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(zhù)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。傳統式城市安防監控系統采用定點(diǎn)式煙霧報警器或攝像頭，監控方式較為固定統一且靈活性不高。隨著(zhù)城市交通網(wǎng)越來(lái)越龐大，城市內市民的活動(dòng)日趨復雜，傳統的定點(diǎn)式安裝存在監控死角，已經(jīng)不能滿(mǎn)足當代社會(huì )的安防需求。所以需要投放巡防機器人做安保工作，既節省人力又節省財力。因此，人們也在想方設法設計一種智能的巡防機器人用于實(shí)際巡防工作中。

現今機器人產(chǎn)品廣泛用于科技領(lǐng)域，并以驚人的速度用于各個(gè)領(lǐng)域，例如工業(yè)、農業(yè)、服務(wù)業(yè)和軍事，具有非常廣闊的市場(chǎng)前景。隨著(zhù)我國制造業(yè)快速發(fā)展，城市安全成為人們關(guān)注的話(huà)題，投入一種能滿(mǎn)足當今時(shí)代的信息化，智能化控制要求且保證城市安全的機械設備尤為重要。本文設計的一種城市安全防護機器人對未來(lái)城市智能化有著(zhù)很大的意義和價(jià)值。

1 總體設計

城市安全防護機器人系統由機器人運動(dòng)部分、電腦監控控制部分、手機數據監控部分3 部分組成。首先3個(gè)部分需在同一網(wǎng)絡(luò )環(huán)境下，由機器人運動(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，電腦端及手機端以客戶(hù)端的形式連接服務(wù)器，進(jìn)行數據交互。機器人運動(dòng)部分負責公共場(chǎng)所的移動(dòng)檢測，同時(shí)具有激光雷達避障功能，將采集的煙霧數據信息和圖像信息返回給電腦監控端及手機端；電腦端顯示機器人回傳的數據及對機器人的遠程控制；手機端可完成便攜式的移動(dòng)監控，該機器人具有視頻監控、煙霧檢測、事故報警、人臉識別、遠程控制等功能，可對復雜的監控死角進(jìn)行巡視，彌補了傳統安防系統的不足，進(jìn)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計框圖

2 硬件設計

機器人巡防部分安裝有負責機器人定位的GPS 定位模塊、激光雷達模塊；負責數據及圖像傳輸的樹(shù)莓派；負責檢測的煙霧模塊及報警器；電腦端與機器人通過(guò) WIFI 的局域網(wǎng)TCP 協(xié)議進(jìn)行通信，可將機器人采集到的數據傳輸給電腦端，電腦端也可以根據圖傳傳回的圖像對機器人進(jìn)行遠程控制，手機端也可進(jìn)行數據查看。系統硬件如圖2 所示。

圖2 城市安全防護機器人硬件結構圖

2.1 GPS定位模塊

車(chē)體定位主要由GPS 定位模塊實(shí)現。模塊采用GPS，北斗雙模衛星定位的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 定位模塊數據輸出如下。

圖3 GPS定位模塊返回數據格式

在GPS 定位模塊返回的數據中：“$”為1 幀數據的起始位，“GNGLL”代表數據為大地坐標信息，“4257.29860”代表緯度信息，“N”代表當前定位點(diǎn)位于北半球，“12439.01275”代表經(jīng)度信息，“E”代表當前定位點(diǎn)位于東半球，“024401”代表UTC 時(shí)間，“A”代表當前數據為有效定位，根據返回的數據進(jìn)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(shí)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?chē)恼系K物，從而完成機器人的路徑規劃，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。根據實(shí)際測量激光雷達返回數據量龐大，如果將激光雷達數據交由機器人主控芯片處理，可能會(huì )影響路徑規劃等進(jìn)程的速度?？紤]到機器人靈敏度，所以采用STM32F103 芯片專(zhuān)門(mén)負責激光雷達的數據采集工作，圖4 為STM32F103 的電路原理圖。

圖4 STM32最小系統原理圖

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

2.3 煙霧傳感器模塊

機器人安裝有煙霧傳感器，光強傳感器負責火焰煙霧的檢測，以防發(fā)生火災情況；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率較低的二氧化錫，當檢測到可燃氣時(shí)，傳感器的電導率隨空氣中的可燃氣濃度的增大而增大，本設計中采用Arduino為數據采集芯片，Arduino芯片內部集成了 AD轉換模塊，可采集傳感器的模擬量輸出，數據采集連接電路圖如圖5 所示。

圖5 數據采集電路連接圖

2.4 樹(shù)莓派及攝像頭模塊

該機器人需要進(jìn)行人機數據交互，依據現有的相關(guān)模塊，可采用WIFI 模塊和圖傳攝像頭，煙霧采集數據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(shí)際工作效果并不能滿(mǎn)足后期的圖像質(zhì)量，故采用WIFI、圖像與一體的樹(shù)莓派作為數據傳輸的載體。Raspberry Pi（樹(shù)莓派）工作環(huán)境基于Linux。本設計樹(shù)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(wú)線(xiàn)，支持2.4 GHz 與5 GHz 雙頻，采用串口通信方式與機器人底盤(pán)的主控芯片相連接。圖像傳輸由Motion 運動(dòng)檢測實(shí)現，可對圖像中的運動(dòng)目標定位追蹤。

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)行數據通信，Motion 采用8081 視頻端口，為了連接方便，數據端口我們采用8082 號，根據樹(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)內的客戶(hù)端均可與樹(shù)莓派進(jìn)行數據交互。

為滿(mǎn)足機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，在攝像頭的兩側各配有紅外補光燈，在夜間工作時(shí)，紅外燈向外發(fā)射紅外線(xiàn)，遇到物體或者人體時(shí)進(jìn)行漫反射，將紅外光線(xiàn)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 軟件設計

3.1 電腦客戶(hù)端設計

電腦客戶(hù)端采用Pyqt5 編程語(yǔ)言實(shí)現顯示頁(yè)面。具有機器人視頻監控、遠程控制、煙霧數據監測、定位顯示、及報警等功能。

視頻監控控制頁(yè)面可將樹(shù)莓派傳回的圖像顯示出來(lái)，具有人臉檢測功能，可對視頻中的人臉進(jìn)行定位，同時(shí)將面部信息上傳百度智能云，對所有人臉進(jìn)行統計歸檔，完成城市公共場(chǎng)所的人員監控，同時(shí)具有圖片抓拍功能，當圖像中出現意外情況，可及時(shí)抓拍取證。數據監控頁(yè)面主要是對機器人傳回的煙霧值進(jìn)行顯示，并繪制煙霧值的變化曲線(xiàn)。當煙霧值超過(guò)設定值時(shí)報警指示燈會(huì )變成紅色，并發(fā)送手機報警信息，由安全管理部門(mén)當即了解情況，規劃決策措施，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(hù)提供數字化或可編程的語(yǔ)音和消息通信服務(wù)，本設計中采用Python 調用twilio.rest 庫中的Client 完成發(fā)送短信的功能。

定位頁(yè)面通過(guò)調用百度的靜態(tài)地圖 API 完成定位，實(shí)時(shí)根據經(jīng)緯度確定機器人的所在位置。如圖6 為機器人位置顯示，藍色代表機器人當前位置。百度地圖靜態(tài)圖API，可實(shí)現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 請求，就可獲取位置信息。

圖6 北斗定位電腦端顯示頁(yè)面

3.2 手機客戶(hù)端設計

手機客戶(hù)端由 APP Inventor 編程完成，啟動(dòng)時(shí)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(jìn)行觀(guān)測。

3.3 樹(shù)莓派顯示頁(yè)面設計

樹(shù)莓派顯示頁(yè)面使用 python 編程完成，可檢測樹(shù)莓派的端口串口連接情況，調節波特率等參數，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，電腦及手機端連接此IP 就可完成通訊連接。

4 結束語(yǔ)

現如今城市交通網(wǎng)絡(luò )日趨復雜，人們的活動(dòng)范圍逐漸擴大，必然導致一些不可避免的如火災、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(diǎn)式監控不能實(shí)現即時(shí)的安保工作。

圖7 樹(shù)莓派顯示頁(yè)面

本設計成功實(shí)現機器人的遠程控制，圖像傳輸，煙霧值傳輸，火焰報警等功能。通過(guò)電腦上位機遙控機器人運動(dòng)，實(shí)時(shí)顯示煙霧變化情況，定位機器人，同時(shí)可對返回的圖像進(jìn)行人臉檢測，信息存入百度智能云端，監控公共場(chǎng)所人員流動(dòng)情況，有靈活性強，應用效用高，節省公共資源與當今信息化緊密結合等優(yōu)點(diǎn)，對城市的公共安全監控具有重要意義。

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（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年12月期）