王思杰，程鐘鑫，郭志欣，毛旭陽(yáng)，向安軍，高宏峰

(河南科技大學(xué)信息工程學(xué)院，河南 洛陽(yáng) 471023)

0 引言

隨著人們生活水平的提升，家居生活越來(lái)越舒適,但由于人們對(duì)家居生活安全方面的忽視，安全隱患總是層出不窮。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)每年由于空氣質(zhì)量、火災(zāi)隱患、煤氣泄漏而引發(fā)的事故不少于數(shù)十萬(wàn)起。目前，國(guó)內(nèi)大多數(shù)室內(nèi)環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)還是較為傳統(tǒng)的定點(diǎn)式設(shè)計(jì)[1],已經(jīng)無(wú)法滿足目前對(duì)于環(huán)境監(jiān)測(cè)的需求。

為了解決目前居家生活的安全隱患問(wèn)題，并對(duì)于傳統(tǒng)式的環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備加以改進(jìn)，本文設(shè)計(jì)了一種基于圖像識(shí)別的家用安防智能車。該智能車在居家環(huán)境中，根據(jù)Sobel邊緣檢測(cè)算法[2]，融合紅外補(bǔ)償算法，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)導(dǎo)航，同時(shí)監(jiān)測(cè)周圍環(huán)境，并利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將檢測(cè)信息上傳至用戶手機(jī)端。此外，車載智能燈光系統(tǒng)，可根據(jù)周圍環(huán)境亮暗自動(dòng)調(diào)光，即使在較暗環(huán)境下也可正常運(yùn)行，若遇家中停電，該車還可作為移動(dòng)照明燈使用，安全環(huán)保。

1 系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。該系統(tǒng)采用雙線并行的方式運(yùn)行：智能車自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)與車載環(huán)境感知系統(tǒng)，兩個(gè)子系統(tǒng)通過(guò)通信聯(lián)合在一起，構(gòu)成整個(gè)智能車安防系統(tǒng)。

線程一：首先對(duì)攝像頭獲取到的圖像進(jìn)行處理，使用Sobel邊緣檢測(cè)算法，將圖像邊緣化。由于攝像頭存在視野盲區(qū)，使用兩個(gè)紅外測(cè)距傳感器進(jìn)行補(bǔ)償，綜合信息后，解算出路徑，將加工后的信息傳達(dá)至CPU進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制決策，再反饋給電機(jī)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)導(dǎo)航。

線程二：各空氣質(zhì)量傳感器對(duì)周圍環(huán)境進(jìn)行周期性檢測(cè)，將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳云端，并與用戶設(shè)置閾值比對(duì)，當(dāng)測(cè)量值超過(guò)閾值時(shí)，開(kāi)啟語(yǔ)音播報(bào)提醒用戶，通過(guò)WiFi模塊使用戶手機(jī)振動(dòng)予以提醒，同時(shí)與智能車系統(tǒng)通信，使其停止導(dǎo)航，停在危險(xiǎn)發(fā)生處。同時(shí)，車載燈光根據(jù)光敏傳感器獲取到的光照強(qiáng)度，通過(guò)PWM調(diào)光實(shí)現(xiàn)光照越暗，燈光越亮的效果。

2 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件主要包括兩部分(如圖2所示)，分別為智能車和環(huán)境感知系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)。智能車系統(tǒng)采用MM32F3277G9P單片機(jī)作為主控制器，電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用H橋電路。圖像識(shí)別使用MT9V034攝像頭，導(dǎo)航及通信所用傳感器有編碼器、陀螺儀ICM20602、紅外測(cè)距模塊、顯示屏、2.4 G無(wú)線通信模塊等；環(huán)境感知系統(tǒng)采用STM32F103ZET6單片機(jī)作為主控制器，外部傳感器有溫濕度傳感器、有害氣體傳感器、PM2.5濃度傳感器、語(yǔ)音模塊JQ8900-16P、ESP8266WiFi模塊等。兩個(gè)系統(tǒng)之間通過(guò)2.4 G無(wú)線模塊進(jìn)行通信。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

圖2 系統(tǒng)硬件原理圖

2.1 攝像頭MT9V034

攝像頭與單片機(jī)通過(guò)排線連接。攝像頭將圖像以8位二進(jìn)制數(shù)據(jù)為一組返至單片機(jī)。MT9V034具有CMOS全局快門：在曝光前整個(gè)圖像重置，像素可在曝光時(shí)間積累電荷；曝光結(jié)束后每個(gè)像素積累的電荷同時(shí)傳送到屏蔽光的存儲(chǔ)區(qū)域，然后信號(hào)從此區(qū)域讀出[3]。因所有像素同時(shí)重置，曝光積分同樣的間隔，同時(shí)傳輸?shù)焦馄帘未鎯?chǔ)區(qū)域，對(duì)移動(dòng)物體沒(méi)有形變。

2.2 WiFi模塊ESP8266

圖3所示為ESP8266模塊電路。ESP8266預(yù)留6個(gè)引腳供用戶使用：VCC、GND、TXD、RXD、RESET、GPIO0。將模塊的VCC、GND分別與STM32F103ZET6的對(duì)應(yīng)引腳連接，RXD與TXD和單片機(jī)的TXD與RXD引腳連接即可，其中RESET引腳為復(fù)位引腳，低電平復(fù)位，GPIO0為程序下載引腳，將該引腳拉低時(shí)ESP8266模塊進(jìn)入程序下載模式。

圖3 ESP8266模塊電路

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)主要包括：基于攝像頭的圖像導(dǎo)航算法，紅外測(cè)距補(bǔ)償算法，直流電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制，環(huán)境數(shù)據(jù)上傳云端。

3.1 圖像導(dǎo)航算法

MT9V034是灰度攝像頭，采集到的像素點(diǎn)根據(jù)灰度值在[0,255]之間，其中純黑色灰度值為0，純白色灰度值為255?；叶葓D像的信息量過(guò)大，不利于圖像處理，只需要得到像素點(diǎn)的黑白狀況即可。采用Sobel邊緣檢測(cè)算法[4]，對(duì)圖像進(jìn)行邊緣化處理。根據(jù)像素點(diǎn)上下、左右鄰點(diǎn)灰度加權(quán)差，在邊緣處達(dá)到極值這一現(xiàn)象檢測(cè)邊緣。經(jīng)過(guò)邊緣檢測(cè)后，圖像變?yōu)楹诎讏D像，但存在一些噪點(diǎn)，再利用高斯濾波算法[5]，對(duì)圖像進(jìn)行降噪處理，可去除大部分噪點(diǎn)。

一幀大小為188*120的圖像，經(jīng)過(guò)Sobel邊緣檢測(cè)和高斯濾波后，可得到適合處理的圖像。圖像可以反映出遠(yuǎn)近關(guān)系，在物體等大的條件下，遠(yuǎn)處物體在圖像上的像素點(diǎn)少，近處物體像素點(diǎn)多。將整幅圖像分割成兩部分，上半部分是距離較遠(yuǎn)的圖像，下半部分是距離較近的圖像。倘若圖像中未出現(xiàn)疑似障礙物，則整幅圖像僅有最左與最右兩條邊緣，路徑L的計(jì)算式為：

.

(1)

式中XLi為第i行路徑左邊緣x坐標(biāo)，XRi為第i行路徑右邊緣x坐標(biāo)。

當(dāng)視野中出現(xiàn)疑似障礙物時(shí)，計(jì)算障礙物的像素點(diǎn)面積，若大于閾值，則判定其為障礙物。若障礙物在左側(cè)，則設(shè)置其右邊緣為路徑左邊緣XLi；若在右側(cè)，則設(shè)置其左邊緣為路徑右邊緣XRi；若在正中間，設(shè)置其左邊緣為路徑右邊緣XRi，將XLi與XRi帶入式(1)，即可求得路徑L。流程圖如圖4所示。

圖4 圖像導(dǎo)航算法流程圖

3.2 紅外測(cè)距補(bǔ)償算法

由于攝像頭只能觀測(cè)到正前方130°的范圍，存在50°的視野盲區(qū)。在車體的前方兩側(cè)各安裝一個(gè)紅外測(cè)距模塊，與攝像頭的夾角為70°左右，可以消除視野盲區(qū)。左右兩側(cè)紅外模塊周期性檢測(cè)距離值，設(shè)置障礙物存在的閾值為50 cm，當(dāng)距離大于50 cm時(shí)，則判斷為無(wú)障礙物，反之，則判斷為有障礙物，路徑偏移量△為：

(2)

式中，K為比例系數(shù)，x為紅外測(cè)距值,單位(cm)。

融合后的總路徑M=L+△。紅外測(cè)距補(bǔ)償算法流程圖如圖5所示。

圖5 紅外測(cè)距補(bǔ)償算法

3.3 電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制

電機(jī)控制采用經(jīng)典的PID算法：

PIDout=Kp×err+Ki×∑err+Kd×(err-errlast).

(3)

式中Kp、Ki、Kd均為系數(shù)；errlast為上一次的偏差值；PIDout為輸出結(jié)果；err為路徑偏差值。路徑偏差值err為:

err=M-Xm

.

(4)

式中，M為自動(dòng)導(dǎo)航算法得到的總路徑；Xm為攝像頭中心坐標(biāo)。

小車轉(zhuǎn)向時(shí)可能由于慣性轉(zhuǎn)向過(guò)大而失控，或出現(xiàn)轉(zhuǎn)向抽搐、甩尾。車體在甩尾的瞬間，Z軸方向會(huì)產(chǎn)生較大的角速度，通過(guò)抑制這個(gè)角速度的產(chǎn)生，即在Z軸方向產(chǎn)生一個(gè)阻尼，可避免以上現(xiàn)象的發(fā)生。通過(guò)陀螺儀可以直接得到Z軸的角速度，使其作為附加項(xiàng)Kz×Gyro，融合進(jìn)PID中，使得轉(zhuǎn)向平滑并抑制車體甩尾與抽搐。

改進(jìn)后的PID算法為：

PIDout=Kp×err+Ki×∑err+Kd×(err-errlast)+Kz×Gyro.

(5)

3.4 環(huán)境數(shù)據(jù)上傳云端

為了讓用戶可以實(shí)時(shí)接收到環(huán)境信息并控制智能車，需要通過(guò)MQTT協(xié)議將數(shù)據(jù)上傳至云端[6]。MQTT客戶端之間實(shí)現(xiàn)通信，必須連接MQTT服務(wù)器。首先使ESP8266向服務(wù)端發(fā)送連接請(qǐng)求，即在程序上發(fā)送一個(gè)含有連接請(qǐng)求的數(shù)據(jù)包CONNECT，之后ESP8266與單片機(jī)STM32F103ZET6之間通過(guò)串口通信，單片機(jī)將采集到的環(huán)境信息，如溫濕度、有害氣體濃度、PM2.5濃度等數(shù)據(jù)打包，加入幀頭與幀尾，構(gòu)成與ESP8266通信所需的數(shù)據(jù)包，發(fā)送給ESP8266，ESP8266將串口接收到的數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析，即可得到環(huán)境信息，將環(huán)境信息以報(bào)文的形式上傳至云端即可。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了基于圖像識(shí)別的家用安防智能車，在車體結(jié)構(gòu)、自動(dòng)導(dǎo)航算法、電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制等方面提出了方案。將傳統(tǒng)的定點(diǎn)式空氣質(zhì)量檢測(cè)改進(jìn)為移動(dòng)式空氣質(zhì)量檢測(cè)，將自動(dòng)導(dǎo)航與環(huán)境監(jiān)測(cè)融為一體，且可作為移動(dòng)照明燈使用，并實(shí)時(shí)將監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)上傳至云端，一舉多得，可以解決目前居家生活的一些安全隱患問(wèn)題。