智能巡防機(jī)器人設(shè)計報告

第十一屆“博創(chuàng)杯”全國大學(xué)生嵌入式設(shè)計大賽

作品設(shè)計報告智能巡防機(jī)器人SmartGuardRobot隊(duì)伍編號：參賽學(xué)校：作者：指導(dǎo)教師：組另IJ:口碩士組本科組□高職組摘要本項(xiàng)目的智能安防機(jī)器人，它是新一代的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)智能安防設(shè)備，由S5PV210構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)并作為任務(wù)分配核心再輔以ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)來監(jiān)測環(huán)境，一旦某個節(jié)點(diǎn)有異常(氣體、入侵等)出現(xiàn)后會立即激活紅外裝置,發(fā)出定位信號提供給自主研發(fā)的紅外定位系統(tǒng)進(jìn)行定位；在趕往異常節(jié)點(diǎn)附近的同時，還會要求控制臺查看安防機(jī)器人實(shí)時回傳的視頻；控制臺會顯示傳感器收集到的信息，并可對視頻采集系統(tǒng)的云臺角度進(jìn)行調(diào)整;安防機(jī)器人使用STM32作為運(yùn)動控制器，使得其具有良好的移動性能，能讓用戶獲得最大視角；通過終端可以手動操縱安防機(jī)器人運(yùn)動；安防機(jī)器人在使用的時候會伴有語音提示，提高用戶體驗(yàn)。機(jī)器人設(shè)計很美觀，能很好的融入到使用者的環(huán)境，時刻保護(hù)使用者的安全。相信借助未來的市場需求，本項(xiàng)目能夠盡善盡美！關(guān)鍵詞：智能安防設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)、無線傳感網(wǎng)絡(luò)、紅外定位系統(tǒng)AbstractOursmartguardrobot,itisanewgenerationofnetworkinterconnectionintelligentsecurityequipment,itconsistsofS5PV210,assisttowirelesssensornetworktomonitortheenvironment,onceanodehasanexception(suchasgas、intrudeandsoon)showup,itwillimmediatelyactivatetheinfrareddevice，toprovidepositioningsignaltoindependentresearchanddevelopment;Atthesametime,requesttheconsoleviewreal-timevideocomesbackanddisplayreceivemessageandcontrolholder.smartguardrobotuseSTM32tocontrolmovement.wecanthroughtheterminalcontrolsmartguardrobotfinishjob;Therobothasvoicepromptwhenyouoperation.Therobotdesignisverybeautiful,webelievethatcanquicklyintotheuser'senvironmenttoprotectusersafe.Webelievewiththehelpofthefuturemarketdemand,oursmartguardrobotwillbeperfect！Keywords:SmartGuardRobot、NetworkInterconnection、WirelessSensorNetwork、InfraredPositioningSystemTOC\o"1-5"\h\z第1章緒論11.1背景11.2國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀11.3研究意義2第2章系統(tǒng)方案2主控芯片3視頻傳輸5電源部分6室內(nèi)定位6第3章功能與指標(biāo)7智能巡防機(jī)器人實(shí)現(xiàn)功能7智能巡防機(jī)器人功能指標(biāo)7第4章實(shí)現(xiàn)原理8Linux實(shí)現(xiàn)84.1.1使用Linux構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器8使用Linux進(jìn)行任務(wù)分配8Android終端實(shí)現(xiàn)9Android終端人機(jī)交互實(shí)現(xiàn)9Android終端與Linux的網(wǎng)絡(luò)通訊Socket11Android終端對于H.264解碼12ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)12巡防機(jī)器人基于室內(nèi)定位的智能路徑實(shí)現(xiàn)13多路隔離電源的實(shí)現(xiàn)15第5章硬件框圖16S5PV210硬件框圖16STM32F4硬件框圖17圖5-2STM32F4硬件框圖17ZigBee硬件框圖17STC15F2K61S2硬件框圖18第6章創(chuàng)新18結(jié)論19參考文獻(xiàn)19智能巡防機(jī)器人智能巡防機(jī)器人SmartGuardRobot#Android終端與Linux的網(wǎng)絡(luò)通訊Socket本系統(tǒng)利用基于TCP協(xié)議的Socket基本模型（基本模型如圖4-5所示）進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)編程，一方面因?yàn)榛赥CP的Socket編程簡單，另一方面在利用在本系統(tǒng)進(jìn)行通信時，數(shù)據(jù)可以安全可靠的傳輸?shù)侥繕?biāo)，不僅如此，服務(wù)器端的程序可以打開多個線程與多個客戶進(jìn)行通信。這種通信方式比較靈活，且適用于本系統(tǒng)的通信。譬如：每當(dāng)建立一個Socket連接，同時創(chuàng)建一個新線程對該Socket進(jìn)行單獨(dú)通信（采用阻塞的方式通信），這種方式具有很高的響應(yīng)速度，并且控制起來也很簡單。具體化來說：本系統(tǒng)使用基于TCP協(xié)議的Socket，先獲得服務(wù)端（S5PV210控制板的網(wǎng)絡(luò)端口號和IP地址,然后由網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施利用目標(biāo)地址，將客戶端發(fā)送的信息傳遞到正確的服務(wù)端（S5PV210控制板）上，這樣就實(shí)現(xiàn)了Android終端與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的通訊。

Android纟冬端對于H.264解碼Android終端首先需要接收Linux服務(wù)器回傳的視頻數(shù)據(jù)，然后通過圖4-6的流程進(jìn)行數(shù)據(jù)的解碼，待解碼完成后，需要將數(shù)據(jù)顯示出來，該過程實(shí)質(zhì)是使用了FFmpeg解碼器，該解碼器是個非常巨大的多媒體解碼庫，本項(xiàng)目在此是利用裁剪好之后的解碼器，調(diào)用相應(yīng)的API進(jìn)行H.264解碼的。接收RTP數(shù)據(jù)包T否圖4-6對于獲取視頻解碼流程接收RTP數(shù)據(jù)包T否圖4-6對于獲取視頻解碼流程ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)前文提到：“整合安防區(qū)域內(nèi)的所有安防設(shè)備”，這是如何實(shí)現(xiàn)的呢？本項(xiàng)目組使用了ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)，這樣實(shí)現(xiàn)的原因一方面是為了降低節(jié)點(diǎn)的成本，另一方面是因?yàn)閆igBee組網(wǎng)方便，傳輸速率及信號覆蓋率適合本系統(tǒng)。之所以說整合，是因?yàn)槭紫韧ㄟ^ZigBee的終端節(jié)點(diǎn)將傳感器驅(qū)動并采集數(shù)據(jù)，然后將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，編碼后的數(shù)據(jù)再經(jīng)過ZigBee運(yùn)行的Z-Stack協(xié)議棧打包后無線上傳至ZigBee協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器再通過串行接口傳輸給網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，終端節(jié)點(diǎn)同時負(fù)責(zé)控制紅外發(fā)射系統(tǒng)，檢測到異常時，會自動啟動紅外發(fā)射源引導(dǎo)巡防機(jī)器人，這樣就實(shí)現(xiàn)了對巡防機(jī)器人的輔助作用，也就是使全部安防資源整合起來協(xié)同工作，做到了智能硬件。本系統(tǒng)防御資源的整合如圖4-7所示。圖4-7ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)巡防機(jī)器人基于室內(nèi)定位的智能路徑實(shí)現(xiàn)相信室內(nèi)定位這一問題是比較困擾廣大開發(fā)者的，傳統(tǒng)的無線信號強(qiáng)度定位在遭遇諸如信號繁多復(fù)雜的場合、障礙物較多的場合等等會導(dǎo)致信號不穩(wěn)定、衰減的場合，在此些情況下就會造成定位不精準(zhǔn)，故在此本項(xiàng)目組提出了一套基于紅外線的定位辦法，實(shí)現(xiàn)流程及外觀如圖4-8所示。

圖4-8紅外線定位接收端流程及發(fā)射與接收裝置紅外定位裝置具體實(shí)現(xiàn)方法:對于發(fā)射源來說，本項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)利用NE555制作了一個40KHz頻率的紅外光發(fā)射裝置，使用ZigBee控制，一旦檢測到異常情況，ZigBee將會控制繼電器，決定紅外發(fā)射源是否工作,一旦紅外發(fā)射源激活，那么接收裝置就能感受到40KHz頻率的紅外光，如圖4-9是紅外發(fā)射電路原理圖;圖4-9圖4-9紅外發(fā)射源電路對于接收裝置來說，接收到紅外光后，首先會經(jīng)過第一次濾波，第一次濾波的原理是：對于正面射入的紅外光，假定本項(xiàng)目組的紅外定位裝置如圖4-10所示（該裝置共計16個接收頭，此處只以1~7號頭作解說），可以看到：4號紅外接收頭正面朝向紅外發(fā)射源，此時抽象的說，當(dāng)紅外光射入整個模塊時，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)的問題，2~6號頭的角度始終能夠較多的接收到紅外光，而1號、7號頭相對來說會較少接收到，程序會自動判斷濾除，最終剩下2~6號頭，此時再進(jìn)行取中值，最終將會剩下4號頭，同理，在入射源位置發(fā)生改變時，中值接收頭也會發(fā)生改變，但只會出現(xiàn)一個較為固定的接收頭序號。上面提到：“只會出現(xiàn)一個較為固定的接收頭序號”，不排除干擾的問題，干擾會來自墻面反射入射源的紅外光、人體發(fā)出的紅外等等，當(dāng)遭遇此種干擾時，中值頭會發(fā)生跳動，實(shí)際是4號頭，但是會突變?yōu)?號，或者6號等等，本項(xiàng)目組將該現(xiàn)象理解為高斯白噪聲，針對這一問題，我們就需要借助卡爾曼濾波，來將數(shù)據(jù)確定為準(zhǔn)確、穩(wěn)定的一個值。17TTTT40KHzrA/W圖4-10紅外裝置示意圖多路隔離電源的實(shí)現(xiàn)LM2596開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器是降壓型電源管理單片集成電路，能夠輸出3A的驅(qū)動電流，同時有很好的線性和負(fù)載調(diào)節(jié)特性。在特定輸出電壓和輸出負(fù)載的條件下，輸出電壓的誤差可以保證在±4%的范圍內(nèi)；擁有80uA的待機(jī)電流，并且擁有自我保護(hù)電路：限流保護(hù)和在異常情況下斷電的過溫保護(hù)電路。本項(xiàng)目就是利用如此高可靠的芯片完成多路隔離電源，在電源輸入加入了1N5822肖特基二極管，防止正負(fù)極反接，在輸出加入了一顆電感以及一顆1N5822作為續(xù)流器件，在電源輸入GND端加入0Q電阻隔離地。這樣就實(shí)現(xiàn)了多路開關(guān)隔離可調(diào)電源，為系統(tǒng)提供穩(wěn)定、純凈的輸入電壓，提供足夠功率！原理圖如圖4-11。TL>13-L：k3VTZOi

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口dfC-3--■=一一總GO?010Cfiffl；L2O_=_圖4-11LM2596-ADJ三路隔離輸出電壓可調(diào)DC-DC第5章硬件框圖S5PV210硬件框圖以S5PV210作為主控核心，驅(qū)動LCD顯示屏，異步串行接口與其它主控協(xié)調(diào)完成數(shù)據(jù)交互、任務(wù)分配，同時建立網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器。具體框圖如圖5-1所示。LCD顯示屏S5PV21O異步串行通訊接口"■協(xié)調(diào)其它主控DM9000AEPRTL8189攝像頭DM9000AEPRTL8189攝像頭網(wǎng)關(guān)圖5-1S5PV210硬件框圖STM32F4硬件框圖以STM32F4作為姿態(tài)解算核心，負(fù)責(zé)巡防機(jī)器人的姿態(tài)控制，由STM32F4的串口1接收STC15紅外定位系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，再進(jìn)行濾波以及中值頭計算，最后再送入卡爾曼濾波器，得到一個穩(wěn)定的中值頭；通過串口3接收ZigBee的數(shù)據(jù)（入侵檢測、氣體異常等）；以上數(shù)據(jù)接收完成后處理，一部分轉(zhuǎn)換為控制指令讓機(jī)器人運(yùn)動，另一部分再編碼上傳至本項(xiàng)目組構(gòu)建的服務(wù)器。具體框圖如圖5-2所示。圖5-2STM32F4硬件框圖ZigBee硬件框圖傳感器通過ZigBee終端進(jìn)行驅(qū)動控制并采集數(shù)據(jù)，將采集的數(shù)據(jù)編碼后無線發(fā)送至ZigBee協(xié)調(diào)器，這一過程由Z-Stack協(xié)議棧完成（傳輸信號制式為2.4G頻段），在ZigBee協(xié)調(diào)器接收數(shù)據(jù)后，將接收到的數(shù)據(jù)送入STM32F4解碼再運(yùn)用，最終實(shí)現(xiàn)安防資源的整合。具體框圖如圖5-3所示。

STM32F4i1ZigBee終端~ZStack—MQ2氣體傳感器串口ZStfck2.4G無線ZigBee終端~Stack—DHT11傳感器ZigBee協(xié)調(diào)器ZigBee終端*~ZStack入侵檢測傳感器圖5-3ZigBee硬件框圖STC15F2K61S2硬件框圖8路紅外壁障頭、16路紅外定位頭連接至STC15F2K61S2單片機(jī)I/O口且8路占用一組連續(xù)（如P0.0~P0.7）I/O口，這樣方便程序的編寫，數(shù)據(jù)將會通過串口1傳輸至STM32F4單片機(jī)處理。具體框圖如圖5-4所示。圖5-4STC15F2K61S2硬件框圖第6章創(chuàng)新本系統(tǒng)最大的創(chuàng)新有以下幾點(diǎn)：1）具備自主研發(fā)的基于卡爾曼濾波的紅外室內(nèi)定位裝置，巡防機(jī)器人能夠移動至異常區(qū)域進(jìn)行視頻監(jiān)控；2）使用ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)整合了防御區(qū)內(nèi)的所有硬件資源；3）巡防機(jī)器人結(jié)構(gòu)是自行多次實(shí)驗(yàn)制作的，運(yùn)行靈活，硬件布局合理保證系統(tǒng)穩(wěn)定性，外觀美觀可愛；結(jié)論本項(xiàng)目組研發(fā)的智能巡防機(jī)器人完成了研發(fā)初期提出的所有任務(wù)目標(biāo)，這全依賴于團(tuán)隊(duì)的分工明確，合作協(xié)調(diào)順暢。研發(fā)初期，團(tuán)隊(duì)查閱大量資料，都指明現(xiàn)階段安防設(shè)備發(fā)展迅速的趨勢，但是現(xiàn)有安防設(shè)備是存在一定缺陷的，為了解決缺陷，團(tuán)隊(duì)多方論證方案，最終努力完成了巡防機(jī)器人的研發(fā)，填補(bǔ)了市場的空缺。在設(shè)計本機(jī)器人時，團(tuán)隊(duì)秉承著產(chǎn)品的設(shè)計理念，從硬件選型、終端交互等方面都在考慮使用者以及在實(shí)際場景中的表現(xiàn)。本項(xiàng)目最大的創(chuàng)新點(diǎn)在于研制了一套基于卡爾曼濾波的紅外室內(nèi)定位系統(tǒng)，在到達(dá)異常事件地點(diǎn)時，會回傳監(jiān)控視頻，本系統(tǒng)還將防御區(qū)域中的安防設(shè)備資源使用ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了整合。系統(tǒng)的穩(wěn)定性也是較好的，這對于安防設(shè)備尤其重要！在此，本項(xiàng)目組需要感謝提供此次競賽的組織者們提供了本項(xiàng)目組一個平臺得以展示本項(xiàng)目組的創(chuàng)新作品，在這個平臺上，本項(xiàng)目組得以拼搏進(jìn)取，創(chuàng)造出更多能夠造福社會的智能設(shè)備，同時也要感謝評委們提出的建議，本項(xiàng)目組也會積極吸納更多的建議，把智能巡防機(jī)器人再完善。電子的進(jìn)步能讓人類社會更加美好，生活更加便利！同時也要感謝閱讀此文的讀者！參考文獻(xiàn)劉軍，張洋.原子教你玩STM32[M].北京航空航天大學(xué)出版社，