基于云平臺的校園無人巡邏機器人遠(yuǎn)程智能控制系統(tǒng)設(shè)計

王國杰 薛 磊 趙 凱

(邯鄲職業(yè)技術(shù)學(xué)院 計算機系，河北 邯鄲 056005)

引言

無人巡邏機器人是一款可用于校園、工業(yè)園區(qū)、社區(qū)等公共場所的智能化巡檢設(shè)備。其具先進(jìn)的自主導(dǎo)航、圖像識別算法、精確定位、地圖建模等技術(shù)，可在自主巡邏過程中實現(xiàn)對周邊的人、事、物的識別、偵測和分析，是目前高效率、高智能化的“機器人+安防”巡邏手段之一。其具備多種功能如：遠(yuǎn)程通信、人機交互、巡檢錄像、AI智能分析、無人值守等，在校園里可以替代安保人員執(zhí)行園區(qū)內(nèi)的巡邏任務(wù)，具有部署簡單、操作方便的優(yōu)點，可實現(xiàn)實時監(jiān)控記錄，并配有云平臺數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)可實現(xiàn)現(xiàn)場第一手視頻與統(tǒng)計資料的保存，以便對不文明的行為和事件進(jìn)行回溯和追查。在一些污染、有害氣體濃度大等危險區(qū)域以及惡劣環(huán)境下，無人巡邏機器人都可有效地提高作業(yè)的安全性、可靠性。

本項目以嵌入式智能工控板開發(fā)技術(shù)為基礎(chǔ)，應(yīng)用有線局域網(wǎng)、雙4G無線通信、傳感器及云平臺軟件系統(tǒng)等信息技術(shù)，開發(fā)了校園無人巡邏機器人遠(yuǎn)程智能控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)根據(jù)實際情況的需求設(shè)計，軟、硬件設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單、功能安全可靠，基本實現(xiàn)了機器人自檢、環(huán)境監(jiān)測預(yù)警、視頻傳輸、行為拍照、雙向語音對講、智能避障、后臺遠(yuǎn)程管理等功能，為校園及社區(qū)等無人巡邏機器人遠(yuǎn)程智能控制系統(tǒng)提供一種低成本解決方案。

1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

無人巡邏機器人遠(yuǎn)程智能控制系統(tǒng)主要實現(xiàn)校園內(nèi)的環(huán)境監(jiān)測預(yù)警、視頻傳輸、行為拍照、雙向語音對講等功能，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括傳感器感知層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層和應(yīng)用管理控制層，其架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

感知層主要包含傳感器信號電路、輸入接口、調(diào)試接口及4G通信模塊等，實現(xiàn)避障傳感和超聲波測距信號的采集及濾波等功能。網(wǎng)絡(luò)傳輸層包括DTU數(shù)終端及LTE路由器，主要實現(xiàn)與云平臺數(shù)據(jù)傳輸功能。云平臺管理系統(tǒng)包括PC端和移動端監(jiān)控軟件，用于實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、分析及控制等功能，其中執(zhí)行系統(tǒng)包括步進(jìn)驅(qū)動器和步進(jìn)電機等。

首先，由監(jiān)控攝像頭采集的視、音頻數(shù)據(jù)通過LTE路由器4G網(wǎng)絡(luò)傳送到云數(shù)據(jù)平臺，同時防碰撞傳感器等采集的傳感數(shù)據(jù)通過DTU數(shù)傳終端4G網(wǎng)絡(luò)傳送到云平臺；其次，云平臺管理系統(tǒng)對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析；最后，由PC端和移動端監(jiān)控軟件實現(xiàn)巡邏機器人的控制和語音對講等功能。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件包括視、音頻監(jiān)控和嵌入式智能工控板兩部分，視、音頻監(jiān)控主要負(fù)責(zé)環(huán)境監(jiān)測、視頻傳輸、拍照和雙向語音對講等功能；智能工控板主要完成機器人自檢、智能避障、環(huán)境數(shù)據(jù)采集傳輸、執(zhí)行系統(tǒng)輸出控制等功能。

2.1 視音頻監(jiān)控硬件

視音頻監(jiān)控由攝像頭和低成本4G工業(yè)路由器USR-G805組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。攝像頭采用?？低暤奈炇疌3X，具有WiFi、全彩智能夜視；AI智能的深度學(xué)習(xí)能力可實現(xiàn)人形、車形自動檢測，并能有效地過濾掉輸贏晃動、光線變化以及小動物移動等引起的無效報警，大大減少了誤報；自定義告警區(qū)域即當(dāng)自定義的區(qū)域范圍內(nèi)出現(xiàn)人形或車形移動時，將實時上傳告警信息到PC端或手機端；雙向語音對講并可在本地實時存儲視音頻等功能。USR-G805 是低成本4G工業(yè)無線路由，支持LAN口和WLAN無線局域網(wǎng)，可設(shè)置動、靜態(tài)路由，DHCP或靜態(tài) IP 模式，支持5模12頻網(wǎng)絡(luò)制式及防火墻、端口過濾、端口映射功能；可進(jìn)行VPN加密傳輸，內(nèi)有硬件看門狗電路，確保系統(tǒng)可靠穩(wěn)定。

2.2 嵌入式智能工控板

嵌入式智能工控板采用低功耗設(shè)計，以STM32F407 嵌入式單片機為核心，由電源模塊、防碰撞傳感器、I/O接口電路、DTU數(shù)傳終端、輸出控制接口及步進(jìn)驅(qū)動器等模塊組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 智能工控板結(jié)構(gòu)圖

2.2.1 CPU主控模塊

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計需求、考慮系統(tǒng)功耗及性價比等因素，設(shè)計采用STM32F407核心處理器作為主控芯片，其核心為高性能的32位Cortex-M4處理器，頻率最高可達(dá)168MHz，支持定、浮點運算以及DSP指令集。支持SWD和JTAG兩種方式的系統(tǒng)調(diào)、測試。

2.2.2 電源模塊

由于巡邏機器人采用可充電的48V鋰電池組供電，紅外避障傳感器E18-D80NK電源輸入電壓為6-36V，M30超聲波測距傳感器輸入電壓為10-30V，而主控芯片輸入電壓為3.3V。依據(jù)設(shè)計需求，首先選用一組外置電源DC-DC48V轉(zhuǎn)24V5A直流降壓模塊為傳感器供電，其次工控板電源模塊選用24V轉(zhuǎn)3.3V LM2675M，其為開關(guān)型直流降壓模塊，轉(zhuǎn)換效率高達(dá)88%，電路設(shè)計簡單，可為主控芯片提供超低噪聲的靜態(tài)電流，電源模塊原理如圖3所示。

圖3 電源模塊原理

2.2.3 傳感器模塊

避障傳感器采用紅外漫反射光電開關(guān)E18-D80NK，直流三線NPN常開傳感器，供電電壓6-36V，感應(yīng)距離為80cm；在沒有感應(yīng)到物體時，輸出電壓為24V，感應(yīng)到物體時輸出0V。測距傳感器采用高精度M30超聲波測距傳感器，其線性位移模擬量0-10V，感應(yīng)范圍20-400cm，響應(yīng)延遲約為650ms，這兩種傳感器響應(yīng)速度快，抗干擾能力強，性價比高，滿足設(shè)計需求，其原理接線圖如圖4所示。

圖4 傳感器原理接線圖

2.2.4 485接口電路

RS485是目前工控領(lǐng)域典型的串行通訊標(biāo)準(zhǔn)之一，采用差分的數(shù)字信號傳輸方式，半雙工通信模式，最大傳輸距離可達(dá)1200m左右，具有良好的抗噪聲信號的能力，高效的數(shù)據(jù)傳輸速率、數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃苑浅８咭约耙粋€主站可以掛接多個從站能力使其成為在工控領(lǐng)域中首選的串行接口。本文采用MAX485芯片，其內(nèi)接口信號電平為3.3V，可十分方便地與主控芯片電路相連接，外接口與DTU數(shù)據(jù)終端相連，485原理接線如圖5所示。

圖5 485原理接線圖

2.2.5 DTU數(shù)據(jù)終端

DTU數(shù)據(jù)終端主要用于智能工控板數(shù)據(jù)的上傳和云平臺監(jiān)控系統(tǒng)的控制指令的下載，型號為USR-G780，具有一個標(biāo)準(zhǔn)的485接口，支持全網(wǎng)4G高速接入，支持網(wǎng)絡(luò)透傳模式、云組態(tài)模式、協(xié)議透傳(UDC)模式、HTTPD 模式等多種工作模式；提供相應(yīng)的虛擬串口軟件和二次開發(fā) SDK工具包；支持發(fā)送注冊包/心跳包數(shù)據(jù)，維持長時間網(wǎng)絡(luò)低功耗連通狀態(tài)；DTU數(shù)據(jù)終端與智能工控板通過485接口相連，連接原理如圖2。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件包括嵌入式智能工控板的傳感器數(shù)據(jù)采集與步進(jìn)驅(qū)動器輸出控制程序、ModbusTCP協(xié)議通訊程序、云數(shù)據(jù)平臺監(jiān)控程序等。Modbus協(xié)議是工控行業(yè)的一個標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用層報文傳輸協(xié)議，目前在全球已經(jīng)成為工業(yè)領(lǐng)域中最流行的協(xié)議之一。該協(xié)議支持RS-232、RS-422、RS-485 和TCP以太網(wǎng)等接口設(shè)備。其主要包括ASCII、RTU、TCP等三種報文類型，數(shù)據(jù)通訊采用Maser(主)/Slave(從)方式。為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，ASCII類型采用LRC校驗，RTU類型采用16位CRC校驗，由于TCP協(xié)議本身就是一個面向連接的可靠的傳輸協(xié)議，因此TCP類型不需要進(jìn)行校驗。

3.1 智能工控板程序

傳感器采集程序主要用于實時采集避障傳感器數(shù)字量信號及測距傳感器的模擬量信號，程序采用輪詢的方式對傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、處理和發(fā)送。通過采用串口中斷方式接收來自云平臺監(jiān)控系統(tǒng)的控制指令來操作巡邏機器人的移動。傳感器數(shù)據(jù)采集、處理、發(fā)送及串口中斷子程序流程如圖6所示。

圖6 主程序和串口中斷子程序流程圖

3.2 ModbusTCP協(xié)議格式

ModbusTCP的數(shù)據(jù)幀由兩部分組成：MBAP+PDU。MBAP為應(yīng)用數(shù)據(jù)報文頭，長度為7個字節(jié)，分為事務(wù)處理標(biāo)志、協(xié)議標(biāo)識符、長度和單元標(biāo)識符四部分。PDU分為功能碼和數(shù)據(jù)兩部分。功能碼長度1個字節(jié)，數(shù)據(jù)長度則由具體功能決定，其操作對象有四種：線圈、離散輸入、輸入寄存器、保持寄存器。ModbusTCP使用端口號為502，ModbusTCP設(shè)備可分為主站和從站，由主站向從站發(fā)送請求幀，相應(yīng)的從站給予響應(yīng)。ModbusTCP是目前工業(yè)智能控制領(lǐng)域中應(yīng)用最為廣泛的協(xié)議之一，具有很高的應(yīng)用價值，本案采用ModbusTCP作為傳輸協(xié)議。

3.3 云平臺監(jiān)控系統(tǒng)

云數(shù)據(jù)平臺可分為公有云、私有云及混合云等，本系統(tǒng)采用公有云數(shù)據(jù)平臺，這主要考慮到租用成本，以及系統(tǒng)的安全性、可靠性及方便性。

云平臺監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)首先要在公有云平臺中創(chuàng)建該項目的賬號，創(chuàng)建設(shè)備模型并與數(shù)據(jù)終端和路由器進(jìn)行綁定，并開通物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用服務(wù)；其次通過虛擬接口建立與設(shè)備連接；最后在公有云數(shù)據(jù)平臺創(chuàng)建web應(yīng)用，在服務(wù)器端進(jìn)行云組態(tài)的程序開發(fā)。

本系統(tǒng)通過云組態(tài)程序開發(fā)實現(xiàn)傳感器視音頻監(jiān)控、測距數(shù)據(jù)的采集、避障警告、巡邏機器人的移動等功能。在監(jiān)控界面中，可使用按鍵來控制巡邏機器人的前行、左拐和右拐等移動，也可采用操作桿實現(xiàn)其移動功能。通過視頻畫面可以監(jiān)控巡邏機器人的位置和方向。本系統(tǒng)提供了良好人機交互界面，開發(fā)成本低廉、簡單方便、安全可靠，功能上可以有效地滿足項目的需求。

結(jié)論

本項目利用嵌入式智能工控板、雙4G網(wǎng)絡(luò)和云數(shù)據(jù)平臺監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)了無人巡邏機器人的遠(yuǎn)程智能控制。系統(tǒng)以STM32F407嵌入式芯片作為智能控制板的核心，通過雙4G高速網(wǎng)絡(luò)將視音頻信號和傳感器數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆破脚_服務(wù)器，并利用云組態(tài)軟件開發(fā)的監(jiān)控系統(tǒng)對機器人的移動、定位、方向等進(jìn)行全方位監(jiān)控。

巡邏機器人智能控制系統(tǒng)進(jìn)行了大量應(yīng)用測試，結(jié)果表明系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，系統(tǒng)可有效地滿足校園無人巡邏的基本需求，初步達(dá)到了設(shè)計的要求。并且該系統(tǒng)具有良好的可擴展性，可根據(jù)實際需求擴展相應(yīng)的功能。其可以全天無休的工作，適用于各類公共場所的安防巡邏任務(wù)，可協(xié)助完成校園巡邏巡檢等任務(wù)，是安保的重要補充。