宋辰玥

（上海電力大學，上海 200120）

Abstract:For the current epidemic situation, in order to scientifically and accurately do a good job in epidemic prevention and control, it is very important to carry out closed management of residents in communities with cases in mediumand high-risk areas in China. The system uses Beidou navigation technology to achieve autonomous cruise function, in the implementation of intelligent patrol function, timely record the relevant data of travel personnel and upload to the computer control side, the administrator can carry out follow-up processing. The system can replace the staff to carry out round-theclock patrol and monitoring, has made a breakthrough in innovative ideas and technical means, reduced the work pressure of the staff engaged in prevention and control, and has certain social benefits.

Keywords:Beidou navigation; intelligent patrol inspection; image data processing; computer control terminal

1 研究背景與意義

2020 年1 月，新型冠狀病毒席卷全國。針對疫情防控，對外來人員、密切接觸者進行實時地追蹤和管理，深入到社區(qū)和家庭，這是當前社區(qū)防控的重點，也是避免疫情蔓延的基本手段。但仍有部分居民抱有僥幸心理，不配合社區(qū)防控工作，且社區(qū)也無法保證24 h 的全面監(jiān)控，這導(dǎo)致防控工作存在一定的疏漏和感染風險。

本系統(tǒng)應(yīng)用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，實現(xiàn)了自主導(dǎo)航以及智能化監(jiān)控，為今后的防疫工作提供了新的方案措施。

2 系統(tǒng)簡介

2.1 總體結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)的智能小車是以意法半導(dǎo)體公司的STM32F40 5GRT6 為核心驅(qū)動的，以北斗定位模塊、超聲波模塊、OpenMV4 H7 PLUS 攝像頭、紅外測溫模塊所組成的系統(tǒng)。系統(tǒng)整體框圖如圖1 所示。

由圖1 的總體框圖可知，智能小車是以STM32 單片機為控制核心，利用北斗衛(wèi)星模塊實時獲得小車的經(jīng)緯度位置坐標并完成自主巡檢。在行駛過程中，應(yīng)用超聲波模塊檢測路況；通過紅外測溫模塊判斷是否為居民并獲得其體溫數(shù)據(jù)，利用OpenMV 拍照上傳其高清人物圖像；通過LoRa 通信模塊，將所獲得的數(shù)據(jù)上傳至電腦控制端。

圖1 智能巡檢系統(tǒng)總體框圖

2.2 總體流程

本文中展示的智能巡檢系統(tǒng)工作流程如圖2 所示。

圖2 智能巡檢系統(tǒng)工作流程

3 硬件設(shè)計方案

3.1 處理器模塊

STM32 系列處理器是意法半導(dǎo)體ST 公司生產(chǎn)的一種基于ARMv7 架構(gòu)的32 位、支持實時仿真和跟蹤的微控制器。該系統(tǒng)采用F405RGT6 作為主控芯片，基于高性能ARMRCortexTM-M4 32 位RISC 內(nèi)核，工作頻率高達168 MHz。新Cortex-M4 核心特性浮點單元單精度，支持所有ARM 單核精確的數(shù)據(jù)處理指令和數(shù)據(jù)類型，它也實現(xiàn)了一套完整的DSP 指令和一個增強應(yīng)用程序安全性的內(nèi)存保護單元。STM32F4 系列相關(guān)參數(shù)見表1。

表1 STM32F4 系列相關(guān)參數(shù)

3.2 ATK-S1216F8-BD GPS/北斗模塊

ATK-S1216F8-BD GPS/北斗模塊：模塊核心采用SkyTraq 公司的S1216F8-BD 模組，具有167 個通道，追蹤靈敏度高達-165 dBm，測量輸出頻率最高可達20 Hz。

3.3 超聲波模塊

本系統(tǒng)采用的超聲波模塊是HC-SR04，利用超聲測距，方便計算且容易實現(xiàn)實時控制，其最大射程為4 m，最小射程為2 cm，測距精度可達3 mm，在測量距離、精度等方面能達到實際使用的要求；具有實時性、精確性、體積小和功耗低等一系列優(yōu)點，目前已廣泛應(yīng)用于測距、醫(yī)療、交通和勘測等領(lǐng)域。超聲波模塊主要參數(shù)見表2。

表2 超聲波模塊主要參數(shù)

3.4 圖像數(shù)據(jù)處理

3.4.1 紅外測溫

本系統(tǒng)所采用的是GY-906 MLX90614 DCI 長遠距離紅外測溫傳感器。其具有體積小、成本低及易集成等優(yōu)點；Ta 和To 工作在0～50°C 溫度范圍內(nèi)，其精度可達0.5°C。因其高精度校準的特性，應(yīng)用廣泛。

3.4.2 攝像頭模塊

采用OpenMV H7 PLUS，可用SD 卡取代內(nèi)置的Flash 文件系統(tǒng)，擴大可存儲代碼量，具有480 MHz，1 MB RAM，2 MB flash，能夠?qū)崿F(xiàn)色塊識別，人臉識別等多種功能。所有的I/O 引腳輸出3.3 V 并且5 V 耐受，其有以下的IO 接口：

（1）全速USB（12 Mbs）接口，連接到電腦。當插入OpenMV 攝像頭后電腦會出現(xiàn)一個虛擬COM 端口和一個“U 盤”。

（2）一個SPI 總線高達100 Mbs 速度，可把圖像流數(shù)據(jù)傳給LCD 擴展板、WiFi 擴展板或者其他控制器。

（3）2 個I/O 引腳用于舵機控制。

（4）全部的IO 口都可以用于PWM 和中斷。

（5）32 MB 外置的32-bitSDRAM，100 MHz 的時鐘，達到400 MB/s 的帶寬。

（6）32 MB 外置的quadspi flash，100 MHz 的時鐘，4-bitDDR 模式達到100 MB/s 的帶寬。

3.5 LoRa 模塊

LoRa 是LPWAN 通信技術(shù)中的一種，基于LoRa 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將智能小車實時定位作為LoRa 物聯(lián)網(wǎng)的一個節(jié)點，再結(jié)合LoRa 集中器，組建了一個無線網(wǎng)絡(luò)；實現(xiàn)上位機、中控系統(tǒng)與小車數(shù)據(jù)交流一體系統(tǒng)。圖3 為LoRa通信架構(gòu)框圖。

圖3 LoRa 通信架構(gòu)框圖

4 核心功能實現(xiàn)

4.1 坐標轉(zhuǎn)換

將北斗模塊獲得的經(jīng)緯度坐標轉(zhuǎn)換成三維坐標，然后將三維坐標結(jié)合北斗模塊地圖數(shù)據(jù)，便可以在地形圖上顯示小車運動軌跡。北斗模塊中經(jīng)緯度轉(zhuǎn)化三維坐標幾何模型如圖4 所示。

假設(shè)經(jīng)度角AOB 用Lng 表示，緯度角用DOB 用Lat 表示，半徑OD 用R 表示，坐標點D 用（x，y，z），并且R 已知。其中，車載北斗模塊實時衛(wèi)星定位電腦端配置如圖5 所示。

圖5 車載北斗模塊實時衛(wèi)星定位電腦端配置

4.2 路線規(guī)劃

根據(jù)巡檢智能車通過北斗定位獲得的位置坐標，通過LoRa 通信模塊將坐標信息發(fā)送到終端控制，與電子地圖上的點一一映射。因此，只需要根據(jù)北斗坐標，將車的位置作為點描繪到電子地圖上，便可以在地圖上顯示車的位置，方便操作人員監(jiān)視和檢查。

操作員事先在終端地圖上規(guī)劃好一條路線，只需要取幾個離散的坐標點，便可以代表路徑方向。坐標點傳輸給智能小車，智能小車通過北斗定位獲得自己的坐標，實時進行校正，然后移動到下一個坐標點。

4.3 自主巡航

通過北斗定位獲得智能小車運動過程中實時的經(jīng)緯度坐標，與已知設(shè)定好的目標點坐標比對，計算出下一步運動應(yīng)走的方向和粗略的路程。當實時坐標與規(guī)劃路徑產(chǎn)生偏差時，能夠及時糾正路徑偏差，實現(xiàn)機器人按照規(guī)定路線自主巡航。

4.4 數(shù)據(jù)傳輸

為了實現(xiàn)智能物流小車的定時定位的信息交換，可以將LoRa 通信模塊與STM32 開發(fā)板相結(jié)合，根據(jù)通過LoRa 模塊將接收到的智能物流小車的位置坐標上傳到上位機，依據(jù)地面基站的數(shù)字地圖相結(jié)合通過信息處理技術(shù)在上位機上顯示出小車目前所在位置。

4.5 電腦端監(jiān)控

為實時了解智能巡檢系統(tǒng)的工作狀態(tài)，電腦監(jiān)控端設(shè)置了3 個界面用以獲取和傳輸信息。圖6 為電腦監(jiān)控端功能圖。

圖6 電腦監(jiān)控端功能圖

5 創(chuàng)新點和應(yīng)用拓展

5.1 創(chuàng)新點

本設(shè)計將LoRa 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與我國自主研制開發(fā)北斗芯片ATK-S1216F8-BD 定位技術(shù)相結(jié)合，將智能物流小車實時定位作為LoRa 物聯(lián)網(wǎng)的一個節(jié)點，再結(jié)合LoRa 集中器，組建了一個無線網(wǎng)絡(luò)；設(shè)計中控系統(tǒng)，先通過上位機向小車發(fā)送信息數(shù)據(jù)以及對小車采集實時數(shù)據(jù)，構(gòu)建數(shù)據(jù)信息，進行分析處理，再進行智能優(yōu)化處理，實現(xiàn)上位機、中控系統(tǒng)與小車數(shù)據(jù)交流一體系統(tǒng)。使上位機能隨時監(jiān)測小車的運行狀態(tài)，實行對人員的實時定位與監(jiān)測管控。同時，在新冠肺炎疫情的背景下，通過對居民小區(qū)的封閉，能有效地減少人員外出，抑制疫情發(fā)展，因此將基于北斗的智能巡檢小車應(yīng)用于新冠肺炎疫情防控期間的管控，代替人員監(jiān)測，對封閉小區(qū)進行全天候?qū)崟r巡檢，采用較為完善和嚴謹?shù)南到y(tǒng)，可以有效防止居民無故外出。同時，也減輕了防控工作人員的工作壓力，具有一定的社會效益。

5.2 應(yīng)用拓展

后續(xù)將建立數(shù)據(jù)庫，通過大數(shù)據(jù)分析將智能小車巡檢的所有人員數(shù)據(jù)進行匯總和分析，整理出人員外出的集中區(qū)域和名單，以便管理員隨時調(diào)整巡檢路線。這對于今后的疫情防控工作提供了新的思路。

6 結(jié)束語

由我國研發(fā)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是目前高新技術(shù)發(fā)展的一大熱點。本文將當下新冠肺炎疫情的防控工作與北斗導(dǎo)航技術(shù)相結(jié)合，在思想創(chuàng)新和技術(shù)手段上取得了重要突破。