基于樹(shù)莓派控制的安全巡防設(shè)計(jì)

張丹譯 荊旭龍

（無(wú)錫南洋職業(yè)技術(shù)學(xué)院，無(wú)錫 214000）

國(guó)務(wù)院全面部署《中國(guó)制造2025》以來(lái)，智能制造和工業(yè)4.0 逐步進(jìn)入人們的視野[1]。隨著倉(cāng)庫(kù)數(shù)量的逐年遞增和倉(cāng)儲(chǔ)面積的不斷擴(kuò)大，檢測(cè)倉(cāng)儲(chǔ)的環(huán)境動(dòng)態(tài)，確保倉(cāng)庫(kù)物品安全和質(zhì)量顯得越來(lái)越重要。以某高職院校汽車(chē)實(shí)訓(xùn)中心的倉(cāng)儲(chǔ)為例，該實(shí)訓(xùn)中心對(duì)物品的安全性和防火防爆要求較高。實(shí)時(shí)監(jiān)控倉(cāng)庫(kù)情況，掌握倉(cāng)庫(kù)的環(huán)境動(dòng)態(tài)，保證倉(cāng)庫(kù)中的物品安全，對(duì)于保障該高職院校的專(zhuān)業(yè)教學(xué)具有重要意義。

目前，已有的監(jiān)控系統(tǒng)普遍采用多機(jī)位定點(diǎn)攝像頭監(jiān)控倉(cāng)庫(kù)的關(guān)鍵地區(qū)，存在可見(jiàn)角度、空間、移動(dòng)切換不靈活且無(wú)法對(duì)隨機(jī)位置進(jìn)行監(jiān)控的缺陷。實(shí)時(shí)監(jiān)控的移動(dòng)小車(chē)輔助監(jiān)控可以較好地彌補(bǔ)這些不足，成為現(xiàn)代化智能倉(cāng)庫(kù)進(jìn)行定點(diǎn)移動(dòng)遠(yuǎn)程監(jiān)控的重要手段。

本設(shè)計(jì)主要研究一款能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)人監(jiān)管的自動(dòng)移動(dòng)小車(chē)，從而在已知倉(cāng)庫(kù)范圍內(nèi)進(jìn)行安全巡防。小車(chē)主要利用樹(shù)莓派監(jiān)控，分別實(shí)現(xiàn)倉(cāng)庫(kù)監(jiān)管中的圖像、聲音、煙霧等報(bào)警功能，解決了某些倉(cāng)儲(chǔ)中攝像頭死角無(wú)法觸及的問(wèn)題[2]。對(duì)小車(chē)各模塊進(jìn)行多輪測(cè)試，整合測(cè)試結(jié)果，形成安全巡防小車(chē)的整體設(shè)計(jì)框架。

1 整體設(shè)計(jì)

根據(jù)汽車(chē)實(shí)訓(xùn)中心倉(cāng)儲(chǔ)對(duì)安全巡防小車(chē)的功能需求，逐一設(shè)計(jì)小車(chē)的各部分。安全巡防小車(chē)整體分為硬件和軟件兩大部分。硬件部分主要包括驅(qū)動(dòng)模塊、電源模塊、環(huán)境感知模塊、環(huán)境監(jiān)控報(bào)警模塊（發(fā)出聲音、發(fā)布圖像、視頻信息報(bào)警）、主處理樹(shù)莓派Raspberry主板。軟件部分按照各系統(tǒng)的功能分為3 個(gè)層級(jí)，分別為采集安全巡防探測(cè)的環(huán)境感知層（包括各類(lèi)傳感器）、中央處理器層（主要為樹(shù)莓派主板）以及環(huán)境監(jiān)控報(bào)警層。軟件各部分和硬件部分基本對(duì)應(yīng)。當(dāng)倉(cāng)庫(kù)中存在消防、防盜等安全隱患時(shí)，若煙霧報(bào)警器超過(guò)閾值、溫度傳感器超過(guò)閾值等，系統(tǒng)將紅外線探測(cè)和攝像頭收錄的畫(huà)面發(fā)送給樹(shù)莓派主板，并通過(guò)5G 網(wǎng)絡(luò)或Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)傳輸給用戶(hù)手機(jī)端。手機(jī)小程序調(diào)取監(jiān)控錄像，執(zhí)行倉(cāng)庫(kù)的監(jiān)管工作。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件的主要結(jié)構(gòu)，如圖1 所示。將小車(chē)放置在倉(cāng)庫(kù)中讀取環(huán)境數(shù)據(jù)，將環(huán)境的視頻數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于Raspberry Pi 3B 存儲(chǔ)卡。手機(jī)端可登錄調(diào)取其中的視頻數(shù)據(jù)。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

2.1 樹(shù)莓派Raspberry Pi 3B 主板

樹(shù)莓派Raspberry Pi 是由英國(guó)慈善組織Raspberry Pi 基金會(huì)開(kāi)發(fā)的卡片式計(jì)算機(jī)[3]。卡片質(zhì)量小，但是具有計(jì)算機(jī)的大部分功能；存儲(chǔ)卡以SD/Micro SD卡為主；樹(shù)莓派主板有多個(gè)通用串行總線（Universal Serial Bus，USB）接口，一個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口，卡片可連接網(wǎng)線、鍵盤(pán)、鼠標(biāo)、顯示器等部件，具備高清數(shù)據(jù)線接口；卡片支持Python、C 語(yǔ)言、Scratch 等多種編程語(yǔ)言。

本安全巡防小車(chē)設(shè)計(jì)中，將基于高級(jí)精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)機(jī)器（Advanced Reduced Instruction Set Computer Machines，ARM）的微型計(jì)算機(jī)Raspberry Pi 3B 作為整個(gè)小車(chē)的主板，以SD/MicroSD 卡為內(nèi)存卡。主板周?chē)? 個(gè)USB 接口，可以連接鼠標(biāo)、鍵盤(pán)和網(wǎng)線，同時(shí)帶有4 個(gè)高清多媒體接口（High Definition Multimedia Interface，HDMI）。

樹(shù)莓派主板作為整個(gè)小車(chē)的基礎(chǔ)，采集所有傳感器模塊的輸入信號(hào)，并分析與處理數(shù)據(jù)。運(yùn)行軟件，與子系統(tǒng)進(jìn)行通信和信息傳輸，通過(guò)監(jiān)控報(bào)警模塊輸出信息。選用樹(shù)莓派作為整個(gè)小車(chē)的核心，具有性?xún)r(jià)比較高、運(yùn)行較為穩(wěn)定、功能強(qiáng)大以及可擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

2.2 傳感器選型

2.2.1 夜視攝像頭的選用

攝像頭選用PiNoir Camera V2，可直接連接到樹(shù)莓派主板，適用于24 h 全過(guò)程的視頻錄制。為了提升夜間探測(cè)的安全性和可靠性，增加夜間巡視紅外燈。小車(chē)?yán)脭z像頭實(shí)時(shí)監(jiān)控倉(cāng)庫(kù)中的各種安全情況，必要時(shí)可通過(guò)手機(jī)調(diào)取。

2.2.2 紅外線探測(cè)模塊

安全巡防小車(chē)選用HC-SR501 傳感器作為紅外線探測(cè)模塊。HC-SR501 是一種熱釋電紅外傳感器，可以檢測(cè)人體或者動(dòng)物等發(fā)出的紅外線，從而輸出電信號(hào)，工作電壓為直流5 ～20 V，感應(yīng)角度范圍為120°，最大感應(yīng)距離為7 m。紅外感應(yīng)模塊主要用于檢測(cè)障礙物，工作原理是傳感器發(fā)射紅外線，紅外線遇到障礙物發(fā)生反射，通過(guò)檢測(cè)是否收到紅外信號(hào)判斷是否存在障礙物。

2.2.3 超聲波探測(cè)模塊

小車(chē)通過(guò)超聲波探測(cè)模塊探測(cè)設(shè)置范圍內(nèi)的障礙物，選用US-100 超聲波探測(cè)模塊，模塊的工作電壓為直流2.4 ～5.5 V，在非接觸探測(cè)功能上的探測(cè)范圍為50 ～3 000 mm，靜態(tài)功耗不大于2 MW。此款超聲波探測(cè)模塊的工作原理是超聲波傳感器發(fā)出超聲波，遇到障礙物后接收返回波，通過(guò)計(jì)算測(cè)出障礙到傳感器的距離。當(dāng)距離小于設(shè)定值時(shí)，判斷周?chē)嬖谖矬w，從而達(dá)到避障的目的。

2.2.4 煙霧報(bào)警模塊

煙霧報(bào)警模塊由一氧化碳傳感器和可燃?xì)怏w傳感器兩個(gè)主要的傳感器收集數(shù)據(jù)。當(dāng)兩個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)超過(guò)設(shè)定的閾值時(shí)，傳感器將向主控單元樹(shù)莓派發(fā)射報(bào)警信號(hào)[4]。用戶(hù)可通過(guò)手機(jī)端查閱現(xiàn)場(chǎng)視頻，及時(shí)調(diào)取兩個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)。

2.2.5 溫度傳感器

溫度傳感器主要是將小車(chē)當(dāng)前環(huán)境的溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)發(fā)送給主控單元，主控單元調(diào)取此信號(hào)用于確認(rèn)煙霧報(bào)警時(shí)是否存在如火災(zāi)、過(guò)熱自燃等可能的危險(xiǎn)情況。

2.3 無(wú)線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)選型

無(wú)線通信主要采用RG200U-CN Mini PCle，支持5G，兼容4G、3G 等多種網(wǎng)絡(luò)，且支持多種驅(qū)動(dòng)和軟件功能，采用USB 直接與樹(shù)莓派主板連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸通信[5]。

3 系統(tǒng)軟件邏輯結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)軟件的邏輯結(jié)構(gòu)根據(jù)系統(tǒng)硬件的布置形式及邏輯關(guān)系進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要包括數(shù)據(jù)采集、圖像和視頻采集、無(wú)線通信、手機(jī)端軟件設(shè)計(jì)等部分。軟件程序的運(yùn)行建立在樹(shù)莓派Raspberry Pi 3B 的操作系統(tǒng)上，系統(tǒng)軟件的總流程如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)軟件流程圖

3.1 數(shù)據(jù)采集分析模塊軟件設(shè)計(jì)

安全巡防小車(chē)的數(shù)據(jù)采集分析模塊主要用來(lái)采集倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)境中的有毒有害氣體信號(hào)、可疑對(duì)象（人或者動(dòng)物）信號(hào)。在系統(tǒng)初始化后，1 s 采集一次數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)分析采集的數(shù)據(jù)，判斷倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)境是否存在安全隱患。如果存在系統(tǒng)設(shè)定的安全隱患，則反饋環(huán)境圖像或者視頻數(shù)據(jù)并發(fā)出報(bào)警聲音；如果未檢測(cè)出系統(tǒng)的安全隱患信息，則繼續(xù)探測(cè)并采集數(shù)據(jù)。

3.2 圖像采集模塊軟件設(shè)計(jì)

圖像采集模塊主要采集環(huán)境的視頻信號(hào)和圖像信號(hào)，并實(shí)時(shí)向樹(shù)莓派主控模塊發(fā)送信號(hào)數(shù)據(jù)。

3.3 無(wú)線通信模塊軟件設(shè)計(jì)

無(wú)線通信模塊主要采用全網(wǎng)通無(wú)線通信模組RG200UCNV1-D10-SNADA，通過(guò)USB 與樹(shù)莓派主控模塊連接，并進(jìn)行內(nèi)核配置和撥號(hào)腳本編譯，設(shè)置開(kāi)機(jī)自動(dòng)撥號(hào)后即可完成。樹(shù)莓派啟動(dòng)后，可通過(guò)無(wú)線通信模塊連接互聯(lián)網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)。

3.4 手機(jī)端軟件設(shè)計(jì)

微信端軟件設(shè)計(jì)中在Raspberry Pi 3B 上安裝微信用戶(hù)端，并自動(dòng)登錄。編寫(xiě)程序控制微信用戶(hù)發(fā)送的“開(kāi)始”和“停止”指令，啟動(dòng)和停止安全巡防小車(chē)的各個(gè)系統(tǒng)。若檢測(cè)到有系統(tǒng)設(shè)定的特殊情況發(fā)生，安全巡防小車(chē)系統(tǒng)將向手機(jī)自動(dòng)發(fā)送報(bào)警信息，手機(jī)可以同步調(diào)取所在區(qū)域的圖片、視頻和各傳感器發(fā)布的信號(hào)等。

4 結(jié)語(yǔ)

倉(cāng)儲(chǔ)是物資流轉(zhuǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，安全巡防是保障倉(cāng)儲(chǔ)順利進(jìn)行、資金免受損失的重要工作。設(shè)計(jì)系統(tǒng)以樹(shù)莓派Raspberry Pi 3B 為控制中心，利用多種傳感器模塊采集數(shù)據(jù)，對(duì)封閉區(qū)域環(huán)境進(jìn)行監(jiān)控和報(bào)警，通過(guò)無(wú)線通信傳輸，將采集到的系統(tǒng)數(shù)據(jù)發(fā)送至指定手機(jī)端。手機(jī)端兼顧隨時(shí)調(diào)取巡防視頻和圖像的功能，可實(shí)現(xiàn)特定區(qū)域（如面粉廠）及早發(fā)現(xiàn)安全隱患的安全巡防功能。同時(shí)，此技術(shù)可拓展應(yīng)用于車(chē)輛輔助駕駛、汽車(chē)安全防護(hù)等檢測(cè)系統(tǒng)，具有較好的推廣應(yīng)用價(jià)值。