智能視覺安防巡檢機器人設計

楊青青,韓雪雯,吳千千

(保定學院,河北 保定 071000)

0 引言

如今,我國大部分化工廠及危險品倉庫存儲主要采用定點檢測和人工巡檢這一傳統方式,這種方式存在人員安全難以保證和檢測不全面、不精確等弊端。本設計基于此背景研制了能夠在化工廠進行日常自主安全巡檢和及時報警提醒的智能視覺安防巡檢機器人,代替傳統人工方式,達到了及時、精確的目的,保障了巡檢人員的安全,實現工廠智能化、自動化。

1 系統原理及方法

本產品采用STM32F1 開發板和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 定位等硬件采集設備,主控芯片采集周圍環境信息,并將采集的信息通過ESP8266 無線傳輸模塊上傳到監控臺,進而通過上位機實時顯示并監測工廠的環境參數,實現了越限報警。 智能視覺安防巡檢機器人設計,包括硬件模塊的選型與設計、后臺監測軟件開發與設計[1]。 檢測系統的核心硬件模塊,包括采集模塊、傳輸模塊、監控模塊、控制模塊、GPS 定位、紅外避障、自主循跡模塊、4G 短信報警8 個部分。總體設計,如圖1 所示。

圖1 總體設計

2 系統硬件設計

2.1 系統整體設計

本產品數據采集端采集環境信息、獲取定位以及監控上傳至Arduino MEGA 2560,通過ESP8266 無線傳輸模塊傳輸至上位機,在上位機上進行顯示。 上位機實現了環境信息實時監測、機器運動的遠程控制、監控等功能[2-5]。

2.2 系統詳細硬件設計

本項目硬件核心模塊包括:采集模塊、傳輸模塊、監控模塊、控制模塊、GPS 定位、紅外避障、自主循跡模塊、4G 短信報警模塊8 個部分。

(1) 采集終端:由STM32F1 開發板和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備,實現了對工廠環境參數的實時采集。

(2)傳輸模塊:采用ESP8266 無線傳輸模塊和HC-06 藍牙模塊來進行數據的傳輸。 無線傳輸模塊和藍牙模塊具有低功耗、強力抗干擾、RSSI 信號強度檢測、數據加密等優點。 不僅可以將底層采集的信息傳輸到監控中心,還可以將監控中心的命令下達至底層[6]。

(3)監控模塊:使用舵機控制的視頻傳輸模塊,實時獲取視頻信息并通過無線模塊傳輸至移動終端。 主要作用是進行圖像的采集,可以進行圖像的保存和傳輸。

(4)控制模塊:上位機發送字符給HC-06 藍牙模塊,藍牙模塊接收后發送信號給STM32F1 開發板,開發板最終驅動機器人,讓其運動起來。 包括對機器人的啟動、前進、后退、轉彎、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、小型化的優點。 其極高的追蹤靈敏度大大擴大了定位的覆蓋面,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紅外線發射與接收管,發射管發射出一定頻率的紅外線,當檢測方向遇到障礙物時,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地上的黑線較周圍淺色背景反射率低,通過對機器人前方地面發射光(通常為紅外線),比較接收到的光信號強弱即可知道前進方向與線的差距,從而調整路線。 這樣,在有黑色軌跡的工廠走廊上,裝有光電循跡模塊的機器人就能自己按照軌跡來向前走,從而達到自動導航循跡[8]。

(8)4G 短信報警模塊:短信模塊傳輸距離遠,耐用抗干擾,通信連接主板,啟用后能夠在其他模塊監測信息的同時對數值進行越限報警,以短信的方式發送至管理員手機,實時監測工廠內安全情況。

3 系統軟件設計

3.1 底層驅動功能軟件開發

主程序通過發送指令調用自定義的模塊Front()函數,xunji()函數,fengmingqi()函數,hhnmbdzgq()函數進行實現,以下是具體主程序實現:

在為管理員傳遞信息時用到了重要的報警短信發送程序,調用void sendMeg(int bjms)短信報警程序實現信息的發送傳遞,具體sendMeg(int bjms)程序的實現流程,如圖2 所示。

圖2 短信報警流程

3.2 信息采集功能軟件開發

本項目為了實現對周圍環境做出及時的反饋,主要采用了Arduino MEGA2560 連接各種傳感器,給定正常的數據范圍。 在傳感器檢測到數據后能夠在上位機顯示并做出判斷。 實現小機器人的自動避障功能,主要采用上位機發送字符指令,來控制機器人的運動,機器人還能夠自主循跡來運動。 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 開發了一個App 監控程序,通過對工廠的實時監測,利用硬件設備采集得到了工廠溫度、濕度、二氧化碳,可燃氣體,煙霧光照以及是否漏水等參數,確保工廠處于安全狀態,若發現安全隱患及時監測并報警。 為了實現小車的自動避障功能,主要采用上位機發送字符指令,來控制小車的運動。 該App 連接到硬件主板后獲取數據進行顯示,監聽服務器發來的消息,具體連接服務器代碼如下:

4 結語

本項目是基于 STM32F1 開發板和 Arduino MEGA2560 所做的智能視覺安防巡檢機器人,利用Arduino MEGA2560 連接各種傳感器,使小車具有采集接收數據、判斷數據是否處于正常范圍等功能,可以提前對危險做出反應,能夠大大降低生產安全事故帶來的人員傷亡和財產損失。 自動避障和定位功能,能夠自動巡檢并在檢測到危險信號時發出警報,并且傳送到上位機,使管理人員及時防范。 智能巡檢機器人成本低,便于操作,采集數據精確,可減少人工操作,具備自動避障、短信報警、GPS 定位、自主循跡等功能,從而 實現了生產過程的智能化、信息化管理。