基于北斗導(dǎo)航的安全監(jiān)護(hù)機(jī)器人設(shè)計(jì)

朱溫涵，諸劍，鄭陽(yáng)，梁昊達(dá)

（南京工業(yè)大學(xué)浦江學(xué)院，江蘇南京，210000）

0 引言

目前，國(guó)內(nèi)大多數(shù)幼兒園及小學(xué)的放學(xué)時(shí)間在17：00之前。許多家長(zhǎng)反應(yīng)，該時(shí)間段常常與工作時(shí)間段沖突，如何安全接送兒童這一問(wèn)題為家長(zhǎng)們帶來(lái)了很大的負(fù)擔(dān)。此外，因?yàn)楹⒆訉?duì)外界的新鮮事物充滿了好奇心，缺乏自我保護(hù)能力[1]，所以這就給一些不法分子提供了乘虛而入的機(jī)會(huì)，制造了一系列冒領(lǐng)、錯(cuò)接、拐騙和綁架等兒童安全事故[2]，引起了社會(huì)的關(guān)注。

為解決上文問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種基于北斗導(dǎo)航的安全監(jiān)護(hù)機(jī)器人，利用創(chuàng)新?tīng)恳汁h(huán)[3]和雙衛(wèi)星定位技術(shù)[4]對(duì)兒童進(jìn)行監(jiān)護(hù)，在語(yǔ)音播報(bào)的提醒下，既可讓兒童自行熟悉回家路徑，又能夠讓其監(jiān)護(hù)人隨時(shí)掌握兒童所處位置，可用于多種情況下的兒童監(jiān)護(hù)，大大提升了兒童接送的可靠性和安全性。

1 總體設(shè)計(jì)

該機(jī)器人系統(tǒng)共包括STM32F1、ATK1218北斗和GPS信號(hào)接收模塊、HX711壓力傳感器及GSM短信模塊等。以STM32F1作為機(jī)器人主控板，控制和驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)對(duì)各傳感器、衛(wèi)星信號(hào)模塊所接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并將其呈現(xiàn)在LCD液晶顯示屏上；此外，安全監(jiān)護(hù)機(jī)器人在陪同孩童沿指定路線回家時(shí)能夠不斷接收導(dǎo)航模塊的經(jīng)緯度信息從而與設(shè)計(jì)時(shí)所給定的警示界限作比較，當(dāng)達(dá)到報(bào)警條件時(shí)，語(yǔ)音播報(bào)提示兒童沒(méi)有沿事先規(guī)劃好的路徑回家，同時(shí)若孩童超出指定距離較多時(shí)機(jī)器人將通過(guò)GSM模塊向其監(jiān)護(hù)人的指定終端設(shè)備發(fā)送警示信息及當(dāng)前經(jīng)緯度信息，以達(dá)到安全監(jiān)護(hù)的功能。

2 硬件設(shè)計(jì)

為使各模塊能發(fā)揮最大用途，且在設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上能為添加各模塊留足相應(yīng)的空間，故本設(shè)計(jì)機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)采用軟件Solidworks進(jìn)行三維建模，先繪制各個(gè)部分的零件圖再進(jìn)行整體裝配。在機(jī)器人移動(dòng)部分，使用4個(gè)自主定制的直流電機(jī)帶動(dòng)海綿內(nèi)膽輪運(yùn)動(dòng)，能夠有效跨越不平緩的陸地；在信號(hào)接收部分，使用北斗導(dǎo)航及GPS雙模塊接收衛(wèi)星信號(hào)，為信號(hào)強(qiáng)度提供了保證；在信號(hào)發(fā)送部分，使用GSM短信模塊向終端發(fā)送警示信息；此外，以上各個(gè)功能的實(shí)現(xiàn)與否均在人機(jī)交互界面顯示。

2.1 衛(wèi)星接收模塊

安全監(jiān)護(hù)機(jī)器人地理位置信息采集多數(shù)采用全球定位系統(tǒng)定位技術(shù)[5]，然后利用全球移動(dòng)通信系統(tǒng)短信息服務(wù)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的無(wú)線遠(yuǎn)程傳輸，這種方式結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是中國(guó)自行研制的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，其不但有定位功能，而且具有報(bào)文通信功能[6]。將北斗衛(wèi)星的導(dǎo)航功能和GPS定位互補(bǔ)使用，可以解決定位信息在關(guān)鍵時(shí)刻受限制的缺點(diǎn)，也可以解決使用單一定位系統(tǒng)定位不確定的問(wèn)題。所以應(yīng)用GPS/北斗導(dǎo)航雙的定位更可靠、數(shù)據(jù)處理能力更強(qiáng)，也就意味著孩童的安全更容易得到保障。GPS北斗雙衛(wèi)星定位模塊如下圖1所示。

圖1 GPS北斗雙衛(wèi)星定位模塊

2.2 GSM模塊

本設(shè)計(jì)機(jī)器人采用的GSM模塊是SIMCOM公司推出的一款高性能工業(yè)級(jí)GSM/GPRS模塊，其SIM800系列設(shè)計(jì)在官方設(shè)計(jì)上進(jìn)行了優(yōu)化，供電采用了高效開(kāi)關(guān)電源，SIM卡質(zhì)量更堅(jiān)固。該模塊支持雙頻，支持短信息、數(shù)據(jù)通信、語(yǔ)音傳輸?shù)确?wù)，具有體積小、功耗低、集成度高、傳輸速率快等優(yōu)點(diǎn)。主要通過(guò)串口傳輸標(biāo)準(zhǔn)的AT命令對(duì)模塊進(jìn)行控制，進(jìn)行各種無(wú)線通信功能。當(dāng)接收到報(bào)警指令時(shí)，GSM模塊立刻啟動(dòng)，通過(guò)基于AT指令的PUD-Model編碼將汽車(chē)狀況以文本模式發(fā)送至用戶手機(jī)上。

2.3 牽引手環(huán)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

本機(jī)器人特殊設(shè)計(jì)牽引手環(huán)以解決牽引兒童時(shí)舒適度這一問(wèn)題。在手環(huán)材料方面，主材料使用硅膠，TPU等一系列環(huán)保，舒適度性、耐用性和防污性能，防水性能都較高的材質(zhì)；其次在創(chuàng)新方面會(huì)加入溫度感受器，心率感受器，來(lái)感受孩子在路上的情況以防不測(cè)。在外觀方面，為迎合孩子的喜好設(shè)計(jì)了一系列的卡通圖案，顏色更多樣；在傳感器上，加入了壓力傳感器及溫度傳感器，并在手環(huán)上添加密碼鎖以保證孩童的安全。

使用時(shí)，只需孩童自行簡(jiǎn)單地套上牽引手環(huán)即可。其中，溫度傳感器的作用是檢測(cè)孩童實(shí)時(shí)健康狀態(tài)，壓力傳感器的作用是當(dāng)機(jī)器人移動(dòng)時(shí)主控板通過(guò)壓力傳感器得到的數(shù)據(jù)對(duì)電機(jī)速度、運(yùn)動(dòng)方向不斷調(diào)整。

3 軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)機(jī)器人為套上手環(huán)后一鍵啟動(dòng)進(jìn)行全自動(dòng)化安全監(jiān)護(hù)。程序中運(yùn)用中斷較多，而硬件上STM32中斷口的豐富為程序編寫(xiě)提供了便利。此外各模塊的底層代碼均已開(kāi)源，修改編寫(xiě)更為便捷。

當(dāng)兒童套好手環(huán)后，機(jī)器人將自行啟動(dòng)并對(duì)所有模塊完成初始化。孩童牽引機(jī)器人過(guò)程中如若壓力適宜且機(jī)器人在事先規(guī)定好的經(jīng)緯度上運(yùn)行，則正常跟隨，否則語(yǔ)音播報(bào)模塊將提醒孩童、短信收發(fā)模塊會(huì)將報(bào)警信息發(fā)送至監(jiān)護(hù)人終端，當(dāng)孩童到達(dá)指定經(jīng)緯度時(shí)，監(jiān)護(hù)結(jié)束。

4 機(jī)器人調(diào)試

在本節(jié)中，將對(duì)安全監(jiān)護(hù)機(jī)器人北斗導(dǎo)航模塊與GSM通信的調(diào)試過(guò)程進(jìn)行簡(jiǎn)要說(shuō)明。

4.1 北斗導(dǎo)航模塊的調(diào)試過(guò)程

在本設(shè)計(jì)中，因?yàn)榉抡姝h(huán)境下北斗模塊與GPS接收數(shù)據(jù)無(wú)明顯差別，所以采用已有的Virtual GPS進(jìn)行仿真。在Proteus中搭建好電路，并打開(kāi)計(jì)算機(jī)的虛擬串口將其作為理想中衛(wèi)星向MCU傳遞數(shù)據(jù)，最終在LCD1602液晶屏上顯示。

由仿真結(jié)果可知，LCD屏幕上此刻顯示的是東經(jīng)119.910166°，北緯29.526313°。經(jīng)過(guò)高德地圖經(jīng)緯度查詢，此處位于南京工業(yè)大學(xué)浦江學(xué)院溧水校區(qū)附近。此外，在翔宇路南地鐵站及南京南站進(jìn)行了虛擬GPS仿真調(diào)試，得到結(jié)果如下表1所示。通過(guò)查詢，LCD1602上顯示的位置與通過(guò)經(jīng)緯度查詢得到經(jīng)緯度幾乎相同，故北斗導(dǎo)航模塊仿真結(jié)果正確，調(diào)試結(jié)果較好。

表1 虛擬GPS仿真調(diào)試結(jié)果

4.2 GSM通信的調(diào)試過(guò)程

在本次調(diào)試中，使用GSM直接與電腦上位機(jī)進(jìn)行通信測(cè)試，模塊通過(guò)TTL接口與電腦上位機(jī)通信，電腦端通過(guò)串口發(fā)送相應(yīng)指令，串口助手上顯示對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)。在本次調(diào)試中，向串口調(diào)試助手發(fā)送了AT+CSQ指令，此指令可查詢北斗導(dǎo)航模塊信號(hào)的質(zhì)量。

由返回的數(shù)據(jù)得到數(shù)值為27，據(jù)查閱信號(hào)強(qiáng)度最大可返回31，一般大于10即可。故GSM通信的信號(hào)較強(qiáng)。

5 總結(jié)

本次設(shè)計(jì)使用STM32作為監(jiān)護(hù)機(jī)器人的主控板實(shí)現(xiàn)了一套基于北斗導(dǎo)航的安全監(jiān)護(hù)機(jī)器人的設(shè)計(jì)方案。該機(jī)器人打破了過(guò)往使用GPS的限制改用北斗導(dǎo)航與GPS雙模塊，設(shè)計(jì)了帶有壓力傳感器的牽引手環(huán)。同時(shí)還實(shí)現(xiàn)了語(yǔ)音提示、短信報(bào)警等功能，一定程度上減輕了家長(zhǎng)因工作沖突帶來(lái)的負(fù)擔(dān)，解決了接送孩童的安全問(wèn)題。