一種城市安全防護機器人

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)生時能夠及時處理。傳統(tǒng)式城市安防監(jiān)控系統(tǒng)采用定點式煙霧報警器或攝像頭，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)越來越龐大，城市內(nèi)市民的活動日趨復(fù)雜，傳統(tǒng)的定點式安裝存在監(jiān)控死角，已經(jīng)不能滿足當(dāng)代社會的安防需求。所以需要投放巡防機器人做安保工作，既節(jié)省人力又節(jié)省財力。因此，人們也在想方設(shè)法設(shè)計一種智能的巡防機器人用于實際巡防工作中。

現(xiàn)今機器人產(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前景。隨著我國制造業(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)今時代的信息化，智能化控制要求且保證城市安全的機械設(shè)備尤為重要。本文設(shè)計的一種城市安全防護機器人對未來城市智能化有著很大的意義和價值。

1 總體設(shè)計

城市安全防護機器人系統(tǒng)由機器人運動部分、電腦監(jiān)控控制部分、手機數(shù)據(jù)監(jiān)控部分3 部分組成。首先3個部分需在同一網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，由機器人運動部分搭載的樹莓派建立服務(wù)器，完成物聯(lián)網(wǎng)的主服務(wù)器端，電腦端及手機端以客戶端的形式連接服務(wù)器，進行數(shù)據(jù)交互。機器人運動部分負責(zé)公共場所的移動檢測，同時具有激光雷達避障功能，將采集的煙霧數(shù)據(jù)信息和圖像信息返回給電腦監(jiān)控端及手機端；電腦端顯示機器人回傳的數(shù)據(jù)及對機器人的遠程控制；手機端可完成便攜式的移動監(jiān)控，該機器人具有視頻監(jiān)控、煙霧檢測、事故報警、人臉識別、遠程控制等功能，可對復(fù)雜的監(jiān)控死角進行巡視，彌補了傳統(tǒng)安防系統(tǒng)的不足，進一步確保了市民和財產(chǎn)的安全。

圖1 城市安全防護機器人總體設(shè)計框圖

2 硬件設(shè)計

機器人巡防部分安裝有負責(zé)機器人定位的GPS 定位模塊、激光雷達模塊；負責(zé)數(shù)據(jù)及圖像傳輸?shù)?a class="contentlabel" href="http://m.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/樹莓派">樹莓派；負責(zé)檢測的煙霧模塊及報警器；電腦端與機器人通過 WIFI 的局域網(wǎng)TCP 協(xié)議進行通信，可將機器人采集到的數(shù)據(jù)傳輸給電腦端，電腦端也可以根據(jù)圖傳傳回的圖像對機器人進行遠程控制，手機端也可進行數(shù)據(jù)查看。系統(tǒng)硬件如圖2 所示。

圖2 城市安全防護機器人硬件結(jié)構(gòu)圖

2.1 GPS定位模塊

車體定位主要由GPS 定位模塊實現(xiàn)。模塊采用GPS，北斗雙模衛(wèi)星定位的ATGM332D，跟蹤靈敏度度達-162 dBm，定位精度達2.5 m，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。

圖3 GPS定位模塊返回數(shù)據(jù)格式

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)前定位點位于北半球，“12439.01275”代表經(jīng)度信息，“E”代表當(dāng)前定位點位于東半球，“024401”代表UTC 時間，“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)進行解算：緯度：N 4257.29860 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″此時的機器人位置位于北緯：42°57′17.916″ ，東經(jīng)：124°39′0.765″。

2.2 激光雷達模塊

激光雷達模塊采用思嵐RPLIDAR A1 型，8000 次/s為機器人掃描周圍的障礙物，從而完成機器人的路徑規(guī)劃，激光雷達的通信采用報文模式，處理芯片須向激光雷達模塊發(fā)送請求報文后建立通信協(xié)議。根據(jù)實際測量激光雷達返回數(shù)據(jù)量龐大，如果將激光雷達數(shù)據(jù)交由機器人主控芯片處理，可能會影響路徑規(guī)劃等進程的速度?？紤]到機器人靈敏度，所以采用STM32F103 芯片專門負責(zé)激光雷達的數(shù)據(jù)采集工作，圖4 為STM32F103 的電路原理圖。

圖4 STM32最小系統(tǒng)原理圖

激光雷達連接STM32 的串口通過UART 串口通信完成報文的傳輸。根據(jù)激光雷達數(shù)據(jù)字節(jié)偏移格式進行解算，定義計數(shù)變量cNum，數(shù)據(jù)存儲數(shù)組cData[]。利用S 位與S 位進行異或再與校驗位C 進行與運算，判斷數(shù)據(jù)是否為報頭，如果判斷報頭成立，則進行角度與位置解算，保存角度、距離數(shù)據(jù)，完成激光雷達的數(shù)據(jù)獲取。

2.3 煙霧傳感器模塊

機器人安裝有煙霧傳感器，光強傳感器負責(zé)火焰煙霧的檢測，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)檢測到可燃氣時，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中的可燃氣濃度的增大而增大，本設(shè)計中采用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。

圖5 數(shù)據(jù)采集電路連接圖

2.4 樹莓派及攝像頭模塊

該機器人需要進行人機數(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)及對機器人的控制指令由WIFI 模塊傳輸、機器人的圖像信息由圖傳傳回電腦控制端，但由于圖傳信號容易受到干擾，實際工作效果并不能滿足后期的圖像質(zhì)量，故采用WIFI、圖像與一體的樹莓派作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)妮d體。Raspberry Pi（樹莓派）工作環(huán)境基于Linux。本設(shè)計樹莓派選用3B+ 版本，CPU 為64 位1.4 GHz 四核，WIFI網(wǎng)絡(luò)采用802.11AC 無線，支持2.4 GHz 與5 GHz 雙頻，采用串口通信方式與機器人底盤的主控芯片相連接。圖像傳輸由Motion 運動檢測實現(xiàn)，可對圖像中的運動目標(biāo)定位追蹤。

在進行物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)時，首先在樹莓派建立一個TCP服務(wù)器進行局域網(wǎng)組網(wǎng)，這樣在公共場所中保證與樹莓派連接相同的網(wǎng)絡(luò)就能通過TCP 協(xié)議與樹莓派進行數(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，根據(jù)樹莓派顯示頁面提供的IP 地址建立連接，這樣在此局域網(wǎng)內(nèi)的客戶端均可與樹莓派進行數(shù)據(jù)交互。

為滿足機器人夜間的巡視要求，攝像頭模塊采用樹莓派夜視攝像頭，在攝像頭的兩側(cè)各配有紅外補光燈，在夜間工作時，紅外燈向外發(fā)射紅外線，遇到物體或者人體時進行漫反射，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，攝像頭的紅外補光燈可拆卸，保證不同環(huán)境的需求。

3 軟件設(shè)計

3.1 電腦客戶端設(shè)計

電腦客戶端采用Pyqt5 編程語言實現(xiàn)顯示頁面。具有機器人視頻監(jiān)控、遠程控制、煙霧數(shù)據(jù)監(jiān)測、定位顯示、及報警等功能。

視頻監(jiān)控控制頁面可將樹莓派傳回的圖像顯示出來，具有人臉檢測功能，可對視頻中的人臉進行定位，同時將面部信息上傳百度智能云，對所有人臉進行統(tǒng)計歸檔，完成城市公共場所的人員監(jiān)控，同時具有圖片抓拍功能，當(dāng)圖像中出現(xiàn)意外情況，可及時抓拍取證。數(shù)據(jù)監(jiān)控頁面主要是對機器人傳回的煙霧值進行顯示，并繪制煙霧值的變化曲線。當(dāng)煙霧值超過設(shè)定值時報警指示燈會變成紅色，并發(fā)送手機報警信息，由安全管理部門當(dāng)即了解情況，規(guī)劃決策措施，以保證財產(chǎn)安全。

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

定位頁面通過調(diào)用百度的靜態(tài)地圖 API 完成定位，實時根據(jù)經(jīng)緯度確定機器人的所在位置。如圖6 為機器人位置顯示，藍色代表機器人當(dāng)前位置。百度地圖靜態(tài)圖API，可實現(xiàn)把百度地圖以圖片形式發(fā)送回來，在圖片控件中進行顯示，自需發(fā)送HTTP 請求，就可獲取位置信息。

圖6 北斗定位電腦端顯示頁面

3.2 手機客戶端設(shè)計

手機客戶端由 APP Inventor 編程完成，啟動時輸入機器人的 IP 地址，可對機器人的圖像信息及煙霧情況進行觀測。

3.3 樹莓派顯示頁面設(shè)計

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

4 結(jié)束語

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

圖7 樹莓派顯示頁面

本設(shè)計成功實現(xiàn)機器人的遠程控制，圖像傳輸，煙霧值傳輸，火焰報警等功能。通過電腦上位機遙控機器人運動，實時顯示煙霧變化情況，定位機器人，同時可對返回的圖像進行人臉檢測，信息存入百度智能云端，監(jiān)控公共場所人員流動情況，有靈活性強，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，對城市的公共安全監(jiān)控具有重要意義。

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（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年12月期）