楊青青,韓雪雯,吳千千

(保定學(xué)院,河北 保定 071000)

0 引言

如今,我國大部分化工廠及危險品倉庫存儲主要采用定點檢測和人工巡檢這一傳統(tǒng)方式,這種方式存在人員安全難以保證和檢測不全面、不精確等弊端。本設(shè)計基于此背景研制了能夠在化工廠進行日常自主安全巡檢和及時報警提醒的智能視覺安防巡檢機器人,代替?zhèn)鹘y(tǒng)人工方式,達到了及時、精確的目的,保障了巡檢人員的安全,實現(xiàn)工廠智能化、自動化。

1 系統(tǒng)原理及方法

本產(chǎn)品采用STM32F1 開發(fā)板和Arduino MEGA2560作為主控芯片,外置了MQ 系列(MQ_2,MQ_135,MQ_3,MQ_7,MQ_9)傳感器、溫濕度傳感器、雨滴傳感器、光敏傳感器、GPS 定位等硬件采集設(shè)備,主控芯片采集周圍環(huán)境信息,并將采集的信息通過ESP8266 無線傳輸模塊上傳到監(jiān)控臺,進而通過上位機實時顯示并監(jiān)測工廠的環(huán)境參數(shù),實現(xiàn)了越限報警。 智能視覺安防巡檢機器人設(shè)計,包括硬件模塊的選型與設(shè)計、后臺監(jiān)測軟件開發(fā)與設(shè)計[1]。 檢測系統(tǒng)的核心硬件模塊,包括采集模塊、傳輸模塊、監(jiān)控模塊、控制模塊、GPS 定位、紅外避障、自主循跡模塊、4G 短信報警8 個部分?？傮w設(shè)計,如圖1 所示。

圖1 總體設(shè)計

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)整體設(shè)計

本產(chǎn)品數(shù)據(jù)采集端采集環(huán)境信息、獲取定位以及監(jiān)控上傳至Arduino MEGA 2560,通過ESP8266 無線傳輸模塊傳輸至上位機,在上位機上進行顯示。 上位機實現(xiàn)了環(huán)境信息實時監(jiān)測、機器運動的遠程控制、監(jiān)控等功能[2-5]。

2.2 系統(tǒng)詳細硬件設(shè)計

本項目硬件核心模塊包括:采集模塊、傳輸模塊、監(jiān)控模塊、控制模塊、GPS 定位、紅外避障、自主循跡模塊、4G 短信報警模塊8 個部分。

(1) 采集終端:由STM32F1 開發(fā)板和Arduino MEGA2560 外接各種傳感器MQ 系列(MQ_2,MQ_135,MQ_3,MQ_7,MQ_9)傳感器、溫濕度傳感器、雨滴傳感器、光敏傳感器、GPS 定位、紅外避障等信息采集設(shè)備,實現(xiàn)了對工廠環(huán)境參數(shù)的實時采集。

(2)傳輸模塊:采用ESP8266 無線傳輸模塊和HC-06 藍牙模塊來進行數(shù)據(jù)的傳輸。 無線傳輸模塊和藍牙模塊具有低功耗、強力抗干擾、RSSI 信號強度檢測、數(shù)據(jù)加密等優(yōu)點。 不僅可以將底層采集的信息傳輸?shù)奖O(jiān)控中心,還可以將監(jiān)控中心的命令下達至底層[6]。

(3)監(jiān)控模塊:使用舵機控制的視頻傳輸模塊,實時獲取視頻信息并通過無線模塊傳輸至移動終端。 主要作用是進行圖像的采集,可以進行圖像的保存和傳輸。

(4)控制模塊:上位機發(fā)送字符給HC-06 藍牙模塊,藍牙模塊接收后發(fā)送信號給STM32F1 開發(fā)板,開發(fā)板最終驅(qū)動機器人,讓其運動起來。 包括對機器人的啟動、前進、后退、轉(zhuǎn)彎、停止、中高速控制、避障等功能[5-6]。

(5)GPS 定位:采用GT-U7 模塊,具有高靈敏度、低功耗、小型化的優(yōu)點。 其極高的追蹤靈敏度大大擴大了定位的覆蓋面,在普通GPS 接收模塊不能定位的地方,如狹窄都市天空下、密集的叢林環(huán)境等,GT-U7 都能高精度定位。

(6)紅外避障:紅外避障傳感器具有一對紅外線發(fā)射與接收管,發(fā)射管發(fā)射出一定頻率的紅外線,當(dāng)檢測方向遇到障礙物時,紅外線反射回來被接收管接收[7]。

(7)自主循跡模塊:采用光電循跡模塊對地上的黑線較周圍淺色背景反射率低,通過對機器人前方地面發(fā)射光(通常為紅外線),比較接收到的光信號強弱即可知道前進方向與線的差距,從而調(diào)整路線。 這樣,在有黑色軌跡的工廠走廊上,裝有光電循跡模塊的機器人就能自己按照軌跡來向前走,從而達到自動導(dǎo)航循跡[8]。

(8)4G 短信報警模塊:短信模塊傳輸距離遠,耐用抗干擾,通信連接主板,啟用后能夠在其他模塊監(jiān)測信息的同時對數(shù)值進行越限報警,以短信的方式發(fā)送至管理員手機,實時監(jiān)測工廠內(nèi)安全情況。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 底層驅(qū)動功能軟件開發(fā)

主程序通過發(fā)送指令調(diào)用自定義的模塊Front()函數(shù),xunji()函數(shù),fengmingqi()函數(shù),hhnmbdzgq()函數(shù)進行實現(xiàn),以下是具體主程序?qū)崿F(xiàn):

在為管理員傳遞信息時用到了重要的報警短信發(fā)送程序,調(diào)用void sendMeg(int bjms)短信報警程序?qū)崿F(xiàn)信息的發(fā)送傳遞,具體sendMeg(int bjms)程序的實現(xiàn)流程,如圖2 所示。

圖2 短信報警流程

3.2 信息采集功能軟件開發(fā)

本項目為了實現(xiàn)對周圍環(huán)境做出及時的反饋,主要采用了Arduino MEGA2560 連接各種傳感器,給定正常的數(shù)據(jù)范圍。 在傳感器檢測到數(shù)據(jù)后能夠在上位機顯示并做出判斷。 實現(xiàn)小機器人的自動避障功能,主要采用上位機發(fā)送字符指令,來控制機器人的運動,機器人還能夠自主循跡來運動。 采集模塊代碼編寫流程,如圖3 所示。

圖3 采集模塊流程

信息采集軟件利用Android 開發(fā)了一個App 監(jiān)控程序,通過對工廠的實時監(jiān)測,利用硬件設(shè)備采集得到了工廠溫度、濕度、二氧化碳,可燃氣體,煙霧光照以及是否漏水等參數(shù),確保工廠處于安全狀態(tài),若發(fā)現(xiàn)安全隱患及時監(jiān)測并報警。 為了實現(xiàn)小車的自動避障功能,主要采用上位機發(fā)送字符指令,來控制小車的運動。 該App 連接到硬件主板后獲取數(shù)據(jù)進行顯示,監(jiān)聽服務(wù)器發(fā)來的消息,具體連接服務(wù)器代碼如下:

4 結(jié)語

本項目是基于 STM32F1 開發(fā)板和 Arduino MEGA2560 所做的智能視覺安防巡檢機器人,利用Arduino MEGA2560 連接各種傳感器,使小車具有采集接收數(shù)據(jù)、判斷數(shù)據(jù)是否處于正常范圍等功能,可以提前對危險做出反應(yīng),能夠大大降低生產(chǎn)安全事故帶來的人員傷亡和財產(chǎn)損失。 自動避障和定位功能,能夠自動巡檢并在檢測到危險信號時發(fā)出警報,并且傳送到上位機,使管理人員及時防范。 智能巡檢機器人成本低,便于操作,采集數(shù)據(jù)精確,可減少人工操作,具備自動避障、短信報警、GPS 定位、自主循跡等功能,從而 實現(xiàn)了生產(chǎn)過程的智能化、信息化管理。