智能安全防盜探測(cè)小車(chē)

向浩維

摘 要 本項(xiàng)目以樹(shù)莓派與89C52RC單片機(jī)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)一個(gè)智能安全防盜探測(cè)小車(chē)，可以通過(guò)安裝的紅外傳感器對(duì)已設(shè)定的軌跡進(jìn)行循跡，通過(guò)超聲波模塊進(jìn)行避障行駛，通過(guò)樹(shù)莓派上的wifi模塊將小車(chē)搭載攝像頭獲取的圖像傳到搭建的服務(wù)器上，手機(jī)或平板登陸網(wǎng)址獲取圖像并對(duì)小車(chē)進(jìn)行模式切換，手動(dòng)控制和攝像頭角度控制。

關(guān)鍵詞 智能小車(chē) 安全探測(cè) wifi 樹(shù)莓派 單片機(jī) 傳感器

中圖分類(lèi)號(hào)：TN702 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2016.09.075

Abstract The project is based on raspberry pie and 89c52rc microcontroller， aiming to design a Artificial Intelligent Car for Unsafety Detection. It can use its infrared sensors to track the given orbit， ultrasonic module to avoid obstacles and the WIFI module from raspberry pie to transfer the camera signal from the camera installed on the device to the website we built where the video can be viewed and the working conditions， motions of the car can be modified as well as the angle of the camera.

Key words intelligent car； unsafety detection； wifi； raspberry pie； microcontroller， sensor

1 項(xiàng)目背景

近來(lái)由于經(jīng)常發(fā)生寢室盜竊的事件，大家非常沒(méi)有安全感。所以安全性成為大家日益增長(zhǎng)的需求。當(dāng)今社會(huì)提高安全性有兩種，一種是增加人力，另一種是利用現(xiàn)代科技設(shè)計(jì)一個(gè)安全智能的設(shè)備代替人力。考慮到寢室巡查的限制，不可能在巡查方面采用過(guò)多的人員，這樣成本也增加過(guò)高，而且人員巡邏時(shí)難免會(huì)出現(xiàn)一些不仔細(xì)不全面的缺陷。而對(duì)寢室安裝定點(diǎn)攝像頭，由于隱私等問(wèn)題以及巡查范圍有限，導(dǎo)致會(huì)出現(xiàn)學(xué)生的反對(duì)以及出現(xiàn)成本巨大，此外，定點(diǎn)攝像頭也可以被有經(jīng)驗(yàn)的犯罪分子事先偵察并躲避，這樣攝像頭也形同虛設(shè)，可以說(shuō)并不是一個(gè)適合的方案。于是，根據(jù)智能化發(fā)展的趨向，我們決定開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)一種自動(dòng)安全巡查小車(chē)來(lái)對(duì)宿舍安全環(huán)境進(jìn)行改善。用小車(chē)的避障，循跡來(lái)按照固定軌跡進(jìn)行巡邏，手控方便進(jìn)行突擊檢查或疑犯追蹤，攝像頭實(shí)時(shí)傳輸圖像功能完成對(duì)宿舍乃至校園內(nèi)的安全巡邏。人只需要坐在終端看實(shí)時(shí)傳回來(lái)的圖像進(jìn)行判斷即可確保當(dāng)前區(qū)域有無(wú)安全隱患。此外，此處的攝像頭也可連接到公安部門(mén)的攝像頭網(wǎng)絡(luò)上，如果以后根據(jù)攝像頭識(shí)別人臉進(jìn)行疑犯追蹤，那么小車(chē)上的攝像頭也可作為一個(gè)分支參與其中。

2 項(xiàng)目目標(biāo)分析

首先作為智能小車(chē)，其必須對(duì)安全有著較明顯的提高作用。巡查人員必須能通過(guò)小車(chē)發(fā)現(xiàn)周?chē)那闆r，最好有實(shí)時(shí)并可以存儲(chǔ)的影像記錄，方便及時(shí)作出處理同時(shí)留到日后作為證據(jù)。其必須具有一定的示警作用，對(duì)潛在的犯罪起到制止的作用。在面對(duì)罪犯時(shí)，也要有一定的防衛(wèi)手段。其次在于其低成本，作為安全巡查小車(chē)，其本身不能具有太大的價(jià)值，要避免自身被作為竊取對(duì)象。最后，要考慮智能安全小車(chē)巡查的軌跡，要有一定的隨機(jī)性，也能有一定的可控性，同時(shí)在關(guān)鍵時(shí)刻要能實(shí)現(xiàn)完全可控，控制距離要遠(yuǎn)，確保信號(hào)準(zhǔn)確到達(dá)小車(chē)。

綜上所述，我們?cè)O(shè)計(jì)的小車(chē)初步預(yù)想將具有下列特性：

（1）運(yùn)用樹(shù)莓派接usb攝像頭的方式進(jìn)行圖像采集。樹(shù)莓派作為服務(wù)器通過(guò)其wifi模塊向外部發(fā)送視頻流文件，所有共享局域網(wǎng)的用戶只要登錄相應(yīng)的網(wǎng)址均能接收到視頻，并對(duì)小車(chē)進(jìn)行控制。選用wifi的目的在于校園網(wǎng)的覆蓋，校園網(wǎng)覆蓋的地方均能進(jìn)行控制并看到圖像。

（2）運(yùn)用51單片機(jī)控制LN298電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，用超聲波模塊實(shí)現(xiàn)距離測(cè)量和避障功能，用紅外對(duì)管模塊實(shí)現(xiàn)黑線循跡功能。

（3）手機(jī)或電腦（平板）通過(guò)wifi連接上樹(shù)莓派，登錄寫(xiě)好的網(wǎng)頁(yè)給樹(shù)莓派發(fā)送信號(hào)，樹(shù)莓派向51單片機(jī)對(duì)應(yīng)的引腳發(fā)送高電平進(jìn)行模式切換、手動(dòng)方向控制。同時(shí)，小車(chē)上搭載的攝像頭也可以通過(guò)手機(jī)平板等發(fā)射的信號(hào)來(lái)進(jìn)行攝像角度的調(diào)整。

3 開(kāi)發(fā)環(huán)境

3.1 操作系統(tǒng)

Windows7

3.2 軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境

Keil uVision4 程序開(kāi)發(fā)，APACHE，PHP，Python，STC-ISP 燒錄軟件

4 模式切換

用兩個(gè)信號(hào)MODE1和MODE2將樹(shù)莓派和單片機(jī)相連，當(dāng)其為00時(shí)，小車(chē)停止運(yùn)動(dòng)，當(dāng)其為01時(shí)，切換至紅外循跡模式，當(dāng)其為10時(shí)，切換為超聲波避障模式，當(dāng)其為11時(shí)，切換為手動(dòng)控制模式。

5 紅外模塊

具體實(shí)現(xiàn)如下：

（1）定時(shí)器中斷產(chǎn)生pwm波。程序見(jiàn)附錄1，con_left和con_right為自增變量，當(dāng)變量小于控制值speed_l和speed_r時(shí)自增，使輸出為1，大于這一值時(shí)也自增，使輸出為零，當(dāng)自增變量大于100時(shí)使其清零，通過(guò)產(chǎn)生這樣的方波控制輸出的有效電壓，從而控制電機(jī)的速度。

（2）差速調(diào)節(jié)小車(chē)的方向。將4路循跡的紅外對(duì)管接收情況分為8種，第一類(lèi)為1111，表示紅外對(duì)管在黑線正中央，直行。第二類(lèi)為1000，1100，0100三種情況，在這種情況下小車(chē)進(jìn)行左轉(zhuǎn)矯正軌跡，運(yùn)用不同的差速50-0，70-0，100-（-100）來(lái)進(jìn)行角度調(diào)整。第三類(lèi)為0001，0011，0010，這三種情況類(lèi)似第二種，將小車(chē)進(jìn)行右轉(zhuǎn)校正。第四類(lèi)為其他情況，在這種情況下，下車(chē)慢速前行，以避免撞上障礙物。

（3）兩個(gè)反饋調(diào)節(jié)角度的轉(zhuǎn)動(dòng)。在0001或1000這種情況下，由于這種情況偏差屬于最極端情況，為了使小車(chē)不偏出軌道，對(duì)小車(chē)進(jìn)行了最極端的角度調(diào)整，但是這類(lèi)調(diào)整會(huì)使小車(chē)的行駛出現(xiàn)卡頓，因此這種情況的調(diào)節(jié)時(shí)間應(yīng)該適中，不能太多或太少。

因此在程序中將實(shí)時(shí)情況與0010和0100相比較，直到回到想要的狀態(tài)時(shí)，再進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)。同時(shí)為了避免出現(xiàn)一直處于這個(gè)狀態(tài)的情況，設(shè)立了一個(gè)自增變量flag，當(dāng)flag大于某一值時(shí)跳出循壞。避免出現(xiàn)由于小車(chē)突然沖出跑道或發(fā)生意外，導(dǎo)致陷入這個(gè)死循環(huán)之中。

第二個(gè)反饋：當(dāng)沒(méi)有模式切換的時(shí)候，能夠?qū)崟r(shí)對(duì)紅外對(duì)管進(jìn)行判斷，使其能夠?qū)诰€的位置能夠?qū)崟r(shí)判斷。

6 供電解決方案

由于我們需要給單片機(jī)，樹(shù)莓派，舵機(jī)，攝像頭，L298N，紅外對(duì)管模塊，超聲波模塊供電，我們采用的是6節(jié)ENELOOP充電電池供電，輸出至L298N模塊。

由于樹(shù)莓派無(wú)法用干電池供電，因此用一個(gè)5V輸出的移動(dòng)電源給樹(shù)莓派供電，將其余模塊用L298N的5V輸出供電，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)，這種方案是可行的。

7 中斷沖突解決方案

因?yàn)橥榫帉?xiě)的超聲波避障程序和我的程序架構(gòu)不一樣，改起來(lái)比較麻煩。特別是由于超聲波避障以及紅外循跡均用到了PWM波，因此可以用一個(gè)中斷來(lái)產(chǎn)生PWM波，但是后來(lái)由于這樣出了bug，因此我們將超聲波避障的中斷與紅外循跡的中斷分開(kāi)來(lái)，分別用timer0和timer1來(lái)產(chǎn)生不同的PWM波。在模式切換的時(shí)候開(kāi)啟要用的那個(gè)定時(shí)器，關(guān)閉不用的那個(gè)定時(shí)器，就可以達(dá)到預(yù)期的效果。

8 項(xiàng)目總結(jié)與建議

本次智能防盜小車(chē)設(shè)計(jì)，是將一些簡(jiǎn)單的模電，數(shù)電知識(shí)應(yīng)用到實(shí)際的成果。

這個(gè)設(shè)計(jì)更像是一門(mén)將不同模塊組合到一起的實(shí)驗(yàn)，在淘寶或是其他的網(wǎng)站上大多有一些現(xiàn)成的模塊，如紅外，超聲波，藍(lán)牙等模塊，甚至也有很多成品。但是自己動(dòng)手可以得到更多的鍛煉。這次設(shè)計(jì)更重要的是鍛煉我們的組合能力。很多51單片機(jī)編程的知識(shí)，包括各種模塊都是將現(xiàn)成的I/O口加以調(diào)用即可，但是卻并沒(méi)有涉及到自己設(shè)計(jì)電路，焊板子之類(lèi)的工作，這既節(jié)省了我們的時(shí)間，也減少了我們的成本。

由于我們小組走的方向是比較明確而清晰的，沒(méi)有花太多時(shí)間在物理建模上。我負(fù)責(zé)了紅外模塊的編寫(xiě)，程序的整合以及最后加入了手動(dòng)控制這一選項(xiàng)。由于模塊的功能比較清晰，我們并沒(méi)有遇到諸如此類(lèi)的棘手的物理問(wèn)題：要用什么方式夾起東西？在什么條件下做什么？現(xiàn)在回頭看來(lái)，功能不是很強(qiáng)大，但也遇到了一些包括供電沖突，程序整合，中斷沖突，怎么引入反饋之類(lèi)的一些問(wèn)題。因此也感到有了很多收獲。

其實(shí)很多DIY的東西在網(wǎng)上都已經(jīng)被人做過(guò)了，想再找出一些有創(chuàng)意的東西是十分困難的。包括我們做的各種模塊，在網(wǎng)上大多有現(xiàn)成的代碼。但是我們堅(jiān)持自己編寫(xiě)這些代碼，希望能夠在編寫(xiě)代碼的過(guò)程中能夠收獲一些基本的知識(shí)，鍛煉一些調(diào)整bug的基本能力。雖然最后做出來(lái)的成果和一開(kāi)始設(shè)想的還是有比較大的差距，但還是很欣慰自己能夠做出來(lái)一個(gè)能夠基本實(shí)現(xiàn)功能的小車(chē)。

參考文獻(xiàn)

[1] 郭天祥.51單片機(jī)C語(yǔ)言教程——入門(mén)、提高、開(kāi)發(fā)、拓展全攻略.電子工業(yè)出版社，2009.