葉芮杏 李杰浩 王文升 區(qū)德浩 陳德文

摘 要：為了解決智能家居靜態(tài)處理信息的窘境，實現(xiàn)智能家居動態(tài)化，提出一種管家機器人的智能化和網(wǎng)絡化的設計。該設計采用了ZigBee無線網(wǎng)絡技術平臺，結合飛思卡爾MC9S12XS128處理器的S12環(huán)境，應用Java可擴展的Eclipse軟件平臺，實現(xiàn)了手機對機載微處理器進行監(jiān)控。同時對DHT11溫濕度監(jiān)控模塊、線性CCD和超聲波測距模塊、CMOS手機成像模塊和LM324自動燈光模塊進行設計，達到雙向無線通信，實現(xiàn)人機交換，遠程監(jiān)控。該次設計實現(xiàn)的效果是通過Android手機可以顯示挖掘機實時數(shù)據(jù)，測距和溫濕度，并進行控制，手機通過攝像頭監(jiān)控作業(yè)環(huán)境，具備自動感應燈光系統(tǒng)。該設計解決了作業(yè)機器的人機交換和無人值守的問題。

關鍵詞：管家機器人 物聯(lián)網(wǎng) 智能家居 動態(tài)化

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）07（b）-0001-02

1 設計思路

隨著計算機技術、通信技術、控制技術的迅猛發(fā)展，人們對居住環(huán)境提出了更高的要求，希望自己居住的生活空間更加安全、舒適，智能家居的概念在這種理念的驅動下應運而生。人們希望通過智能家居技術實現(xiàn)家庭設備與住宅環(huán)境的智能化管理與監(jiān)控，使之和諧與協(xié)調，從而滿足用戶對居住環(huán)境的新的、更高的需求。

該作品為一種基于WCDMA+ZigBee技術的智能安全管家機器人，利用計算機技術和網(wǎng)絡技術，將家居生活環(huán)境中與安全相關的各種子系統(tǒng)有機地結合在一起，通過統(tǒng)籌管理，為人們提供更安全、更舒適、更便利的居住環(huán)境。智能安全管家有靈活的運動系統(tǒng)；具備判斷家中一些陳設位置的能力；能夠實現(xiàn)對家中一些電器設備的控制；對溫度、濕度等物理信息的測量能力；能將采集到的信息上傳至家中的電腦。如果主人不在家，還能夠通過網(wǎng)絡將信息輸送至互聯(lián)網(wǎng)，主人可以利用移動數(shù)據(jù)，如WCDMA，實時遠程查看家居安防監(jiān)測情況。這樣，機器人就可以自主地完成各種管家的工作，或者在主人的“指揮”下料理各種家務。最終實現(xiàn)對家居環(huán)境及安全的實時監(jiān)測、預警及報警，而且用戶可以實時遠程查看家居安防監(jiān)測情況、控制各類家電工作。在整個系統(tǒng)設計中，基于人們對智能家居的理解加入了更加人性化的設計元素。

2 智能環(huán)境信息采集系統(tǒng)

智能安全管家實現(xiàn)對家居實時環(huán)境物理信息的采集監(jiān)測，包括溫度、濕度、氣體、人體紅外等，并通過ZigBee模塊中的CC2530作為主控芯片，對采集的物理信息進行實時監(jiān)控，當信息異常時發(fā)出警報。

智能安全管家裝備采用基于CC2530芯片的主控系統(tǒng)，是用于2.4-GHz IEEE 802.15.4、ZigBee和RF4CE應用的片上系統(tǒng)（SoC）解決方案。它能夠以非常低的材料成本建立強大的網(wǎng)絡節(jié)點。CC2530結合了領先的RF收發(fā)器的優(yōu)良性能，同時具有不同的運行模式，尤其適應超低功耗要求的系統(tǒng)。運行模式之間的轉換時間短進一步確保了低能源消耗。

通過搭載數(shù)字式溫濕度傳感器DHT11（如圖1，是一種含有已校準數(shù)字信號輸出的溫濕度復合傳感器，它應用專用的數(shù)字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性和卓越的長期穩(wěn)定性。實時監(jiān)控家庭環(huán)境的溫濕度），當家中發(fā)生火災時，智能安全管家可以及時發(fā)現(xiàn)溫度異常并作出一系列反饋動作，如發(fā)出警報、通過跨平臺終端控制系統(tǒng)通知主人。

同時搭載有害氣體傳感器MQ-2、人體紅外傳感器LHi778等，實時監(jiān)控家庭環(huán)境的情況，當發(fā)生意外，如發(fā)生火災、煤氣泄漏時，智能安全管家可以準確地發(fā)現(xiàn)家庭環(huán)境溫度或氣體濃度的異常，及時發(fā)出警報，當無人在家中時，智能安全管家可通過跨平臺終端控制系統(tǒng)遠程通知主人。

3 實時視頻監(jiān)測系統(tǒng)

智能安全管家通過攝像頭實現(xiàn)對家庭環(huán)境的實時視頻監(jiān)測，并可在手機端呈現(xiàn)；同時帶有自動亮燈功能，可在光線不好的環(huán)境下給攝像頭進行補光，保證攝像頭采集圖像的清晰。

智能安全管家采用可變色720P高清攝像頭進行實時的視頻監(jiān)控，同時需要支持在多種平臺上進行數(shù)據(jù)展示。因此，在該模塊中采用目前較為成熟的開源視頻軟件MJPEG-Stream，并把他移植到手機平臺。攝像頭連接路由器，手機端可直接連接路由器WIFI，從專用軟件上獲取實時圖像信息，從而完成跨平臺的實時視頻監(jiān)控。

同時，通過光敏電阻結合比較器芯片LM324，獲取實時環(huán)境亮度信息，用光敏電阻D3和電阻R1構成分壓電路，并采用雙電壓比較器LM324，D3兩端的節(jié)點電壓作為比較器的同向輸入端，反向輸入端信號作為基準電壓，當接收的光線超過一定強度時，D3電阻減小到一定值，D3兩端電壓小于基準電壓，比較器輸出低電平，反之輸出高電平。為了調節(jié)檢測靈敏度，基準電壓應實現(xiàn)可調，該系統(tǒng)中采用電位器進行可調分壓（0～5 V）。當智能管家處在黑暗環(huán)境中時，自動點亮位于機器人平臺周圍的LED燈對攝像頭進行補光，保證攝像頭采集圖像的質量。

4 智能管家控制系統(tǒng)

該系統(tǒng)主要包括兩部分，一是智能管家的行走控制部分，包括自動避障行走和人為遙控行走兩種模式；二是智能管家的機械手控制部分，主要由六自由度的機械手平臺構成，可用于完成一些特定的任務。

底盤：智能管家的底盤采用一種多地形適應性履帶式底盤，底盤主體部分是兩條形狀可變的履帶，分別由兩個主電動機驅動。當兩條履帶的速度相同時，機器人實現(xiàn)前進或后退移動；當兩條履帶的速度不同時，機器人實現(xiàn)轉向運動。當主臂桿繞履帶架上的軸旋轉時，帶動行星輪轉動，從而實現(xiàn)履帶的不同構形，以適應不同的運動和地形環(huán)境。

行走控制：智能管家的控制中心采用飛思卡爾半導體公司的MC9S12XS128芯片，芯片采用5 V電壓供電，采用7.2 V可充電鋰電池作為電源，通過LM2940穩(wěn)壓芯片得到5 V電壓給芯片供電。

智能管家底盤兩個主動電機的驅動采用4片BTS7970芯片驅動，每兩片芯片分別控制一個電機的正轉和反轉，通過主芯片控制機器人行走的速度。

5 跨平臺終端控制系統(tǒng)

該系統(tǒng)主要包括3部分：一為ZigBee平臺模塊對各種傳感器信息的采集，組網(wǎng)并通過無線網(wǎng)關與路由器傳輸至互聯(lián)網(wǎng)平臺，用戶的手機平臺可通過移動數(shù)據(jù)（如WCDMA）對互聯(lián)網(wǎng)進行訪問，獲得實時家庭情況并針對各種情況進行反饋措施；二為實時視頻圖像在手機Android平臺的呈現(xiàn)；三為遙控器平臺對智能管家的遠程遙控控制。

智能安全管家通過Zigbee模塊搭載溫濕度傳感器，同時可通過WIFI+路由器組建智能無線網(wǎng)關，使采集的數(shù)據(jù)可以隨時上傳至互聯(lián)網(wǎng)。

當用戶對家庭環(huán)境進行遠程監(jiān)控時，可直接通過登錄網(wǎng)站或客戶端，利用（WCDMA）移動數(shù)據(jù)訪問互聯(lián)網(wǎng)，結合移動數(shù)據(jù)（WCDMA）的先天兼容優(yōu)勢，使得該設備（移動設備—互聯(lián)網(wǎng)—終端）能結合各種類型的設備和智能管家采集到的信息進行遠程監(jiān)控，主人發(fā)現(xiàn)到異常時，可以通過語音或者輸入指令對智能管家進行控制，實現(xiàn)智能人機交換，使得用戶在多種環(huán)境下都能實現(xiàn)監(jiān)測、控制。

另外，可以通過ZigBee模塊組網(wǎng)的方式將家庭中的各種設備，如電燈、電視、窗戶等，將與家居生活中安全相關的各種子系統(tǒng)，有機地結合在一起，通過統(tǒng)籌管理，為人們提供更安全、更舒適、更便利的居住環(huán)境。

跨平臺的終端控制克服了距離上的缺點，使主人可以遠程監(jiān)測和控制家庭的情況，并可以對緊急情況緊急處理，體現(xiàn)了智能家居的需求。

6 結語

采用飛思卡爾半導體公司的MC9S12XS128芯片作為智能管家核心控制中心，內核為CPU12 高速處理器，擁有豐富的片內資源，有16路AD轉換，精度最高可設置為10位；有8路8位PWM并可兩兩級聯(lián)為16位精度PWM，特別適合用于控制多電機系統(tǒng)。而且它的串行通信端口也非常豐富，有2路SCI，2路SPI此外還有IIC，CAN總線等端口，并且采用了引腳復用功能，使得這些功能引腳也可設置為普通的IO端口使用，此外，它內部還集成了完整的模糊邏輯指令，可大大簡化程序設計。

參考文獻

[1] 史作鋒.ZigBee技術在無線傳感器網(wǎng)絡中的研究與應用[D].武漢科技大學，2009.

[2] 滿宇航.DCS綜合智能校驗系統(tǒng)[D].華北電力大學（保定），2012.

[3] 蘇毅.移動多媒體推送業(yè)務終端功能研究[D].北京郵電大學，2009.

[4] 宋偉奇.閃存數(shù)據(jù)庫在手機嵌入式系統(tǒng)中的應用研究[D].南開大學，2010.

[5] 蔣挺.紫蜂技術及其應用[M].北京：北京郵電學院出版社，2006.

[6] 劉必剛.Android通信模塊的設計與優(yōu)化[D].武漢理工大學，2010.