李芳芳

【摘 要】針對(duì)當(dāng)今社會(huì)的家庭結(jié)構(gòu)，孩子數(shù)目增多，老人平均年齡偏大，家庭的主要?jiǎng)趧?dòng)力忙于工作，為了減輕中年夫婦照看孩子看管老人的負(fù)擔(dān)，提出了基于STM32芯片的家庭看護(hù)機(jī)器人，通過Zigbee進(jìn)行數(shù)據(jù)的無線傳輸，方便上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控，可以很好的輔助家長(zhǎng)照看孩子和老人。

【關(guān)鍵詞】STM32，機(jī)器人，Zigbee

一、引言

隨著科技的飛速發(fā)展，我們的生活也逐漸趨近于自動(dòng)化、智能化，近幾年，各種類型的智能掃地機(jī)器人層出不窮，智能教學(xué)機(jī)器人也入住了各個(gè)家庭，這些智能機(jī)器人著實(shí)給人們的生活學(xué)習(xí)帶來了意想不到的便捷，在二胎政策的鼓勵(lì)下，現(xiàn)在一個(gè)家庭的孩子數(shù)目以2作為基數(shù)在增加，與此同時(shí)我們國(guó)家的人口比例趨于老齡化增長(zhǎng)的模式還在持續(xù)，這就導(dǎo)致家庭的主要生產(chǎn)力即家庭的中年夫婦需要陪伴孩子成長(zhǎng)的同時(shí)要照顧看管好老人的起居生活，為此提出了一種基于STM32芯片的家庭看護(hù)機(jī)器人的設(shè)計(jì)，方便中年夫婦在工作之余可以對(duì)家人實(shí)時(shí)的監(jiān)護(hù)，預(yù)防突發(fā)情況無法知曉的悲劇發(fā)生。

二、家庭看護(hù)機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

感知節(jié)點(diǎn)包括紅外熱像儀、超聲波避障模塊、高清可見光攝像機(jī)、紅外光電避障傳感器以及溫濕度傳感器和其他相關(guān)的擴(kuò)展模塊。通過以上多源信息采集的感知節(jié)點(diǎn)，機(jī)器人可以實(shí)時(shí)的獲取家里的多種信息，通過紅外熱像儀和高清可見光攝像機(jī)可以隨時(shí)了解家人的活動(dòng)范圍和身體運(yùn)動(dòng)信息，同時(shí)溫濕度傳感器又可以對(duì)家里的溫濕度情況做一個(gè)實(shí)時(shí)的反饋，便于主人對(duì)家用電器進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)控以此為家人提供更加舒適的生活成長(zhǎng)環(huán)境。

感知節(jié)點(diǎn)獲取的信息通過無線網(wǎng)絡(luò)傳至上位機(jī)?？刂乒?jié)點(diǎn)包括電路控制和運(yùn)動(dòng)控制，由信息采集電路，控制器，供電模塊，驅(qū)動(dòng)電路等構(gòu)成。主要完成信息的分析處理，控制指令的制定。無線傳輸電路是機(jī)器人與上位機(jī)的信息傳輸?shù)募~帶，實(shí)現(xiàn)感知節(jié)點(diǎn)與控制節(jié)點(diǎn)的指令的傳輸。家庭看護(hù)機(jī)器人助手采用客戶機(jī)/服務(wù)器的運(yùn)行模式?？蛻舳司褪切畔⒌墨@取者也就是家庭監(jiān)護(hù)人，他們可以通過PC機(jī)在線監(jiān)測(cè)家庭的一些基本情況，并且可以面對(duì)突發(fā)情況發(fā)送一些控制指令，操控機(jī)器人實(shí)現(xiàn)突發(fā)情況下的一些動(dòng)作，家庭看護(hù)機(jī)器人，則是對(duì)家庭的生活環(huán)境尤其是家庭成員的活動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控反饋，服務(wù)端在機(jī)器人身上設(shè)置，核心部分是STM32集中控制器，主要負(fù)責(zé)多源信息采集，定位導(dǎo)航確定方位和機(jī)器人自身的運(yùn)動(dòng)行走。

三、家庭看護(hù)機(jī)器人的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（一）機(jī)器人控制部分設(shè)計(jì)

對(duì)家庭看護(hù)機(jī)器人控制器的開發(fā)中，選用TI公司STM32F103作為核心控制芯片，它的內(nèi)核是ARM公司的Cortex—M3，工作頻率為72MHZ、FLASH為512KB，有2個(gè)12位ADC，5個(gè)USART，12個(gè)16位計(jì)時(shí)器，資源完全滿足機(jī)器人的運(yùn)行需求，具有高效率、易擴(kuò)展、實(shí)用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。家庭看護(hù)中心硬件電路結(jié)構(gòu)圖如下圖1所示。

看護(hù)機(jī)器人控制電機(jī)、機(jī)械手臂及紅外避障傳感器進(jìn)行控制。本系統(tǒng)采用由兩片半橋驅(qū)動(dòng)芯片和極低內(nèi)阻的N溝道MOSFE組成的驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)兩組電機(jī)。該驅(qū)動(dòng)器可快速打開MOSFET溝道，提高了電機(jī)的加速曲率，使機(jī)器人迅速啟動(dòng)、迅速剎車和轉(zhuǎn)向。集中控制器接收到PC端上位機(jī)發(fā)送的串口指令后，將串口指令轉(zhuǎn)化為電源可以識(shí)別的PWM信號(hào)，從而調(diào)整電源的輸出電流，控制電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。集中控制器從上位機(jī)客戶端接收到指令，并將其轉(zhuǎn)化為PWM信號(hào)，控制伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)，從而決定機(jī)械手臂姿態(tài)位置。

（二）環(huán)境監(jiān)測(cè)部分設(shè)計(jì)

溫、濕度傳感器 AM2320 完成室內(nèi)溫、濕度的檢測(cè)，通過I2C接口完成與嵌入式控制器的通信；通過紅外測(cè)距傳感器 GP2D12 完成室內(nèi)障礙物距離檢測(cè)，數(shù)據(jù)直接通過嵌入式控制器 A/D 接口將數(shù)據(jù)送入控制器。

（三）無線通信模塊的設(shè)計(jì)

無線通信控制中心模塊與感知節(jié)點(diǎn)之間的通信通過ZICM2410 Zigbee 無線模塊實(shí)現(xiàn)，該模塊遵從 Zigbee規(guī)范和 IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)，內(nèi)含有基帶MODEM的射頻收發(fā)器、硬連線的 MAC和內(nèi)嵌8051 內(nèi)核的微控制器（帶有內(nèi)部 Flash 存儲(chǔ)器）組成，多個(gè)通用I/O 引腳、定時(shí)器、UART、SPI 以及硬件語音編解碼器。

看護(hù)機(jī)器人的數(shù)據(jù)傳輸通過安裝 OpenWrt的無線路由端使上位機(jī)客戶端與服務(wù)端建立點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的局域網(wǎng)來實(shí)現(xiàn)。采用 TCP/IP 通信協(xié)議，能夠保證數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)高速傳輸傳輸。紅外熱成像儀與可見光攝像機(jī)拍攝的視頻信號(hào)經(jīng)過壓縮后通過局域網(wǎng)無線傳輸?shù)竭_(dá)上位機(jī)客戶端，圖像經(jīng)過解壓顯示在監(jiān)控中心的屏幕上。紅外熱像圖能夠有效地檢測(cè)出家人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)?？梢姽鈹z像機(jī)拍攝的可見光圖像與紅外圖像匹配、融合，能精確識(shí)別家人行動(dòng)的范圍。發(fā)現(xiàn)異常情況后，家庭監(jiān)護(hù)人可以通過上位機(jī)客戶端發(fā)送指令，控制數(shù)據(jù)通過 Socket發(fā)送到路由端，路由端把數(shù)據(jù)包解開后發(fā)送到路由端串口。集中控制器與路由端通過STM32 建立串口通信，從路由端發(fā)出的串口指令控制監(jiān)控機(jī)器人實(shí)行預(yù)警方案，譬如發(fā)出警報(bào)聲引起周圍鄰居或者路人的關(guān)注，實(shí)現(xiàn)在救護(hù)車或者專業(yè)醫(yī)療人員達(dá)到之前無人進(jìn)行人工急救而引起的不必要的麻煩。

四、結(jié)語

家庭看護(hù)機(jī)器人采用客戶端/服務(wù)端的運(yùn)行模式，客戶端位于監(jiān)控中心的PC機(jī)上，負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)顯示家人活動(dòng)場(chǎng)所的環(huán)境信息，以及家人活動(dòng)的狀態(tài)信息，家庭看護(hù)人也可以通過客戶端上位機(jī)發(fā)送指令，控制巡檢機(jī)器人對(duì)指定的家庭成員進(jìn)行重點(diǎn)定點(diǎn)看護(hù)。服務(wù)端位于看護(hù)機(jī)器人本體，核心部分是STM32集中控制器，主要負(fù)責(zé)導(dǎo)航定位、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制、多源信息數(shù)據(jù)傳輸?shù)取Ｊ褂谜咴诠芾斫缑婵蓪?shí)現(xiàn)對(duì)家庭環(huán)境和家人的實(shí)時(shí)監(jiān)控并且對(duì)智能設(shè)備的操作。為避免特殊情況下，周圍沒有人員參與急救，多提供了一重急救的保障。當(dāng)然系統(tǒng)只是初步實(shí)現(xiàn)了一些看護(hù)、預(yù)警功能，還有待于進(jìn)一步改進(jìn)提高。

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