..第十一屆"博創杯〞全國大學生嵌入式設計大賽作品設計報告智能巡防機器人SmartGuardRobot設計報告隊伍編號：參賽學校：作者：指導教師：組別：□碩士組本科組□高職組..摘要本工程的智能安防機器人，它是新一代的網絡互聯智能安防設備，由S5PV210構建網絡并作為任務分配核心再輔以ZigBee無線傳感網絡來監測環境，一旦某個節點有異常〔氣體、入侵等〕出現后會立即激活紅外裝置,發出定位信號提供應自主研發的紅外定位系統進展定位；在趕往異常節點附近的同時，還會要求控制臺查看安防機器人實時回傳的視頻；控制臺會顯示傳感器收集到的信息，并可對視頻采集系統的云臺角度進展調整;安防機器人使用STM32作為運動控制器，使得其具有良好的移動性能，能讓用戶獲得最大視角；通過終端可以手動操縱安防機器人運動；安防機器人在使用的時候會伴有語音提示，提高用戶體驗。機器人設計很美觀，能很好的融入到使用者的環境，時刻保護使用者的平安。相信借助未來的市場需求，本工程能夠盡善盡美！關鍵詞：智能安防設備、網絡互聯、無線傳感網絡、紅外定位系統AbstractOursmartguardrobot,itisanewgenerationofnetworkinterconnectionintelligentsecurityequipment,itconsistsofS5PV210,assisttowirelesssensornetworktomonitortheenvironment,onceanodehasanexception(suchasgas、intrudeandsoon)showup,itwillimmediatelyactivatetheinfrareddevice，toprovidepositioningsignaltoindependentresearchanddevelopment;Atthesametime,requesttheconsoleviewreal-timevideoesbackanddisplayreceivemessageandcontrolholder.smartguardrobotuseSTM32tocontrolmovement.wecanthroughtheterminalcontrolsmartguardrobotfinishjob;Therobothasvoicepromptwhenyouoperation.Therobotdesignisverybeautiful,webelievethatcanquicklyintotheuser’senvironmenttoprotectusersafe.Webelievewiththehelpofthefuturemarketdemand,oursmartguardrobotwillbeperfect！Keywords:SmartGuardRobot、NetworkInterconnection、WirelessSensorNetwork、InfraredPositioningSystemTOC\o"1-3"\h\u30704第1章緒論 1124781.1背景1227511.2國外開展現狀1317561.3研究意義217992第2章系統方案 2309712.1主控芯片3262712.2視頻傳輸578492.3電源局部6320312.4室定位629102第3章功能與指標7146243.1智能巡防機器人實現功能7134693.2智能巡防機器人功能指標718712第4章實現原理167674.1Linux實現858124.1.1使用Linux構建網絡效勞器 8317504.1.2使用Linux進展任務分配 8319164.2Android終端實現927094.2.1Android終端人機交互實現 931334.2.2Android終端與Linux的網絡通訊Socket 11133894.2.3Android終端對于H.264解碼 12264804.4ZigBee無線傳感網絡實現12298894.5巡防機器人基于室定位的智能路徑實現1378274.6多路隔離電源的實現156652第5章硬件框圖16129505.1S5PV210硬件框圖16110465.2STM32F4硬件框圖1726295圖5-2STM32F4硬件框圖 17192095.3ZigBee硬件框圖1730855.4STC15F2K61S2硬件框圖1823173第6章創新1821086結論195400參考文獻19..第1章緒論1.1背景近年來，安防設備的覆蓋率呈指數形式暴增，覆蓋從家庭、住宅區、商鋪到銀行、學校、火車站再到工業廠區、倉庫、變電站等等場景，然而，安防領域是國才興起的，驚人的覆蓋率足以讓我們悉知安防設備的前景是多么的廣闊！不僅如此，北美作為全世界最大的安防市場，目前也表達出了需求量大，競爭劇烈的場面；南美、東盟國家同樣也顯現出了安防市場的增速飛快的趨勢，同時南美國家還需要大量依賴進口。就以上信息指引我們看到了這個廣闊的市場，但是隨著研究的深入，我們發現：傳統的安防設備都是固定式、機械式的，不具備移動的能力，要想實現無死角監控就必須安放多個攝像頭針對不同的區域工作，如此一來，本錢高昂、布置復雜、智能化程度低；傳統的攝像頭外觀要是在家庭中或者工作環境中布置的話，會顯得比擬突兀，令人不自在，暴露個人隱私。1.2國外開展現狀目前國外安防設備的研發還是集中于固定的IP攝像頭，也會有一些衍生產品，如：智能門鎖、智能煙感等等，并沒有一個能夠整合功能，移動的安防設備，為什么移動的安防設備難做呢？本工程組認為：室定位是頭等問題！傳統的室定位是利用無線設備的信號強度進展定位，但是這樣的做法是有較大弊端的，譬如：所處環境復雜，含有多種信號干擾，信號過墻的衰減等等因素，導致了無線室定位還是不能夠解決問題，故目前大局部安防市場還是在研發固定的網絡安防設備。國外具有代表性的安防機器人：由荷蘭Amaryllo公司最近推出的一個"家庭安防機器人〞IcamPROFHD，如圖1-1所示，它實質也還是一個固定安防攝像頭，可以用來錄制1080P視頻、檢測聲音等；而國代表性的是：近段時間，一家公司生產制造的安防機器人，身高1米5，體重40KG的機器人，如圖1-2所示，它的作用原理是檢測機器人前方的異樣，如：檢測溫度變化，雖然可移動，但是體型碩大，檢測手段局限。國外兩家公司的安防機器人都各有千秋，但也有各自的弊端。圖1-1IcamPROFHD圖1-2公司制造安防機器人1.3研究意義在看完國外的開展現狀，本工程組作如下總結：傳統的安防攝像頭主要受限于不能移動、固定安裝這一問題，使得需要完整監控某一區域時就需要安裝多個攝像頭進展無死角監控，這樣一來就需要布置大量的攝像頭，同時，市場現有安防設備并沒有很好的整合室安防資源。為解決上述問題，本工程組研制了一套基于卡爾曼濾波的紅外室定位裝置，使得安防機器人能夠在室巡防，發現異常，同時攜帶一枚有云臺的攝像頭，配合機器人的移動以及攝像頭角度調整就能實現無死角監控；對于如何將室安防資源整合，本工程組是這樣做的：使用ZigBee構建無線傳感網絡，將所有的安防設備通過ZigBee組網，然后數據會實時回傳到安防機器人，協調其進展主動防御，聯合工作！機器人外觀如圖1-3所示，最終，旨在解決固定的安防設備的弊端，設計一套室定位解決方案，同時推動國智能機器人的開展！圖1-3智能巡防機器人外觀系統方案本工程是一個多主控協調、分工明確的系統，目的是為了縮短開發周期〔將工程容模塊化使得開發成員間能獨立開發需要的功能，最后進展系統融合，這樣提高開發效率并發揮各個核心的優勢〕模塊化的開發對系統調試有非常大的幫助，并且合理的核心協調機制可以提高系統的運行效率，本系統利用了如下處理器：S5PV210、STM32F407、STC15F2K61S2、CC2530；下面本工程組將分別介紹以上處理器在實際應用中的選型及優勢，系統總體方案如圖2-1所示：圖2-1系統總體方案2.1主控芯片S5PV210:本工程組使用的S5PV210中央處理器采用了ARMCortex-A8核，ARMV7指令集，主頻可達1GHZ，64/32位\t"baike.baidu./_blank"部總線構造，32/32KB的數據/指令一級緩存，512KB的二級緩存，可以實現2000DMIPS〔每秒運算20億條指令集〕的高性能運算能力。S5PV210包含很多強大的硬件編解碼功能，建MFC〔MultiFormatCodec〕，支持\t"baike.baidu./_blank"MPEG-1/2/4、H.263、H.264等格式視頻的編解碼，支持模擬/數字TV輸出。JPEG硬件編解碼，最大支持8000像素x8000像素分辨率。本系統中，使用S5PV210嵌入式處理器來運行Linux系統,如圖2-2所示，負責構建網絡效勞器，主要用于視頻、數據、參數的傳輸，以及需要對各個核心分配任務、監管狀態，眾所周知，Linux網絡方面優勢明顯，鑒于S5PV210強大的處理能力，最終選擇S5PV210作為本工程組的主要核心。圖2-2Cortex-A8核心板STM32F407：在姿態解算、調整方面，工程組使用的是一塊STM32F407芯片，STM32F4系列是意法半導體推出的基于Cortex-M4核的高性能微控制器〔圖2-3〕，該微控器采用了90nm的NVM工藝和ART〔自適應實時儲存器加速器〕，該技術在CPU工作頻率〔≤168MHz〕時使得程序能夠等待零周期執行，提升了程序執行效率。STM32F4系列微控器還集成了單周期DSP指令和FPU〔浮點單元〕，提升了計算能力，可以進展一些復雜的計算和控制，支持程序執行和數據傳輸并行處理。本系統中利用STM32F4高執行效率以及強大的計算能力，在接收紅外定位數據后，利用了卡爾曼濾波對數據作處理，并輔以紅外壁障數據，合成數據后轉換為控制指令以及PWM信號，最終實現對電機的控制，也就是對巡防機器人的姿態控制。圖2-3STM32F407STC15F2K61S2：該單片機是STC公司生產的機器周期1T的單片機，是高速、高可靠、超強抗干擾的新一代增強型8051核單片機，其部集成了高精度R/C時鐘，5MHz~35MHz時鐘頻率圍可調，可以徹底省去外部晶振和復位電路〔部也集成高可靠復位電路〕，該單片機還具備兩組高速異步串行通訊接口，擁有大量I/O口，可配置四種端口模式。本系統之所以選擇該單片機作為紅外定位系統的核心是因為算法需要建立在復雜的I/O端口操作上〔對編號為0~7紅外接收管、8~15紅外接收管、0~7紅外壁障頭的操作，共計占用24個I/O口〕，在收集完成所需信息后，數據會通過高速異步串行通訊接口上傳至STM32F4姿態控制核心，該單片機設計核心板如圖2-4所示。圖2-4STC15F2K61S2核心板CC2530：該處理器也是增強型8051核的單片機，但是它是建立在ZigBee上,這是一個基于IEEE802.15.4的標準低功耗個域網協議，這個協議主要規定的技術是一種短距離、低功耗的無線通訊技術，特點是低復雜度、自組織、低功耗、低本錢，簡單來說就是一種低功耗無線組網通訊技術。首先說明為什么本工程組需要建立第二個網關，如圖2-5所示，是Zigbee與藍牙和WIFI傳輸標準的比照圖，本工程組目的是為了使用無線設備整合防御區域的安防設備，介于藍牙距離實在太近，故先排除藍牙方案；然而為什么我們不使用WiFi？原因是：雖然WiFi傳輸速率很快、距離也很遠，但是相比之下使用WiFi建立節點的本錢要遠遠高于使用Zigbee建立節點的本錢，就ZigBee對本工程來說，速率是足夠的，且功耗極低，實際測試發現，工程組選用的CC2530+CC2591〔功率放大〕這一方案的傳輸距離是非常可觀的，空曠場地可以到達200m以上且在室信號的穿透能力良好。故本工程采用CC2530來作為無線傳輸方案，用于整合防御區域所有安防設備進展組網，及數據間的交互，完成與巡防機器人的聯動防御。圖2-5Zigbee、Bluetooth、WiFi傳輸標準比照2.2視頻傳輸本工程作為一套完整的安防解決方案，視頻的實時回傳自然不能少，巡防機器人要充當無人環境中的明亮鋒利的眼，并記錄下一切不軌行為！選型初期有這幾種攝像頭供我們來選擇：OV7670圖像傳感器、USB攝像頭、網絡攝像頭，由于我們的主控制器已經建立了一個網絡效勞器，我們現在只需要一個帶有網絡功能的攝像頭將其數據進展轉發至安卓終端再解碼就可以，故在此我們選擇了一個網絡攝像頭，如圖2-6所示：圖2-6網絡攝像頭2.3電源局部電源是整個系統最重要的局部，由于系統復雜度較高，需要多路不同的電壓，如：3.3V、5V、10V、12V，且在工作時刻，功率較大，系統需要一個能夠輸出穩定電壓，并且功率足夠的方案。考慮到供電方式為鋰電供電，供應電壓為最高12.4V最低11.1V，在這種情況下，想要系統穩定運行，就要穩定輸出系統所需要的電壓，最終我們采用DC-DC降壓方案，芯片選擇為LM2596S-ADJ，該芯片可調輸出電壓為：1.2V~37V±4%，輸出電流最大為3A，輸入電壓最大40V，電路板設計如下列圖2-7所示：圖2-7三路LM2596-ADJ模塊2.4室定位目前來說，室定位一直以來是個大問題，主流的定位就是基于WiFi或者ZigBee的無線定位系統，但這一類的系統有著很大弊端，譬如：需要場地開闊，周邊干擾信號稀少，不然就會產生較大的誤差，誤差從哪兒來？傳統的定位方式都是采用信號強度來進展的，2.4G信號并不是最靠譜的，一旦被遮擋或者干擾，信號強度就會有嚴重的衰減，如圖2-8是2.4G信號障礙物衰減經歷值。針對這一情況，本工程研制了一套基于卡爾曼濾波的紅外定位裝置，本裝置搭載了16枚高性能紅外接收管以及8枚紅外壁障頭輔助。圖2-82.4G信號障礙物衰減經歷值功能與指標3.1智能巡防機器人實現功能使用S5PV210處理器運行Linux操作系統搭建網絡效勞器；利用搭建的網絡效勞器實時傳輸視頻數據〔H.264格式〕至Android終端進展解碼播放；具備室定位功能，能避開障礙獨立自主趕往異常節點，并在終端報警；使用ZigBee整合防御區域安防資源，構成無線傳感網絡〔入侵檢測、氣體異常檢測等〕；并可擴展一系列傳感器、控制器；提供終端AndroidApp可以用于提示使用者入侵或者異常情況；具備手動操縱〔機器人運動、攝像頭云臺等〕功能；具備實時查看環境參數功能；具備一定的身份驗證功能；使用時伴有語音提示，增強用戶的體驗；動力能夠重載一定重量的物體，并且運動靈活；3.2智能巡防機器人功能指標測定的環境參數：溫度圍：0℃-50℃；濕度圍：20%-95%RH；精度：溫度±2℃；濕度±5%RH；測定環境氣體參數：探測圍：300-10000ppmm；適用于：液化氣、丁烷、丙烷、甲烷、酒精、氫氣等等；視頻能夠以24fps進展實時回傳，流暢、清晰度高，且圖像可存儲于終端；ZigBee網絡能夠智能的自動參加認證的新節點設備，數據傳輸距離超過200m于空曠場地，室三層信號正常；Android終端具有ID及密碼身份認證功能，防止他人侵入系統；第4章實現原理4.1Linux實現4.1.1使用Linux構建網絡效勞器本工程實質是構建了TCP并發效勞器〔構建流程如圖4-1〕：并發效勞器的思想是每一個客戶端的請求并不由效勞器的主進程直接處理，而是由效勞器主進程創立子進程來處理，再剖析開來，本工程的TCP并發效勞器是用了Socket，設置Socket為非阻塞方式，非阻塞操作可以立即完成，比方：如果你希望效勞器僅僅只是檢查是否有客戶在等待連接，如果有就接收連接，否那么就繼續做其它事情。圖4-1TCP并發效勞器創立流程4.1.2使用Linux進展任務分配Linux任務可以看為是一些進程，程序是一組可執行的靜態指令集，而進程是一個執行中的程序實例。利用分時技術，在Linux操作系統上可以同時運行多個進程。進程間通訊本工程組運用了有名管道的方法：有名管道提供了一個路徑名與之進展關聯，以FIFO的形式存在于文件系統中。最終，多進程并行處理，實現了巡防機器人的多種任務分配。任務分配流程如圖4-2所示。圖4-2Linux任務分配流程4.2Android終端實現4.2.1Android終端人機交互實現本工程組利用安卓上層開發的優勢，開發了Android終端，實現了人機交互，Android終端主要是用于控制機器人的狀態、獲得測量的環境參數、查看實時傳輸的監控視頻，提供了身份驗證功能，整體設計核心主要還是集中于安卓界面的開發，以及監聽效勞和線程管理，Android終端UI界面如圖4-3所示，Android終端運行流程如圖4-4所示。圖4-3Android終端界面圖4-4Android終端運行機制4.2.2Android終端與Linux的網絡通訊Socket本系統利用基于TCP協議的Socket根本模型〔根本模型如圖4-5所示〕進展網絡編程,一方面因為基于TCP的Socket編程簡單,另一方面在利用在本系統進展通信時，數據可以平安可靠的傳輸到目標,不僅如此，效勞器端的程序可以翻開多個線程與多個客戶進展通信。這種通信方式比擬靈活，且適用于本系統的通信。譬如：每當建立一個Socket連接，同時創立一個新線程對該Socket進展單獨通信〔采用阻塞的方式通信〕，這種方式具有很高的響應速度，并且控制起來也很簡單。具體化來說：本系統使用基于TCP協議的Socket,先獲得效勞端(S5PV210控制板的網絡端口號和IP地址,然后由網絡根底設施利用目標地址，將客戶端發送的信息傳遞到正確的效勞端(S5PV210控制板)上，這樣就實現了Android終端與網絡效勞器的通訊。圖4-5Socket模型4.2.3Android終端對于H.264解碼Android終端首先需要接收Linux效勞器回傳的視頻數據，然后通過圖4-6的流程進展數據的解碼，待解碼完成后，需要將數據顯示出來，該過程實質是使用了FFmpeg解碼器，該解碼器是個非常巨大的多媒體解碼庫，本工程在此是利用裁剪好之后的解碼器，調用相應的API進展H.264解碼的。圖4-6對于獲取視頻解碼流程4.4ZigBee無線傳感網絡實現前文提到："整合安防區域的所有安防設備〞，這是如何實現的呢？本工程組使用了ZigBee無線傳感網絡，這樣實現的原因一方面是為了降低節點的本錢，另一方面是因為ZigBee組網方便，傳輸速率及信號覆蓋率適合本系統。之所以說整合，是因為首先通過ZigBee的終端節點將傳感器驅動并采集數據，然后將采集到的數據進展編碼，編碼后的數據再經過ZigBee運行的Z-Stack協議棧打包后無線上傳至ZigBee協調器，協調器再通過串行接口傳輸給網絡效勞器，終端節點同時負責控制紅外發射系統，檢測到異常時，會自動啟動紅外發射源引導巡防機器人，這樣就實現了對巡防機器人的輔助作用，也就是使全部安防資源整合起來協同工作，做到了智能硬件。本系統防御資源的整合如圖4-7所示。圖4-7ZigBee無線傳感網絡4.5巡防機器人基于室定位的智能路徑實現相信室定位這一問題是比擬困擾廣闊開發者的，傳統的無線信號強度定位在遭遇諸如：信號繁多復雜的場合、障礙物較多的場合等等會導致信號不穩定、衰減的場合，在此些情況下就會造成定位不精準，故在此本工程組提出了一套基于紅外線的定位方法，實現流程及外觀如圖4-8所示。圖4-8紅外線定位接收端流程及發射與接收裝置紅外定位裝置具體實現方法：對于發射源來說，本工程團隊利用NE555制作了一個40KHz頻率的紅外光發射裝置，使用ZigBee控制，一旦檢測到異常情況，ZigBee將會控制繼電器，決定紅外發射源是否工作，一旦紅外發射源激活，那么接收裝置就能感受到40KHz頻率的紅外光，如圖4-9是紅外發射電路原理圖；圖4-9紅外發射源電路對于接收裝置來說，接收到紅外光后，首先會經過第一次濾波，第一次濾波的原理是：對于正面射入的紅外光，假定本工程組的紅外定位裝置如圖4-10所示〔該裝置共計16個接收頭，此處只以1~7號頭作講解〕，可以看到：4號紅外接收頭正面朝向紅外發射源，此時抽象的說，當紅外光射入整個模塊時，因為構造的問題，2~6號頭的角度始終能夠較多的接收到紅外光，而1號、7號頭相對來說會較少接收到，程序會自動判斷濾除，最終剩下2~6號頭，此時再進展取中值，最終將會剩下4號頭，同理，在入射源位置發生改變時，中值接收頭也會發生改變，但只會出現一個較為固定的接收頭序號。上面提到："只會出現一個較為固定的接收頭序號〞，不排除干擾的問題，干擾會來自墻面反射入射源的紅外光、人體發出的紅外等等，當遭遇此種干擾時，中值頭會發生跳動，實際是4號頭，但是會突變為1號，或者6號等等，本工程組將該現象理解為高斯白噪聲，針對這一問題，我們就需要借助卡爾曼濾波，來將數據確定為準確、穩定的一個值。圖4-10紅外裝置示意圖4.6多路隔離電源的實現LM2596開關電壓調節器是降壓型電源管理單片集成電路，能夠輸出3A的驅動電流，同時有很好的線性和負載調節特性。在特定輸出電壓和輸出負載的條件下，輸出電壓的誤差可以保證在±4%的圍；擁有80uA的待機電流，并且擁有自我保護電路：限流保護和在異常情況下斷電的過溫保護電路。本工程就是利用如此高可靠的芯片完成多路隔離電源，在電源輸入參加了1N5822肖特基二極管，防止正負極反接，在輸出參加了一顆電感以及一顆1N5822作為續流器件，在電源輸入GND端參加0Ω電阻隔離地。這樣就實現了多路開關隔離可調電源，為系統提供穩定、純潔的輸入電壓，提供足夠功率！原理圖如圖4-11。圖4-11LM2596-ADJ三路隔離輸出電壓可調DC-DC第5章硬件框圖5.1S5PV210硬件框圖以S5PV210作為主控核心，驅動LCD顯示屏，異步串行接口與其它主控協調完成數據交互、任務分配，同時建立網絡效勞器。具體框圖如圖5-1所示。圖5-1S5PV210硬件框圖5.2STM32F4硬件框圖以STM32F4作為姿態解算核心，負責巡防機器人的姿態控制，由STM32F4的串口1接收STC15紅外定位系統的數據，再進展濾波以及中值頭計算，最后再送入卡爾曼濾波器，得到一個穩定的中值頭；通過串口3接收ZigBee的數據〔入侵檢測、氣體異常等〕；以上數據接收完成后處理，一局部轉換為控制指令讓機器人運動，另一局部再編碼上傳至本工程組構建的效勞器。具體框圖如圖5-2所示。圖5-2STM32F4硬件框圖5.3ZigBee硬件框圖傳感器通過ZigBee終端進展驅動控制并采集數據，將采集的數據編碼后無線發送至ZigBee協調器，這一過程由Z-Stack協議棧完成〔傳輸信號制式為2.4G頻段〕，在ZigBee協調器接收數據后，將接收到的數據送入STM32F4解碼再運用，最終實現安防資源的整合。具體框圖如圖5-3所示。圖5-3ZigBee