一種城市安全防護(hù)機(jī)器人

高南 楊子熠 柯政宇

摘要：針對(duì)城市安全問(wèn)題，提出了一種城市安全防護(hù)機(jī)器人，該系統(tǒng)可結(jié)合激光雷達(dá)進(jìn)行路徑規(guī)劃，通過(guò)傳感器將機(jī)器人所巡防位置的煙霧情況，火焰情況，經(jīng)緯度，圖像等數(shù)據(jù)信息實(shí)時(shí)傳輸給電腦控制端。管理者既可根據(jù)圖像對(duì)機(jī)器人進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，也可根據(jù)數(shù)據(jù)信息對(duì)意外事故進(jìn)行及時(shí)處理。同時(shí)該機(jī)器人具有報(bào)警功能，當(dāng)監(jiān)測(cè)煙霧值超過(guò)設(shè)定值時(shí)，會(huì)同時(shí)向電腦端和手機(jī)端發(fā)送報(bào)警信息，并啟動(dòng)報(bào)警器。該機(jī)器人能第一時(shí)間定位事故現(xiàn)場(chǎng)，保證公共場(chǎng)所的安全。

關(guān)鍵詞：城市安全；物聯(lián)網(wǎng)；樹(shù)莓派；激光雷達(dá)

0引言

為保證城市安全，城市中各處都安裝著網(wǎng)絡(luò)攝像頭，以此保證意外情況發(fā)生時(shí)能夠及時(shí)處理。傳統(tǒng)式城市安防監(jiān)控系統(tǒng)采用定點(diǎn)式煙霧報(bào)警器或攝像頭，監(jiān)控方式較為固定統(tǒng)一且靈活性不高。隨著城市交通網(wǎng)越來(lái)越龐大，城市內(nèi)市民的活動(dòng)日趨復(fù)雜，傳統(tǒng)的定點(diǎn)式安裝存在監(jiān)控死角，已經(jīng)不能滿足當(dāng)代社會(huì)的安防需求。所以需要投放巡防機(jī)器人做安保工作，既節(jié)省人力又節(jié)省財(cái)力。因此，人們也在想方設(shè)法設(shè)計(jì)一種智能的巡防機(jī)器人用于實(shí)際巡防工作中。

現(xiàn)今機(jī)器人產(chǎn)品廣泛用于科技領(lǐng)域，并以驚人的速度用于各個(gè)領(lǐng)域，例如工業(yè)、農(nóng)業(yè)、服務(wù)業(yè)和軍事，具有非常廣闊的市場(chǎng)前景。隨著我國(guó)制造業(yè)快速發(fā)展，城市安全成為人們關(guān)注的話題，投入一種能滿足當(dāng)今時(shí)代的信息化，智能化控制要求且保證城市安全的機(jī)械設(shè)備尤為重要。本文設(shè)計(jì)的一種城市安全防護(hù)機(jī)器人對(duì)未來(lái)城市智能化有著很大的意義和價(jià)值。

1總體設(shè)計(jì)

城市安全防護(hù)機(jī)器人系統(tǒng)由機(jī)器人運(yùn)動(dòng)部分、電腦監(jiān)控控制部分、手機(jī)數(shù)據(jù)監(jiān)控部分3部分組成。首先3個(gè)部分需在同一網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，由機(jī)器人運(yùn)動(dòng)部分搭載的樹(shù)莓派建立服務(wù)器，完成物聯(lián)網(wǎng)的主服務(wù)器端，電腦端及手機(jī)端以客戶端的形式連接服務(wù)器，進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。機(jī)器人運(yùn)動(dòng)部分負(fù)責(zé)公共場(chǎng)所的移動(dòng)檢測(cè)，同時(shí)具有激光雷達(dá)避障功能，將采集的煙霧數(shù)據(jù)信息和圖像信息返回給電腦監(jiān)控端及手機(jī)端；電腦端顯示機(jī)器人回傳的數(shù)據(jù)及對(duì)機(jī)器人的遠(yuǎn)程控制；手機(jī)端可完成便攜式的移動(dòng)監(jiān)控，該機(jī)器人具有視頻監(jiān)控、煙霧檢測(cè)、事故報(bào)警、人臉識(shí)別、遠(yuǎn)程控制等功能，可對(duì)復(fù)雜的監(jiān)控死角進(jìn)行巡視，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)安防系統(tǒng)的不足，進(jìn)一步確保了市民和財(cái)產(chǎn)的安全。

2硬件設(shè)計(jì)

機(jī)器人巡防部分安裝有負(fù)責(zé)機(jī)器人定位的GPS定位模塊、激光雷達(dá)模塊；負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)及圖像傳輸?shù)臉?shù)莓派；負(fù)責(zé)檢測(cè)的煙霧模塊及報(bào)警器；電腦端與機(jī)器人通過(guò)WIFI的局域網(wǎng)TCP協(xié)議進(jìn)行通信，可將機(jī)器人采集到的數(shù)據(jù)傳輸給電腦端，電腦端也可以根據(jù)圖傳傳回的圖像對(duì)機(jī)器人進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，手機(jī)端也可進(jìn)行數(shù)據(jù)查看。系統(tǒng)硬件如圖2所示。

2.1GPS定位模塊

車體定位主要由GPS定位模塊實(shí)現(xiàn)。模塊采用GPS，北斗雙模衛(wèi)星定位的ATGM332D，跟蹤靈敏度度達(dá) -162dBm，定位精度達(dá) 2.5m，采用UART作為輸出通道，按照NMEA0183 協(xié)議格式輸出。GPS定位模塊數(shù)據(jù)輸出如下。

在GPS定位模塊返回的數(shù)據(jù)中：“$”為 1 幀數(shù)據(jù)的起始位，“GNGLL”代表數(shù)據(jù)為大地坐標(biāo)信息，“4257.29860”代表緯度信息，“N”代表當(dāng)前定位點(diǎn)位于北半球，“12439.01275”代表經(jīng)度信息，“E”代表當(dāng)前定位點(diǎn)位于東半球，“024401”代表UTC時(shí)間，“A”代表當(dāng)前數(shù)據(jù)為有效定位，根據(jù)返回的數(shù)據(jù)進(jìn)行解算：緯度：N4257.29860 精度E12439.01275

緯度=4257.29860/100 42=°，4257.29860%/100=57′，0.29860×60=17.916″

經(jīng)度=12439.01275/100 124=°，12439.01275%100=39′，0.01275×60=″ 0.765

此時(shí)的機(jī)器人位置位于北緯：42°57′17.916″，東經(jīng)：124 9 °3 ′0.765″。

2.2激光雷達(dá)模塊

激光雷達(dá)模塊采用思嵐RPLIDARA1 型，8000 次/s為機(jī)器人掃描周圍的障礙物，從而完成機(jī)器人的路徑規(guī)劃，激光雷達(dá)的通信采用報(bào)文模式，處理芯片須向激光雷達(dá)模塊發(fā)送請(qǐng)求報(bào)文后建立通信協(xié)議。根據(jù)實(shí)際測(cè)量激光雷達(dá)返回?cái)?shù)據(jù)量龐大，如果將激光雷達(dá)數(shù)據(jù)交由機(jī)器人主控芯片處理，可能會(huì)影響路徑規(guī)劃等進(jìn)程的速度。考慮到機(jī)器人靈敏度，所以采用STM32F103 芯片專門(mén)負(fù)責(zé)激光雷達(dá)的數(shù)據(jù)采集工作，圖 4 為STM32F103 的電路原理圖。

激光雷達(dá)連接STM32 的串口通過(guò)UART串口通信完成報(bào)文的傳輸。根據(jù)激光雷達(dá)數(shù)據(jù)字節(jié)偏移格式進(jìn)行解算，定義計(jì)數(shù)變量cNum，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)數(shù)組cData[]。利用S位與S位進(jìn)行異或再與校驗(yàn)位C進(jìn)行與運(yùn)算，判斷數(shù)據(jù)是否為報(bào)頭，如果判斷報(bào)頭成立，則進(jìn)行角度與位置解算，保存角度、距離數(shù)據(jù)，完成激光雷達(dá)的數(shù)據(jù)獲取。

2.3煙霧傳感器模塊

機(jī)器人安裝有煙霧傳感器，光強(qiáng)傳感器負(fù)責(zé)火焰煙霧的檢測(cè)，以防發(fā)生火災(zāi)情況；煙霧傳感器選用MQ-2煙霧氣敏傳感器模塊，采用是在清潔空氣中電導(dǎo)率較低的二氧化錫，當(dāng)檢測(cè)到可燃?xì)鈺r(shí)，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中的可燃?xì)鉂舛鹊脑龃蠖龃螅驹O(shè)計(jì)中采用Arduino為數(shù)據(jù)采集芯片，Arduino芯片內(nèi)部集成了AD轉(zhuǎn)換模塊，可采集傳感器的模擬量輸出，數(shù)據(jù)采集連接電路圖如圖5所示。

2.4樹(shù)莓派及攝像頭模塊

該機(jī)器人需要進(jìn)行人機(jī)數(shù)據(jù)交互，依據(jù)現(xiàn)有的相關(guān)模塊，可采用WIFI模塊和圖傳攝像頭，煙霧采集數(shù)據(jù)及對(duì)機(jī)器人的控制指令由WIFI模塊傳輸、機(jī)器人的圖像信息由圖傳傳回電腦控制端，但由于圖傳信號(hào)容易受到干擾，實(shí)際工作效果并不能滿足后期的圖像質(zhì)量，故采用WIFI、圖像與一體的樹(shù)莓派作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)妮d體。RaspberryPi（樹(shù)莓派）工作環(huán)境基于Linux。本設(shè)計(jì)樹(shù)

莓派選用3B+版本，CPU為64位1.4GHz四核，WIFI網(wǎng)絡(luò)采用802.11AC無(wú)線，支持2.4GHz與5GHz雙頻，采用串口通信方式與機(jī)器人底盤(pán)的主控芯片相連接。圖像傳輸由Motion運(yùn)動(dòng)檢測(cè)實(shí)現(xiàn)，可對(duì)圖像中的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)定位追蹤。

在進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)時(shí)，首先在樹(shù)莓派建立一個(gè)TCP服務(wù)器進(jìn)行局域網(wǎng)組網(wǎng)，這樣在公共場(chǎng)所中保證與樹(shù)莓派連接相同的網(wǎng)絡(luò)就能通過(guò)TCP協(xié)議與樹(shù)莓派進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，Motion采用8081視頻端口，為了連接方便，數(shù)據(jù)端口我們采用8082號(hào)，根據(jù)樹(shù)莓派顯示頁(yè)面提供的IP地址建立連接，這樣在此局域網(wǎng)內(nèi)的客戶端均可與樹(shù)莓派進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

為滿足機(jī)器人夜間的巡視要求，攝像頭模塊采用樹(shù)莓派夜視攝像頭，在攝像頭的兩側(cè)各配有紅外補(bǔ)光燈，在夜間工作時(shí)，紅外燈向外發(fā)射紅外線，遇到物體或者人體時(shí)進(jìn)行漫反射，將紅外光線返回到攝像頭中，這樣攝像頭就能如同白天一樣采集圖像信息，攝像頭的紅外補(bǔ)光燈可拆卸，保證不同環(huán)境的需求。

3軟件設(shè)計(jì)

3.1電腦客戶端設(shè)計(jì)

電腦客戶端采用Pyqt5編程語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)顯示頁(yè)面。具有機(jī)器人視頻監(jiān)控、遠(yuǎn)程控制、煙霧數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、定位顯示、及報(bào)警等功能。

視頻監(jiān)控控制頁(yè)面可將樹(shù)莓派傳回的圖像顯示出來(lái)，具有人臉檢測(cè)功能，可對(duì)視頻中的人臉進(jìn)行定位，同時(shí)將面部信息上傳百度智能云，對(duì)所有人臉進(jìn)行統(tǒng)計(jì)歸檔，完成城市公共場(chǎng)所的人員監(jiān)控，同時(shí)具有圖片抓拍功能，當(dāng)圖像中出現(xiàn)意外情況，可及時(shí)抓拍取證。

數(shù)據(jù)監(jiān)控頁(yè)面主要是對(duì)機(jī)器人傳回的煙霧值進(jìn)行顯示，并繪制煙霧值的變化曲線。當(dāng)煙霧值超過(guò)設(shè)定值時(shí)報(bào)警指示燈會(huì)變成紅色，并發(fā)送手機(jī)報(bào)警信息，由安全管理部門(mén)當(dāng)即了解情況，規(guī)劃決策措施，以保證財(cái)產(chǎn)安全。

發(fā)送短信機(jī)制采用Twilio云通訊，Twilio是美國(guó)知名的云通訊公司，向用戶提供數(shù)字化或可編程的語(yǔ)音和消息通信服務(wù)，本設(shè)計(jì)中采用Python調(diào)用twilio.rest庫(kù)中的Client完成發(fā)送短信的功能。

定位頁(yè)面通過(guò)調(diào)用百度的靜態(tài)地圖API完成定位，可實(shí)時(shí)根據(jù)經(jīng)緯度確定機(jī)器人的所在位置。如圖6為機(jī)器人位置顯示，藍(lán)色代表機(jī)器人當(dāng)前位置。百度地圖靜態(tài)圖API，可實(shí)現(xiàn)把百度地圖以圖片形式發(fā)送回來(lái)，在圖片控件中進(jìn)行顯示，自需發(fā)送HTTP請(qǐng)求，就可獲取位置信息。

3.2手機(jī)客戶端設(shè)計(jì)

手機(jī)客戶端由APPInventor編程完成，啟動(dòng)時(shí)輸入機(jī)器人的IP地址，可對(duì)機(jī)器人的圖像信息及煙霧情況進(jìn)行觀測(cè)。

3.3樹(shù)莓派顯示頁(yè)面設(shè)計(jì)

樹(shù)莓派顯示頁(yè)面使用python編程完成，可檢測(cè)樹(shù)莓派的端口串口連接情況，調(diào)節(jié)波特率等參數(shù)，快速與底盤(pán)建立連接，同時(shí)可建立TCP服務(wù)器，如圖7所示，此時(shí)樹(shù)莓派的IP地址位192.168.43.155，端口為8082，電腦及手機(jī)端連接此IP就可完成通訊連接。

4 結(jié)束語(yǔ)

現(xiàn)如今城市交通網(wǎng)絡(luò)日趨復(fù)雜，人們的活動(dòng)范圍逐漸擴(kuò)大，必然導(dǎo)致一些不可避免的如火災(zāi)、遇險(xiǎn)等多種危害人身安全及財(cái)產(chǎn)安全的情況。功能單一的定點(diǎn)式監(jiān)控不能實(shí)現(xiàn)即時(shí)的安保工作。

本設(shè)計(jì)成功實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的遠(yuǎn)程控制，圖像傳輸，煙霧值傳輸，火焰報(bào)警等功能。通過(guò)電腦上位機(jī)遙控機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，實(shí)時(shí)顯示煙霧變化情況，定位機(jī)器人，同時(shí)可對(duì)返回的圖像進(jìn)行人臉檢測(cè)，信息存入百度智能云端，監(jiān)控公共場(chǎng)所人員流動(dòng)情況，有靈活性強(qiáng)，應(yīng)用效用高，節(jié)省公共資源與當(dāng)今信息化緊密結(jié)合等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)城市的公共安全監(jiān)控具有重要意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]城市安全物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)與應(yīng)用[J].通信世界，2020（28）：28.

[2]黃佳，楊志坤.基于“北斗+物聯(lián)網(wǎng)”的城市危險(xiǎn)源安全監(jiān)測(cè)體系[C].衛(wèi)星導(dǎo)航定位與北斗系統(tǒng)應(yīng)用2019—北斗服務(wù)全球融合創(chuàng)新應(yīng)用，2019：194-199.

[3]嚴(yán)鵬香.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在城市安全管理領(lǐng)域的應(yīng)用及前景[J].決策探索（中），2019（1）：18.

[4]楊建棟.面向城市生命線管理的物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用[D].北京：北京工業(yè)大學(xué)，2016.

[5]何煥耀.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在城市安全監(jiān)控領(lǐng)域的應(yīng)用研究[J].電子技術(shù)與軟件工程，2016（2）：11-12.

[6]葛雷，秦秀媛.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在城市安全監(jiān)控領(lǐng)域的應(yīng)用研究[J].電子技術(shù)與軟件工程，2013（8）：18.