淺色背景反射率低,通過對(duì)機(jī)器人前方地面發(fā)射光(通常為紅外線),比較接收到的光信號(hào)強(qiáng)弱即可知道前進(jìn)方向與線的差距,從而調(diào)整路線。 這樣,在有黑色軌跡的工廠走廊上,裝有光電循跡模塊的機(jī)器人就能自己按照軌跡來向前走,從而達(dá)到自動(dòng)導(dǎo)航循跡[8]。

(8)4G 短信報(bào)警模塊:短信模塊傳輸距離遠(yuǎn),耐用抗干擾,通信連接主板,啟用后能夠在其他模塊監(jiān)測(cè)信息的同時(shí)對(duì)數(shù)值進(jìn)行越限報(bào)警,以短信的方式發(fā)送至管理員手機(jī),實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)工廠內(nèi)安全情況。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 底層驅(qū)動(dòng)功能軟件開發(fā)

主程序通過發(fā)送指令調(diào)用自定義的模塊Front()函數(shù),xunji()函數(shù),fengmingqi()函數(shù),hhnmbdzgq()函數(shù)進(jìn)行實(shí)現(xiàn),以下是具體主程序?qū)崿F(xiàn):

在為管理員傳遞信息時(shí)用到了重要的報(bào)警短信發(fā)送程序,調(diào)用void sendMeg(int bjms)短信報(bào)警程序?qū)崿F(xiàn)信息的發(fā)送傳遞,具體sendMeg(int bjms)程序的實(shí)現(xiàn)流程,如圖2 所示。

圖2 短信報(bào)警流程

3.2 信息采集功能軟件開發(fā)

本項(xiàng)目為了實(shí)現(xiàn)對(duì)周圍環(huán)境做出及時(shí)的反饋,主要采用了Arduino MEGA2560 連接各種傳感器,給定正常的數(shù)據(jù)范圍。 在傳感器檢測(cè)到數(shù)據(jù)后能夠在上位機(jī)顯示并做出判斷。 實(shí)現(xiàn)小機(jī)器人的自動(dòng)避障功能,主要采用上位機(jī)發(fā)送字符指令,來控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng),機(jī)器人還能夠自主循跡來運(yùn)動(dòng)。 采集模塊代碼編寫流程,如圖3 所示。

圖3 采集模塊流程

信息采集軟件利用Android 開發(fā)了一個(gè)App 監(jiān)控程序,通過對(duì)工廠的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),利用硬件設(shè)備采集得到了工廠溫度、濕度、二氧化碳,可燃?xì)怏w,煙霧光照以及是否漏水等參數(shù),確保工廠處于安全狀態(tài),若發(fā)現(xiàn)安全隱患及時(shí)監(jiān)測(cè)并報(bào)警。 為了實(shí)現(xiàn)小車的自動(dòng)避障功能,主要采用上位機(jī)發(fā)送字符指令,來控制小車的運(yùn)動(dòng)。 該App 連接到硬件主板后獲取數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示,監(jiān)聽服務(wù)器發(fā)來的消息,具體連接服務(wù)器代碼如下:

4 結(jié)語

本項(xiàng)目是基于 STM32F1 開發(fā)板和 Arduino MEGA2560 所做的智能視覺安防巡檢機(jī)器人,利用Arduino MEGA2560 連接各種傳感器,使小車具有采集接收數(shù)據(jù)、判斷數(shù)據(jù)是否處于正常范圍等功能,可以提前對(duì)危險(xiǎn)做出反應(yīng),能夠大大降低生產(chǎn)安全事故帶來的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。 自動(dòng)避障和定位功能,能夠自動(dòng)巡檢并在檢測(cè)到危險(xiǎn)信號(hào)時(shí)發(fā)出警報(bào),并且傳送到上位機(jī),使管理人員及時(shí)防范。 智能巡檢機(jī)器人成本低,便于操作,采集數(shù)據(jù)精確,可減少人工操作,具備自動(dòng)避障、短信報(bào)警、GPS 定位、自主循跡等功能,從而 實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)過程的智能化、信息化管理。