基于多傳感器檢測(cè)的智能安防巡邏小車(chē)

千承輝，綦振偉，張 楠，張興宇，劉鴻石

(吉林大學(xué)儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院，長(zhǎng)春130026)

0 引 言

隨著城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大，安防工作在當(dāng)今社會(huì)發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。長(zhǎng)期以來(lái)，安防工作一直沿用傳統(tǒng)的人工巡邏體制，巡邏的路線、時(shí)間、頻率以及密度都不盡合理。所以難免出現(xiàn)人力浪費(fèi)，事倍功半以及由于巡邏人員責(zé)任心不強(qiáng)而造成消極怠工玩忽職守的現(xiàn)象。以至于企業(yè)和單位常常投入大量的人力、物力、財(cái)力卻依然難以起到理想的安防效果［1］。

智能安防巡邏小車(chē)集多種傳感器于一體，能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)巡邏地的各項(xiàng)環(huán)境指標(biāo)參數(shù)，并可以在緊急情況，如:火災(zāi)、外來(lái)人員入侵等事件突發(fā)時(shí)進(jìn)行自動(dòng)報(bào)警。巡邏車(chē)通過(guò)攝像頭進(jìn)行循跡和避障，使用光強(qiáng)傳感器采集光強(qiáng)并為其提供照明，通過(guò)無(wú)線收發(fā)模塊傳輸視頻，并通過(guò)上位機(jī)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程檢測(cè)控制。巡邏車(chē)還可以實(shí)現(xiàn)智能充電。智能安防巡邏車(chē)的自主巡邏和遠(yuǎn)程監(jiān)控具有靈活便利，穩(wěn)定性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，能在人少值守的情況下實(shí)現(xiàn)全方位監(jiān)控巡邏地以保障安全，節(jié)約了人力物力并提高了巡邏效率［2］。

智能安防巡邏車(chē)的研發(fā)克服了傳統(tǒng)巡邏體制的不足，是一種能自主巡邏、采集信息、智能充電、精確定位的先進(jìn)設(shè)備。巡邏車(chē)采用先進(jìn)的控制系統(tǒng)和算法，不僅能出色完成巡邏任務(wù)，而且對(duì)智能化控制系統(tǒng)的研究更進(jìn)一層，對(duì)汽車(chē)工業(yè)也有很大的推廣作用［3］。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智能安防巡邏小車(chē)采用飛思卡爾主控芯片K60與外加單片機(jī)MSP430相互協(xié)調(diào)控制整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。其中主控制器主要控制小車(chē)的正常行駛、速度調(diào)節(jié)和無(wú)線傳輸?shù)裙δ?，輔助控制器主要執(zhí)行煙霧報(bào)警、溫度檢測(cè)、光強(qiáng)檢測(cè)、電量管理和語(yǔ)音提示等多種傳感功能。

在巡邏時(shí)，小車(chē)通過(guò)攝像頭檢測(cè)前方路況，在空曠路面巡邏時(shí)，小車(chē)行駛較快，一旦進(jìn)入易發(fā)事故地點(diǎn)，小車(chē)將放慢速度仔細(xì)巡邏。其多種傳感器可以感知環(huán)境變化，一旦檢測(cè)到煙霧和火焰，小車(chē)將發(fā)出報(bào)警信號(hào)。小車(chē)通過(guò)超聲波實(shí)時(shí)進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，當(dāng)外來(lái)人員入侵時(shí)，小車(chē)會(huì)發(fā)出語(yǔ)音警告并向終端報(bào)警。一旦小車(chē)的電量低于設(shè)定值，小車(chē)便會(huì)停止巡邏自動(dòng)返回出發(fā)地點(diǎn)等待充電。此外，為克服傳統(tǒng)GPS定位的不精準(zhǔn)性，設(shè)計(jì)了有效的定位算法對(duì)小車(chē)進(jìn)行實(shí)時(shí)定位，這樣一旦有情況發(fā)生，便能及時(shí)趕到事發(fā)地點(diǎn)，提高巡邏效率。

2 巡邏車(chē)的硬件設(shè)計(jì)

巡邏車(chē)具有完善的傳感器系統(tǒng)［4］、運(yùn)動(dòng)控制算法、實(shí)時(shí)通信的能力以及可靠的執(zhí)行機(jī)構(gòu)［5］。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

首先小車(chē)裝有溫度傳感器、煙霧傳感器、光強(qiáng)傳感器和超聲波等多種傳感器，實(shí)時(shí)采集環(huán)境信息。

1)采用熱敏電阻加A/D轉(zhuǎn)換的方式進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)，熱敏電阻具有靈敏可靠的優(yōu)點(diǎn)［6］，A/D轉(zhuǎn)換器兼有抑制串模干擾能力強(qiáng)、分辨力高、線性度好、成本低等優(yōu)點(diǎn)［7］，解決了DS18B20精度不高測(cè)溫范圍較低的問(wèn)題。

2)煙霧傳感器利用火災(zāi)發(fā)生初期，燃料急劇氧化釋放的氣溶膠粒子及煙霧進(jìn)入檢測(cè)電離室后，吸附并中和正負(fù)離子，使電離電流急劇減少，改變了離子電流平衡狀態(tài)，在中間電極產(chǎn)生一個(gè)與被測(cè)煙霧濃度呈正比的電壓增量，通過(guò)分析電壓增量的變化進(jìn)行火災(zāi)的預(yù)警［8］。

3)攝像頭采集圖像受光強(qiáng)影響，采用光強(qiáng)傳感器BH1750采集光強(qiáng)并為其提供不同程度的照明。該芯片具有I2C總線接口、對(duì)應(yīng)大范圍輸入光、功率低、內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換器和無(wú)需外接部件等優(yōu)點(diǎn)［9］。

4)對(duì)入侵人員的檢測(cè)依靠超聲波傳感器實(shí)現(xiàn)，超聲波測(cè)距是一種有效的非接觸式測(cè)距方法，其原理是超聲波傳感器可以發(fā)生一定頻率的超聲波并借助空氣媒質(zhì)傳播，到達(dá)測(cè)量目標(biāo)或障礙物后反射回來(lái)，通過(guò)計(jì)算傳輸時(shí)間得出距離［10］。將其與360°旋轉(zhuǎn)舵機(jī)連接實(shí)現(xiàn)對(duì)四周的監(jiān)測(cè)，超聲波模塊將在每個(gè)方位上連續(xù)掃描，將超聲波掃描到的前一周期的位置信息與后一周期的位置信息相比較，實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)態(tài)物體的檢測(cè)。根據(jù)舵機(jī)轉(zhuǎn)角確定目標(biāo)位置信息，CPU控制攝像頭轉(zhuǎn)向?qū)δ繕?biāo)進(jìn)行監(jiān)控并發(fā)出語(yǔ)音提示，成功地解決了熱釋電傳感器識(shí)別距離短和靈敏度低的問(wèn)題［11］。

其次，智能安防巡邏小車(chē)通過(guò)攝像頭循跡完成正常行駛，通過(guò)無(wú)線通訊實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控［12］。采用攝像頭進(jìn)行路徑識(shí)別，其工作原理是用攝像頭提取小車(chē)前方道路的圖像，獲得小車(chē)前方的路況信息［13］(見(jiàn)圖2)，再將采集到的圖像通過(guò)軟件進(jìn)行二值化［14］(攝像頭采集灰度圖像的閥值大于預(yù)設(shè)值時(shí)將其置1，相反則置0)(見(jiàn)圖3)。根據(jù)二值化圖像采用PID(Proportional Integral Differential)算法對(duì)舵機(jī)和電機(jī)控制［15］，最終使小車(chē)沿著預(yù)定的道路前進(jìn)［16］。采用攝像頭提高了軌道信息采集速度，解決了高速狀態(tài)下紅外對(duì)管循跡穩(wěn)定性差的問(wèn)題。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The structure of the system

圖2 路況信息圖Fig.2 Traffic information graph

圖3 二值化圖像Fig.3 The two value image

攝像頭將采集到的圖像通過(guò)無(wú)線模塊傳送給在Windows系統(tǒng)平臺(tái)下搭建的上位機(jī)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)巡邏車(chē)的遠(yuǎn)程控制［17］，上位機(jī)界面如圖4所示。在自主巡邏的基礎(chǔ)上，可以在既定路線對(duì)小車(chē)的速度進(jìn)行設(shè)定，在走廊等空曠安全的路面巡邏時(shí)，小車(chē)的行駛設(shè)定為快速，以節(jié)約時(shí)間、提高巡邏效率，一旦進(jìn)入巡邏地點(diǎn)，小車(chē)將放慢巡邏速度，以全面細(xì)致巡邏，保障巡邏質(zhì)量。

再次，巡邏車(chē)在工作中一旦檢測(cè)到突發(fā)情況會(huì)發(fā)生報(bào)警，需要實(shí)時(shí)了解小車(chē)的具體位置，以便及時(shí)采取措施，保證巡邏地點(diǎn)的安全。通過(guò)測(cè)速碼盤(pán)將速度信息經(jīng)過(guò)計(jì)算轉(zhuǎn)換成距離信息，并計(jì)算與初始點(diǎn)的距離，通過(guò)Windows平臺(tái)呈現(xiàn)出當(dāng)前位置，并在每個(gè)巡邏周期重新初始化定位原點(diǎn)，避免因多次巡邏的誤差累計(jì)造成的定位誤差較高的問(wèn)題。

最后，智能安防巡邏車(chē)通過(guò)輔助控制器進(jìn)行AD采集轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)對(duì)小車(chē)電量的檢測(cè)，當(dāng)小車(chē)電池的電量低于預(yù)定值時(shí)，小車(chē)將停止巡邏，自動(dòng)返回到出發(fā)位置，等待充電。

智能安防巡邏小車(chē)完善的傳感功能能全面檢測(cè)巡邏地點(diǎn)的各項(xiàng)環(huán)境指標(biāo)，在第一時(shí)間檢測(cè)到火災(zāi)、盜竊等潛在的威脅安全的因素。智能的循跡避障、電量管理、速度調(diào)節(jié)和實(shí)時(shí)定位等功能讓小車(chē)可以暢通無(wú)阻地進(jìn)行巡邏，保障巡邏效率，大大節(jié)省了人力和物力，具備很強(qiáng)的開(kāi)發(fā)潛力和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

圖4 上位機(jī)軟件界面Fig.4 PC software interface

3 巡邏車(chē)的軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)選用K60與MSP430單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，采用C語(yǔ)言對(duì)軟件部分進(jìn)行開(kāi)發(fā)，使軟件具有可讀性好，可移植性好等特點(diǎn)［18］。整個(gè)系統(tǒng)的程序采用子程序調(diào)用的模塊化設(shè)計(jì)方式，各個(gè)子程序塊設(shè)計(jì)相對(duì)獨(dú)立，便于后期的修改和調(diào)整。程序的流程如圖5所示。

圖5 程序流程圖Fig.5 Program flow chart

4 測(cè)試與分析

由于定位算法是在巡邏車(chē)行駛距離的基礎(chǔ)上完成的，為了保證定位準(zhǔn)確，對(duì)巡邏車(chē)真正行使距離X和處理器測(cè)得數(shù)據(jù)Y進(jìn)行多次測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 行駛距離與測(cè)量距離測(cè)試結(jié)果Tab.1 The travel distance and distance measurement test

同時(shí)又測(cè)試了超聲波檢測(cè)入侵人員的準(zhǔn)確程度，其中A表示有物體靠近，B表示有物體遠(yuǎn)離，C表示有物體不動(dòng)，測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 超聲波檢測(cè)入侵人員測(cè)試結(jié)果Tab.2 Test results of ultrasonic intrusion detection

巡邏車(chē)能否在光線較暗的地方行駛?cè)Q照明系統(tǒng)，于是對(duì)照明系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表3所示。

表3 照明系統(tǒng)穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果Tab.3 Lighting system stability test

誤差分析:1)行駛距離是通過(guò)光電碼盤(pán)測(cè)量的，其原理是記錄脈沖的個(gè)數(shù)最后轉(zhuǎn)化為距離，因?yàn)樾≤?chē)行駛與計(jì)數(shù)不能做到完全同步，由此會(huì)引發(fā)±1誤差，從測(cè)試結(jié)果可看出，最大相對(duì)誤差為3%，隨著行駛距離的不斷增大，其相對(duì)誤差在不斷減小，因此分析在實(shí)際巡邏過(guò)程中，行駛距離和測(cè)量距離差距不大;2)小車(chē)在行駛過(guò)程中晃動(dòng)會(huì)影響計(jì)數(shù)的準(zhǔn)確性，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響較大，但從測(cè)試結(jié)果可以看出，最終測(cè)試誤差不大，可對(duì)行駛距離數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，完成對(duì)巡邏車(chē)的定位。超聲波測(cè)距的原理與此類(lèi)似，由測(cè)試結(jié)果可以看出，超聲波能正確檢測(cè)出是否有入侵人員，在巡邏過(guò)程中基本不會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤報(bào)警，從而保障了巡邏的有效性。

5 結(jié)語(yǔ)

智能安防巡邏小車(chē)完善的傳感功能、精準(zhǔn)的運(yùn)動(dòng)控制算法、實(shí)時(shí)通信的能力以及可靠的執(zhí)行機(jī)構(gòu)無(wú)一不顯示了其廣闊的應(yīng)用前景。其自主巡邏功能配合安防人員共同完成巡邏工作，很大程度上減輕了人工強(qiáng)度和物力投資，有效地避免由于人為因素造成的安全疏忽和經(jīng)濟(jì)損失。另一方面，智能安防巡邏小車(chē)的多種傳感檢測(cè)功能，可以實(shí)時(shí)檢測(cè)被巡邏場(chǎng)所的各項(xiàng)環(huán)境參數(shù)，從而及時(shí)全面地排除了多種隱患，有力地保障了被巡邏場(chǎng)所能時(shí)刻處于良好的安全狀態(tài)。智能安防巡邏小車(chē)作為新時(shí)期人類(lèi)運(yùn)用科技，解決生活問(wèn)題的創(chuàng)新產(chǎn)物，還具有靈活高效、方便實(shí)用、易于普及推廣的優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于社區(qū)、學(xué)校等多種場(chǎng)所，有著良好的應(yīng)用前景和發(fā)展空間。

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