莫慧芳，董立國，司徒文杰

（1.廣州科技貿(mào)易職業(yè)學院，廣州 511442；2.廣州軟件學院，廣州 510990）

0 引言

隨著機器人智能化的發(fā)展，建筑施工向高級化發(fā)展，在建筑上機器人能夠逐漸代替人完成工地上危險、繁重的工作。機器人裝有數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)能實現(xiàn)自動獲取所需數(shù)據(jù)進行分析，調(diào)整作業(yè)情況。

噴涂的質(zhì)量問題是建筑施工的重中之重。在建筑工作中，環(huán)境因素時常被忽視的。由于帶有隨機的特性的環(huán)境因素會對項目的施工質(zhì)量帶來很大的影響。所以項目作業(yè)時需實施環(huán)境監(jiān)控，要不斷收集獲取現(xiàn)場實時的環(huán)境數(shù)據(jù)［1］。人工采集數(shù)據(jù)需在作業(yè)范圍內(nèi)，安全性和效率上有所降低。因為噴漆物質(zhì)具有毒性，會對人體產(chǎn)生潛在的危害，且對不同數(shù)據(jù)需分別使用不同方法進行采集，從而導致作業(yè)效率低。所以如何設(shè)計出環(huán)境監(jiān)控采集模塊是此次論文研究的目標。

在噴涂機器人作業(yè)中由于自然環(huán)境的溫濕度、施工作業(yè)的粉塵顆粒度等因素都會影響墻體的噴涂效果。如果通過機器遠程操控，人體可以減少吸入有害氣體，并且它能高效實時地讀出數(shù)據(jù)，檢測環(huán)境的不可控變量，方便分析和檢測出不同參數(shù)下使用哪個方案使油漆能在墻面平滑均勻、無開裂空鼓的噴涂效果，使其不會形成流墜、不均等情況。這樣的環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)能輔助施工者現(xiàn)場環(huán)境監(jiān)控，預防機器故障，能夠方便進行數(shù)據(jù)報告的分析，提高檢測業(yè)務的效率［2］。所以本論文提出設(shè)計出環(huán)境監(jiān)控采集模塊，可以說環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)擁有廣泛的應用前景。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)主要采用傳感器技術(shù)、OpenCv視覺技術(shù)、通信技術(shù)與Flask Web的開發(fā)技術(shù)整合的智能化平臺，運用主控單元搭建無線通訊網(wǎng)絡平臺，運用Python語言和Flask Web開發(fā)可以遠程監(jiān)控的環(huán)境監(jiān)控頁面，使其實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、視頻監(jiān)控、預警和終端可視化等功能［3］；根據(jù)噴涂機器人的優(yōu)化系統(tǒng)所需的環(huán)境因素和自身的控制條件因素，進行監(jiān)控系統(tǒng)的各個因素模塊的功能分析、框架結(jié)構(gòu)的搭建、功能模塊選擇、硬件和軟件設(shè)計。最后對系統(tǒng)進行功能模塊測試、性能分析以及優(yōu)化系統(tǒng)。環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框架

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

為了實現(xiàn)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)功能穩(wěn)定、簡單靈活使用的設(shè)計要求，采用模塊化的設(shè)計思想，把整個系統(tǒng)劃分為數(shù)據(jù)采集、視頻監(jiān)控、預警和顯示這四大部分。通過樹莓派讀出各傳感器串口的字節(jié)，進行數(shù)據(jù)解析，轉(zhuǎn)換成可讀數(shù)據(jù)后再上傳到服務器［4］。硬件總體設(shè)計框架如圖2所示。

圖2 硬件總體設(shè)計框架

2.1 溫濕度采集模塊

單總線通信的DHT22傳感器，擁有一個高性能的8位微控制器，采用了數(shù)字模塊采集和溫濕度技術(shù)為其傳感器帶來可靠和穩(wěn)定的性能［5］。通過電源線、信號線和地線連接通上3.3～5 V的工作電壓，就可以通過極低的功耗進行工作。DHT22模塊電路圖如圖3所示。利用DHT22傳感器采集噴涂機器人施工時附近的溫度，采集至自身存儲模塊，數(shù)據(jù)實時采集，實時更新至PC/手機（終端）展示頁面。

圖3 DHT22模塊電路

2.2 顆粒度采集模塊

SDS01（顆粒度傳感器）工作電壓為4.7～5.3 V，利用TTL串口與樹莓派直接對接串口，方便用戶進行二次開發(fā)，實現(xiàn)更多功能。PM2.5測量精度：±10μg/m3；PM10測量精度：±10μg/m3。

激光散射的原理：從傳感器里發(fā)射一束光，然后通過粒子的布朗運動，根據(jù)光的散射原理進行粒子大小測量。光在粒子上會因為粒子的直徑大小會發(fā)生光散射現(xiàn)象。此時光會產(chǎn)生強度會因為反射角度增加而衰弱。從而通過轉(zhuǎn)換公式進行獲取數(shù)據(jù)。

通過SDS01傳感器采集噴涂機器人施工時附近的PM2.5的較小粉塵顆粒，采集至自身存儲模塊，數(shù)據(jù)實時采集，實時更新至PC/手機（終端）展示頁面。

2.3 距離采集模塊

HC-SR04傳感器基于往返時間的檢測方法。離墻距離測量精度：±0.1 mmoHC-SR04模塊電路如圖4所示。

圖4 HC-SR04模塊電路

超聲波測距方法的原理：在傳感器上有發(fā)射器、接收器和計時器。當傳感器開始運作時，首先向目標單位發(fā)射超聲波同時計時器開始計時；遇到目標單位進行回返；然后待接收器進行接收，同時計時器停止計時?？梢詮臅r間計算出目標物體的距離。

3 軟件電路設(shè)計

噴涂機器人的環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計，分為數(shù)據(jù)采集模塊、視覺識別和通信模塊3個部分［6］。數(shù)據(jù)采集設(shè)計是整個系統(tǒng)的最重要的監(jiān)測環(huán)節(jié)；視覺識別是視頻監(jiān)控的主要部分，為系統(tǒng)提供重要的視覺采樣；通信模塊是系統(tǒng)設(shè)計的核心，基于它可以實現(xiàn)無線通信、遠程監(jiān)控等功能。

（1）視覺識別設(shè)計

OpenCV是一個開源計算機視覺庫，它可以直接讀取Raspberry Pi相機中的視頻，進行視覺識別等計算機視覺開發(fā)［7］。在本文中，由于噴涂機器人作業(yè)后，對于不平整的墻面對光反射，表面產(chǎn)生明暗度不均勻、開裂、空鼓等缺陷，利用攝像頭對于墻體進行精確地視覺識別進行圖片分析，為施工人員提供了便攜高效的方法。

視覺識別技術(shù)框架如圖5所示。圖中梯度信息更能反應出其本質(zhì)的信息，為了提高算法的運算能力，將RGB圖通過灰度方法變?yōu)閱瓮ǖ赖膱D，這樣大大減少了信息量［8］；中值濾波是一種非線性平滑濾波技術(shù)，主要為了抑制椒鹽噪聲，改善圖像質(zhì)量。通過對圖像的每個點進行分析，取某點的領(lǐng)域的各像素點進行從小到大的排序，取中間值賦予給其每個領(lǐng)域點，使其像素平滑，孤立噪聲點，達到很好去噪聲效果；圖像閾值處理-二值化是最為特殊和普通使用的閾值技術(shù)，二值化通過閾值設(shè)定，把大于閾值的點設(shè)為255低于閾值為0使其呈現(xiàn)出黑白效。閾值優(yōu)點在于減少計算機運算量和提高運算效率；邊緣檢測通過圖像濾波處理后，通過v2.findCon?tours()函數(shù)進行檢測圖像輪廓，通過計算出一個簡易的邊界進行數(shù)據(jù)大小修改，進行輪廓檢索模式和建立等級關(guān)系；繪制輪廓通過Find Contours()函數(shù)進行輪廓查找，當識別出輪廓后。采用Draw Contours()函數(shù)進行邊緣化的輪廓描邊。

圖5 視覺識別技術(shù)框架

（2）無線通信設(shè)計

無線通信是通過空氣隨著電磁波傳播實施數(shù)據(jù)交互，可以無障礙實行數(shù)據(jù)通信，無線通信技術(shù)自身具有靈活性、高效性、性價比高［9］。常見的無線通信技術(shù)有Zig-Bee、Bluetooth和WiFi等。本文采用的主控單元樹莓派其支持無線網(wǎng)卡的數(shù)據(jù)通信，可以進行WiFi通信，使其實現(xiàn)遠程控制。WiFi的技術(shù)是通過無線局域網(wǎng)接入802.11協(xié)議，其優(yōu)勢為傳輸速度快、拓展覆蓋面廣、適合高速數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務、空間利用率高不受布線限制且輻射小健康安全。

樹莓派帶有無線網(wǎng)卡，此時需在樹莓派搭建一個無線AP路由，無線AP可以通過橋接功能進行兩個AP路由的數(shù)據(jù)傳輸，這樣能在自由的環(huán)境中進行通信。在樹莓派系統(tǒng)里添加啟動無線AP腳本，進行開機自啟動模式，設(shè)置好自啟動后的WiFi名字和密碼，無線AP路由自啟動就可以正常運作。使其樹莓派啟動時無需人為配置參數(shù)，直接可以發(fā)射WiFi信號，等待PC/手機端進行連接，然后進行服務器啟動的準備。WiFi的設(shè)計流程如圖6所示。

4 測試結(jié)果與分析

數(shù)據(jù)傳輸是Flask Web技術(shù)將樹莓派接收到的傳感器數(shù)據(jù)發(fā)送到服務器中，再通過用戶進行WiFi無線通信連接訪問端口號進行Web頁面數(shù)據(jù)監(jiān)測［10］。數(shù)據(jù)傳輸測試結(jié)果如表1所示。

數(shù)據(jù)在Web端輸入Url，其中IP地址端口默認為5 000，等待顯示數(shù)據(jù)，各數(shù)據(jù)正常顯示則系統(tǒng)正常。Web顯示界面如圖7所示。通過測試，可以看到PC頁面和手機App兩端可以成功顯示相關(guān)的環(huán)境監(jiān)測指標，反映出數(shù)據(jù)采集、視頻監(jiān)控、預警和顯示等功能運行正常，為機器人的噴涂方案制定以及工作順利開展，起到了較好的協(xié)助作用。

圖7 Web顯示界面

5 結(jié)束語

本系統(tǒng)實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、視頻監(jiān)控、預警和顯示等功能，并將上述功能應用在噴涂機器人上面，較好地解決了機器人在噴涂過程中，因環(huán)境監(jiān)測指標缺失，造成的噴涂效果差的問題。通過PC頁面和手機App等終端顯示，客戶可以實時觀測噴涂現(xiàn)場的環(huán)境指標，為合理化設(shè)計機器人的噴涂方案，提供了有效的依據(jù)。在環(huán)境異常情況下，有效地預警，最大程度降低了危險事故的發(fā)生。在實際的工程應用中，該系統(tǒng)起到了應有的作用，大大提高了噴涂的效率，獲得了施工方的一致好評。