王湧欽，陳黃祥

西安高新第一中學(xué)國(guó)際課程班

新型物聯(lián)網(wǎng)安防機(jī)器人的研究與應(yīng)用

王湧欽1，陳黃祥2

西安高新第一中學(xué)國(guó)際課程班

本文設(shè)計(jì)的基于Arduino和Wi-Fi技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)安防機(jī)器人，包括接收控制、移送和娛樂(lè)互動(dòng)三大部分。通過(guò)設(shè)計(jì)編程，該機(jī)器人在住戶離家時(shí)能實(shí)時(shí)監(jiān)控室內(nèi)的情況，如果遇到危險(xiǎn)狀況可立即向住戶推送房屋信息，必要時(shí)還可以采取消防等安全措施。該物聯(lián)網(wǎng)安防機(jī)器人適用于城市一般住宅、中小別墅住戶，在住戶不在家或者夜間休息的時(shí)候能讓房屋有更進(jìn)一步的安全防護(hù)，同時(shí)其又具備一定的娛樂(lè)互動(dòng)功能。

機(jī)器人；物聯(lián)網(wǎng)；家庭安防；智能家居

1 引言

物聯(lián)網(wǎng)是一種使用各種通訊承載體讓所有能夠被獨(dú)立尋址的普通物理對(duì)象實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通的網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)的概念在1999年美國(guó)召開(kāi)的移動(dòng)計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)國(guó)際會(huì)議上首次被提出[1]，時(shí)至今日，物聯(lián)網(wǎng)從“概念”走向“實(shí)踐”，開(kāi)始大規(guī)模應(yīng)用在智能電網(wǎng)、智能交通、智能物流、智能建筑等領(lǐng)域。據(jù)業(yè)內(nèi)人士預(yù)計(jì)，到2015年，物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)規(guī)模將突破5000億元，或接近7500億元，年均增長(zhǎng)率達(dá)11%左右，物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)正進(jìn)入快速發(fā)展時(shí)期[2]。

以前的機(jī)器人一般只應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)方面[3]，現(xiàn)在隨著機(jī)械、電子、傳感器、計(jì)算機(jī)軟硬件、控制、人工智能和造型技術(shù)的成熟，機(jī)器人應(yīng)用已經(jīng)擴(kuò)展到各個(gè)非工業(yè)應(yīng)用的行業(yè)。例如做手術(shù)、采摘水果、剪枝、巷道掘進(jìn)、偵查、排雷，還有空間機(jī)器人、潛海機(jī)器人等等。

物聯(lián)網(wǎng)具有感知、信息傳遞、智能分析與決策的特征，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)與機(jī)器人的結(jié)合，可以提高機(jī)器人智能化，物聯(lián)網(wǎng)移動(dòng)化，功能互相補(bǔ)充提高，具有良好的研究?jī)r(jià)值和廣闊的市場(chǎng)前景。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本物聯(lián)網(wǎng)安防機(jī)器人是包括：接受控制部分通過(guò)WiFi連接負(fù)責(zé)接受發(fā)出用戶終端以及安裝在家具以及機(jī)器人中的的傳感器的信號(hào)，發(fā)出指令控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)；移動(dòng)部分履帶式驅(qū)動(dòng)。

2.1 安全防護(hù)

(1)廚房溫度和氣體成分的監(jiān)控

通過(guò)甲烷探測(cè)器和溫度計(jì)檢測(cè)廚房的氣體含量是否正常和溫度是否在安全范圍之內(nèi)，如果超過(guò)45度（廚房沒(méi)人）會(huì)發(fā)出警報(bào)并提醒住戶主義，如果探測(cè)到煙霧（沒(méi)人的情況）會(huì)自動(dòng)采取一些消防措施

(2)門(mén)窗的安防

門(mén)窗（和門(mén)框以及窗框）都裝上觸感器，玻璃里面需要裝網(wǎng)狀的觸感器以免入侵者破窗而入。并在必要時(shí)報(bào)警并利用移動(dòng)機(jī)器人做一些警告行為

(3)IP Cam移動(dòng)監(jiān)控

可以移動(dòng)的監(jiān)控器，幫助住戶確定現(xiàn)場(chǎng)狀況以決定是否報(bào)警或啟動(dòng)聲炮

2.2 功能流程圖

圖1 物聯(lián)網(wǎng)安防機(jī)器人工作流程圖

3 系統(tǒng)主要電路設(shè)計(jì)

3.1 傳感控制部分

傳感控制部分通過(guò)WiFi連接負(fù)責(zé)接受發(fā)出用戶終端以及安裝在家具以及機(jī)器人中的的傳感器的信號(hào)，發(fā)出指令控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，裝配：聲光熱傳感器、無(wú)線監(jiān)控器以及WiFi模塊。

3.2 移動(dòng)部分

移動(dòng)部分履帶式驅(qū)動(dòng)是機(jī)器人的動(dòng)力之源。因?yàn)榈阶艏依锏牡匕宀馁|(zhì)不同所以采用履帶式的底座機(jī)器底座履帶式驅(qū)動(dòng)，誤差小穩(wěn)定功率適中可以在任何房屋地形里移動(dòng)，頂部搭載傳感控制部分，前部搭載大功率的音響可以發(fā)出響度加大的聲波，震懾入侵者，裝配：兩臺(tái)xxx功率的發(fā)動(dòng)機(jī)、2600mAh，19.24Wh的鋰電池、2只xx半徑驅(qū)動(dòng)輪、六只xx半徑載重輪。

3.3 多媒體娛樂(lè)休閑

(1)立體音響以及家庭影院

本我物聯(lián)網(wǎng)安放機(jī)器人可以根據(jù)住戶喜好制定住出門(mén)和進(jìn)門(mén)音樂(lè)并且控制電視dvd

(2)臥室客廳的空調(diào)的自啟

住戶可以遠(yuǎn)程開(kāi)啟自家的空調(diào)或者提前設(shè)定好開(kāi)啟時(shí)間這樣住戶可以省電的享受一回到家中的清涼

(3)會(huì)客廳的茶水準(zhǔn)備

此功能可以遠(yuǎn)程燒水或者規(guī)定每天幾點(diǎn)從飲水機(jī)里抽水燒水

4 硬件設(shè)計(jì)

4.1 外觀和結(jié)構(gòu)

本物聯(lián)網(wǎng)安防機(jī)器人俯視圖、側(cè)視圖、主視圖如圖二、圖三、圖四所示

圖四 一種物聯(lián)網(wǎng)安防機(jī)器人俯視圖

4.2 傳感控制部分

傳感控制部分有外殼、聲光熱傳感器、無(wú)線監(jiān)控器以及WiFi模塊組成。外殼用于保護(hù)內(nèi)部電路板不收外界塑封在制作過(guò)程中的干擾使其短路。IP Camera固定在移動(dòng)部分上攝像頭可以上下90度左右180度旋轉(zhuǎn)監(jiān)控，擴(kuò)音器用于發(fā)出警報(bào)和攻擊型的聲音（頻率在1500hz到2000hz的聲波），變現(xiàn)感應(yīng)器用于測(cè)探邊線防止物聯(lián)網(wǎng)機(jī)器人在高空作業(yè)時(shí)墜落，聲控用于檢測(cè)聲音的大小給住戶傳遞家庭異常聲音的檢測(cè)，紅外感應(yīng)用于檢測(cè)有生命的物體比如陌生人檢測(cè)到避讓發(fā)警報(bào)。

4.3 移動(dòng)部分

移動(dòng)部分有功率為xx的發(fā)動(dòng)機(jī)兩臺(tái)，1830毫安的12V鋰電池電源，兩只驅(qū)動(dòng)輪，六只載重輪。發(fā)動(dòng)機(jī)與用于驅(qū)動(dòng)載重輪，載重輪用于載重。本物聯(lián)網(wǎng)安防機(jī)器人的地盤(pán)采用履帶式的設(shè)計(jì)（如圖1）的優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，編程運(yùn)動(dòng)的誤差小轉(zhuǎn)彎半徑小適合在各種地形運(yùn)動(dòng)可以在家庭中任何地板構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，但缺點(diǎn)是加工制作比較麻煩，內(nèi)部摩擦力大，不必要的能損大。鋰電池相比很多電動(dòng)輪椅使用的鉛酸蓄電池有能量密度高、質(zhì)量輕、更安全的優(yōu)點(diǎn)；但是價(jià)格更高。但是鋰電池的壽命長(zhǎng)，可以循環(huán)充電2000次，可以獲得類(lèi)似大量使用所帶來(lái)的利潤(rùn)。在冬季鋰電池也不會(huì)因?yàn)榧依锱瘹鉁囟冗^(guò)高產(chǎn)生故障。

5.軟件設(shè)計(jì)

5.1 平臺(tái)介紹

5.1.1 KTStudio

KTStudio是一種C語(yǔ)言的編程平臺(tái)。本物聯(lián)網(wǎng)安防機(jī)器人的程序是在此平臺(tái)上編譯的。

5.1.2 Arduino

圖五

針對(duì)不同住宅大小和不同用戶需求，本物聯(lián)網(wǎng)安防機(jī)器人采用模塊化控制器完成信號(hào)交換。在開(kāi)啟安防后會(huì)有提示用戶選擇模式保障用戶使用安全。

Arduino，是一個(gè)開(kāi)放源代碼的單芯片微電腦，它使用了Atmel AVR單片機(jī)（圖五），采用了基于開(kāi)放源代碼的軟硬件平臺(tái)，構(gòu)建于開(kāi)放源代碼simple I/O接口板，并且具有使用類(lèi)似Java，C語(yǔ)言的Processing/Wiring開(kāi)發(fā)環(huán)境。其擁有54個(gè)數(shù)字信號(hào)輸入端口，最多15個(gè)輸出端口和16個(gè)模擬信號(hào)輸入端口。

5.2 程序設(shè)計(jì)

5.2.1 程序流程圖