嵌入式系統(tǒng)寵物引導車設(shè)計和市場分析

秦興琳　蔣焜　葉一陽　鄭桂鋒

摘要：物聯(lián)網(wǎng)的提出和使用讓人與物有效通信，滿足快節(jié)奏生活、不能外出陪同寵物的要求，解決寵物管控不嚴，擾亂社會秩序安全[9]的問題，設(shè)計出一個物聯(lián)網(wǎng)時代能引導寵物外出，基于北斗滿足主人實時監(jiān)控寵物，4G、5G大背景下無線控制及圖像識別，使之規(guī)定路線移動的智能寵物引導車。對超聲波和紅外組合避障、主人原聲安撫和傳感器DSP技術(shù)等方面單獨研究，設(shè)計出較傳統(tǒng)單一形式更為精確合理化的方案。

關(guān)鍵詞：5G;物聯(lián)網(wǎng);北斗;傳感器;寵物引導

中圖分類號：TD302? ? ?文獻標識碼： A

文章編號：1009-3044（2021）04-0237-03

Abstract： The proposal and use of the Internet of things enable people to communicate with things effectively， meeting the requirements of fast-paced life and can not going out to accompany pets， and solve the problem that pets are not strictly controlled so that disturbing the socials safety. In the era of Internet of things， the pet can be guided to go out. Based on Beidou， the owner can monitor the pet in real time. The wireless control and image recognition under the background of 4G and 5g are designed to specify the route about Mobile intelligent pet guiding car. Under the ultrasonic and infrared combination obstacle avoidance， the host acoustic comfort and sensor DSP technology being studied separately， a more accurate and reasonable scheme is designed than the traditional single form.

Key words： 5g; Internet of thing; Beidou; Sensorpet guiding

1 概述

目前，中國北斗系統(tǒng)，具備動態(tài)分米級、靜態(tài)厘米級的精密定位服務(wù)能力;5G低延時的特性加快通信，使定位信息和攝影圖像傳送速度和精確性都有大幅度的提高，嵌入式開發(fā)5G模塊很快就會普及，5G的高速率、低延遲通信，將會使得寵物引導車更加智能的服務(wù)于主人和寵物。

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實現(xiàn)對物品的智能化定位、跟蹤、監(jiān)控和管理，在互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上實現(xiàn)人物相連。機器人、語言識別、圖像識別和自然語言處理等人工智能的大范圍普及[2]。實現(xiàn)“app客戶端+云平臺+智能機器”，在物聯(lián)網(wǎng)大背景下實現(xiàn)讓寵物可以按照命令和需求移動。

本文研究并完善了引導車的應(yīng)用性，無論身在何方，只要一部手機，可以隨時管理和監(jiān)控寵物的情況，具有普適性和前瞻性。

2 系統(tǒng)設(shè)計

尋求新的設(shè)計模式，通過功能車的傳感器、小應(yīng)用、無線傳輸這些完整的小生態(tài)，建立“app客戶端+云平臺+智能機器”一體化系統(tǒng)，解決寵物外出的生理需求難題。

2.1 避障測距設(shè)計

超聲波傳感器受環(huán)境影響小，但波束發(fā)散嚴重，距障礙物較遠時，方向定位精度較差;紅外線反應(yīng)速度快，且光束發(fā)散小，但對于近似黑體的物體無法檢測距離;激光技術(shù)，用于獲得數(shù)據(jù)并生成精確的DEM（數(shù)字高程模型），測距精度可達厘米級，但價格昂貴，必要性不大[4]。

此系統(tǒng)采用超聲波和紅外結(jié)合對周圍環(huán)境進行距離的測控，紅外與超聲波結(jié)合相對于單一超聲波傳感器，其定向精度有了很大的提高。而且，采用反應(yīng)速度更快的光感應(yīng)紅外線傳感器（如光導紅外傳感器，其響應(yīng)時間達到了微秒級）來消除超聲波傳感器盲區(qū)，提高系統(tǒng)的整體性能[3]。如圖1，傳感器發(fā)出和接收超聲波和紅外線，遇到障礙物產(chǎn)生回波信號，傳感器接收到信號后，經(jīng)控制器進行數(shù)據(jù)處理，判斷出車體與障礙物之間的距離。

對于測距功能，本系統(tǒng)擬使用CD4051電路和超聲波接收芯片CX20106實現(xiàn)超聲波的發(fā)射與接收。[5][6]

2.2語音播報設(shè)計

通過壓力傳感器采集繩端壓力數(shù)據(jù)信息，傳入單片機內(nèi)，對傳感器不通模擬量的輸入通過模式識別算法，得到不同的音頻輸出。壓力傳感器狀態(tài)控制單片機，不同壓力輸出不同模擬或數(shù)字信號，單片機做AD檢測。

以便在寵物失控或者突發(fā)情況發(fā)生時能夠起到警示作用控制音頻的播放，壓力傳感器傳回數(shù)據(jù)的處理通過單片機來控制繼電器作為音頻的開關(guān)，實現(xiàn)上述功能。加入語音控制模塊實現(xiàn)智能化的人機交互，使得人語言命令后能夠得到音頻反饋。

2.3定位設(shè)計

定位模塊，比如中國北斗系統(tǒng)的泰斗的N303-3，接收衛(wèi)星信號，將接收到的信息通過串口通信方式發(fā)送到單片機中，單片機處理采集到的數(shù)據(jù)。定位系統(tǒng)，一方面，幫助定位出自身的具體方位，如圖2所示;另一方面，規(guī)劃遛狗機器人到達目的地的最佳路線。

中國北斗系統(tǒng)，其超高追蹤靈敏度大大擴大了其定位的覆蓋面，包含普通GPS接收模塊不能定位的地方。小體積、高集成等特性使其非常適用于便攜式設(shè)備像導航儀，手機、相機和車輛導航系統(tǒng)。

利用差分GPS（DGPS）技術(shù)，接收機收到該修正數(shù)后，與自身的觀測值進行比較，消去大部分誤差，得到一個比較準確的位置。

3 算法處理

3.1 5G通信

在5G加速發(fā)展的大背景下，傳統(tǒng)媒體許多功能都可能被物聯(lián)網(wǎng)、云技術(shù)替代，媒體融合將是大勢所趨，新技術(shù)的發(fā)展，將會深遠地影響新的業(yè)態(tài)形成。[7]

如圖3所示，5G的開發(fā)使BBU功能拆分，核心網(wǎng)下沉，延時度降低，這些為手機端遠程控制總體移動路線提供了基礎(chǔ)，主人、客戶端、智能牽引機器人、寵物的聯(lián)系捆綁，實現(xiàn)讓寵物可以按照命令和需求移動。[1]

3.2 路徑規(guī)劃

在開發(fā)Android APP的過程中，APP會將目的地設(shè)置于對應(yīng)的控件，路徑規(guī)劃功能調(diào)用百度地圖路徑規(guī)劃端口，當需要使用此功能時，通過實例化一個路線規(guī)劃對象，之后將起點與目的地存放于節(jié)點中，并調(diào)用對象下的路徑規(guī)劃算法進行規(guī)劃，然而，調(diào)用算法得出的路線是不能直接在地圖中顯示的，我們需要將結(jié)果的路線轉(zhuǎn)化成一段一段的線段，再取得線段上的端點，通過將路線切分成線段，再將線段端點得出，依次連接，即得出路徑規(guī)劃的路線圖。其過程如圖4所示。

4 應(yīng)用前景

室外牽引陪同的智能系統(tǒng)還沒有被廣泛應(yīng)用，室內(nèi)逗寵裝置發(fā)展較為完善，但其功能對寵物的限制較大。針對問題，實現(xiàn)戶外情況下對寵物的穩(wěn)定引導控制，尋求新的設(shè)計模式，通過大功能車的傳感器、小應(yīng)用、無線傳輸這些完整的小生態(tài)，然后通過無線通信進行相應(yīng)的大數(shù)據(jù)采集以及云端應(yīng)用，基于低功耗廣域網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng)，加強主人和寵物之間的聯(lián)系，即可解決戶外無人無線控制寵物問題。

寵物市場滲透率較低，但呈逐年上升趨勢，未來有較大的拓展空間。同時隨著國內(nèi)寵物行業(yè)的成熟，也將持續(xù)刺激寵物用品市場的繁榮。因而本公司的銷售對象具有普適性和銷售項目具有前瞻性。

5 結(jié)語

本文提出寵物外出智能化的設(shè)計理念，分析其國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，結(jié)合寵物的生理需求和飼養(yǎng)者的心理需求特點，探索安全性和適用性、關(guān)注人文情懷的智能化設(shè)計原則，以及模塊化和重新組合、多功能、替換與升級等，解決寵物身邊無人的情況下，將如何解決外出移動問題。同時還考慮了使用者群體特征，滿足低成本的需求。

參考文獻：

[1] 尹斌.5G+云采編技術(shù)在全國兩會報道中的應(yīng)用實踐[J].廣播電視網(wǎng)絡(luò)，2020，27（7）：24-26.

[2] Getac; Leading German Car Manufacturer Chooses Getac for Worldwide Provision of Rugged Mobile Devices and Solutions，2020.

[3] 王超.室內(nèi)全向移動機器人系統(tǒng)設(shè)計及導航方法研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學，2017.

[4] 曾德全，余卓平，熊璐，付志強，張培志.結(jié)構(gòu)化道路下基于層次分析法的智能車避障軌跡規(guī)劃[J].華南理工大學學報（自然科學版），2020，48（7）：65-75.

[5] 孫宇鳳.基于超聲波傳感器測距系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研究[D].西安：西安電子科技大學，2019.

[6] 袁新娜，余紅英.超聲波傳感器在智能小車避障系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].綿陽師范學院學報，2009，28（8）：39-42.

[7] 劉長濤.廣電5G的發(fā)展探討[J].廣播電視網(wǎng)絡(luò)，2020，27（7）：27-28.

[8] Mallika I L，RatnamDV，RamanS，etal.Machine learning algorithm to forecast ionospheric time delays using Global Navigation satellite system observations[J].Acta Astronautica，2020，173：221-231.

[9] 簡凌宇.對于城市公共服務(wù)中寵物管理制度的思考——以上海市閔行區(qū)犬類管理為例[J].社會與公益，2019（8）：9-12.

【通聯(lián)編輯：梁書】