一种新型可移动的室内安全检测装置的设计

张松，李响，胡雪曼

(安徽工业大学电气与信息工程学院，安徽马鞍山243000)

一种新型可移动的室内安全检测装置的设计

张松，李响，胡雪曼

(安徽工业大学电气与信息工程学院，安徽马鞍山243000)

针对现在市场上安防产品的局限与不足，设计一种新型可移动的室内安全检测装置。这种可移动的室内安全检测装置以一个移动车体为载体，通过红外对管对路径信息进行避障检测，能够对各种危险因素进行检测并及时处理，发现危险情况之后可以立即切断家中电源，并启动多种报警方式，通过多个节点传送信息，保证家中安全。

移动检测；红外避障；定时巡视；实时处理；通信报警

近年来，智能机器人得到了迅速发展，其应用领域也在不断扩大。由智能型家庭服务机器人代替人来完成清洁卫生、物品搬运、家电控制等家务劳动,不仅是一项极具应用前景的高新技术,而且也是智能机器人领域目前研究的一个热点[1]。

结合已有研究基础，设计出一款适用于家庭的智能型安防检测装置，包括：安防机器人(车)、智能开关、手机App，其中安防机器人集各种检测传感器、短信模块、Wi-Fi模块于一身。该装置能够进行多模式巡视和隐患检测，在遇到异常情况时能够采取声光报警、短信通知、互联网通知等方式及时报警，将故障隐患消灭在萌芽状态。

1 功能规划

这是一种便携式、可移动的实时检测装置，预期完成目标如下：

1)多模式巡视功能；

2)隐患检测功能；

3)多节点、多方式通信报警；

4)显示与图传功能。

开启电源后，先通过手机App对机器人进行模式选择：①不定时模式，即机器人会一直进行移动监测，这样可以最大程度地排除危险因素；②定时模式。机器人内置DS1302芯片，对系统进行定时，安防机器人会间隔一定时间对房间进行避障巡视，检测相关环境参数，定时时间可通过手机App二次设置。

安装在底盘周围的路径检测模块可以实时检测路况，通过STM32F405单片机对环境进行实时检测并分析出一条最佳前进路径。机器人上部安装有温湿度传感器DHT11模块、烟雾气体传感器MQ-5模块与火焰传感器等，可以实时检测周边环境状况。机器人底盘内置ESP8266 Wi-Fi模块和SIM900A短信通信模块，可通过互联网和GSM通信网络与手机进行报警通信。底盘还有3个状态指示灯与TFT液晶屏，可以实时显示系统状态。

一旦机器人检测到危险因素的存在，立即通过短信、指示灯等方式报警，同时利用Wi-Fi模块通过互联网与手机App进行通信，并根据手机设定是否切断家中的智能开关。

系统整体示意图如图1所示。

图1 系统整体示意图

2 安防机器人设计

安防机器人车体外观模型如图2所示。

车体主要由主控制器、电源模块、路径检测模块、驱动模块、短信模块、Wi-Fi模块、显示模块、图传模块等功能模块组成。

图2 车体模型示意图

2.1 主控制器

主控制器是安防机器人的控制核心以及数据处理中心。为了实现安防机器人实时检测、判断、通信、中断等功能，选用STM32F405单片机作为主控制器。STM32F405单片机以高性能的ARM Cortex-M4为内核，具有32位精简指令集，主频高达168 MHz，足以满足系统对控制芯片的要求[2]。

2.2 电源模块

机器人采用12 V/8000 mAH可充电电池供电，通过MP2482电源芯片、LM1117电源芯片、SPX5205电源芯片三种芯片为各传感器和其他模块供电。

MP2482电源芯片可提供5 A连续输出电流，在较宽的供电电压范围内具有优异的负载调整特性，由于要为多个传感器和需要1 A以上电流的SIM900模块供电，为保留足够电流裕量，采取这种大电流芯片供电。由于Wi-Fi模块比较耗电，因此电源一定要充足，最好单独供电。本设计中采用LM1117作为3.3 V稳压电路，为Wi-Fi模块单独供电，实现5 V电压输入、3.3 V输出。LM1117的片上微调把基准电压调整到1.5%的误差以内，而且电流限制也得到了调整，以尽量减少因稳压器和电源电路超载而造成的压力[3]。对于电路中其他需要3.3 V电源供电的模块，如状态指示灯、TFT显示屏、温湿度传感器、控制器等，采用SPX5205M5-3.3电源芯片供电，该芯片具有低输出噪音、低压差的特点。此处也可采用另一块LM1117-3.3电源芯片供电，效果类似。电机驱动模块的供电电源直接由12 V电源提供。

电源模块如图3所示。

图3 电源模块示意图

2.3 路径检测

常见的路径检测方案有以下几种。

方案一：电磁法检测路径，需要事先铺设导线并通以电流，根据麦克斯韦电磁场理论进行路径检测；

方案二：光电法检测，由于不同颜色对光的反射程度不同，事先在预定的轨道铺设黑线，通过光电传感器检测这条路径；

方案三：事先不进行路径规划，通过红外传感器实时检测路况并实时分析得出一条最佳路径，避开障碍物并实现最大范围的检测[4]。

在本设计中，采用第三种方案进行避障检测前行。反射式红外传感器具有一对红外信号发射与接收二极管，发射管发射一定频率的红外信号(波长约为0.93 μm)，接收管接收这种频率的红外信号。设此传感器以30°角发出信号，信号以30°角射入，则需要6个红外对管全面检测周围信息，以控制机器人避障前进。红外对管工作电压为5 V，驱动电流小、灵敏度高，符合系统设计要求。此外可以通过电位器调节障碍检测距离，利于系统调试。红外对管与主动轮、从动轮的安装示意图如图4所示。

图4 检测模块安装示意图

2.4 驱动模块

电机驱动对机器人的运行至关重要，影响车体的加速减速，因此驱动的设计尤为重要[5]。本设计采用N沟道MOSFET和专用栅极驱动芯片设计，使用两片IRS21867S半桥驱动芯片搭建全桥驱动电路，可以实现前进、后退、左转、右转等功能。驱动电路图如图5所示。

采用单极式受限控制模式，正转与反转中，都只有一只MOS管处于PWM控制方式,减小了开关损耗，避免了桥臂直通[6]。在图5中，正转时，T1处于PWM控制方式，T3受高电平控制一直导通，T2、T4受低电平控制保持关断；反转时，T2处于PWM控制方式，T4受高电平控制一直导通，T1、T3受低电平控制保持关断。

图5 驱动电路图

2.5 短信模块

本设计采用SIM900A模块进行网络通讯，该模块属于双频GSM/GPRS模块，采用SMT封装形式和工业标准接口，具有体积小、功耗低的优点[7]。这里采用能够提供大电流的2482芯片为短信模块供电。在本设计中，当安防机器人检测到环境参数异常时，通过STM32F405芯片控制SIM900A模块发送短信给事先设置好的联系人进行通知。系统连接图如图6所示。

图6 SIM900A系统连接图

2.6 Wi-Fi模块

ESP8266是一个完整且自成体系的Wi-Fi网络解决方案。本设计中，采用LM1117-3.3型号的电源芯片为Wi-Fi模块供电。当安防机器人检测到异常情况时，通过Wi-Fi模块连接互联网，分别向房屋主人的手机App和电源智能总开关发出警报。工作流程图如图7。

图7 Wi-Fi模块工作流程图

2.7 显示模块

2.7.1 TFT显示模块

显示模块采用2.4寸液晶屏ILI9341，分辨率为240×320，采用SPI串行总线传输信号，最少需要4个IO驱动，占用资源小，功耗低，用于显示各个传感器反馈数据，及相关电量、运行状况等信息。

2.7.2 状态指示灯

为了能够更直观地显示安防机器人的系统状态，在其车体上安装了3个三色灯，采用10 mm圆头低功耗4脚专用指示灯，分别用来显示3种不同状态：黄灯亮，系统处于待机状态；绿灯亮，系统处于正常运转状态；红灯亮，系统处于检测到危险并未解决状态。

2.8 图传模块

当安防机器人检测到环境参数异常时会打开图传模块，安保人员可以通过图传模块对相关区域的情况进行初步了解。

本设计采用5.8 GHz图传模块，把视频信息传递到安保视频播放界面。

2.9 传感器检测模块

机器人上方安装了火焰、烟雾、温湿度等传感器，可用于多危险因素监测，另外还安装1个摄像头，用来实时记录安防卫士所走路径，以便事后回放。

传感器模块示意图如图8。火焰传感器灵敏度可调，探测角度60°左右，数字开关量(0和1)输出，易于检测。MQ-2烟雾传感器模块采用模拟量输出，输出电压为0～5 V，浓度越高输出电压越高。该模块对液化气、天然气、城市煤气有较好的灵敏度(检测前，由控制器的ADC模块对数据进行转换[8])。DHT11温湿度传感器是一款已校准的数字信号输出的温湿度复合传感器，芯片为4针单排引脚封装，连接方便。该传感器测量范围为：相对湿度20%～90%，温度0～50 ℃。超小的体积、极低的功耗，使其成为应用在苛刻场合的最佳选择。

图8 传感器模块示意图

3 智能开关设计

本设计在家庭电源总开关处安装一个智能开关模块，包括无线接收模块和51单片机控制芯片，可以实时接收Wi-Fi模块通过互联网传送过来的信号。一旦机器人检测到危险，此模块可通过先前的手机App设定来执行相关动作。如果设置为检测到危险信号时不断电，那么智能开关不动作；如果设置为检测到危险信号时断电，那么立即通过交流继电器等执行器件断开家庭电源，开关原理图如图9所示。

图9 智能开关原理图

4 手机App

为了能够实时设定与调整系统参数，对“手机TCP”软件进行二次开发，以适合于本系统的手机App。设置安防机器人和智能开关的Wi-Fi模块与手机App为同一IP站点，从而可以通过互联网进行信息传递。手机App可以实现以下功能：

1)危险时智能开关是否关断的选择；

2)安防机器人的模式选择；

3)不同模式中对安防机器人的手动控制；

4)用于短信报警的手机号码设定。

手机App传送字符指令到指定站点，安防机器人和智能开关实时接收传递来的指令并执行。

5 结语

本文对一种新型可移动的室内安全检测装置的组成、功能、细节设计进行了阐述，并经过实际制作与调试，证明了这种装置的可行性。该装置提高了对家庭危险因素的检测效率，突破了传统的固定式的检测模式，采用移动车体为载体，扩大了检测范围与可靠性，具有广阔的市场前景。

[1]刘翀,肖南峰.智能安防与家庭服务机器人的设计与实现[J].微计算机信息,2006(5):212-214.

[2]陈启军,余有灵,张伟,等.嵌入式系统及其应用[M].上海:同济大学出版社,2011.

[3]卢庆林.基于单片机的自动寻迹避障小车设计[J].机械与电子,2014(7):75-77.

[4]刘竞阳.基于红外测距传感器的移动机器人路径规划系统设计[D].沈阳：东北大学,2012.

[5]余晓填,杨曦,陈安,等.基于移动机器人直流电机驱动电路的设计与应用[J].微电机,2011(11):37-40.

[6]骆俊文.智能家居监控机器人[D].大连:大连理工大学,2011.

[7]周素茵,章云,曾斌.无线通信技术在我国现代温室中的应用综述[J].传感器与微系统,2011,30(12):14-17.

[8]YU C,CHEN X.Home monitoring system based on indoor service robot and wireless sensor network[J].Computers & Electrical Engineering,2013,39(4):1276-1287.

责任编辑：杨子立

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A New Type of Mobile Indoor Security Detection Device

ZHANG Song，LI Xiang，HU Xueman

(School of Electrical and Information Engineering,Anhui University of Technology,Maanshan 243000)

A new type of mobile indoor security detection device was designed in view of the limitations and shortcomings of the present security products on the market.This device,with a mobile body as the carrier,can implement obstacle avoidance detection on path information through infrared tube,and thus detect various risk factors and make timely treatment.Upon detecting dangerous situations,this device can cut off the power immediately,set off alarms and transmit information through multiple nodes to ensure the home safety.

mobile detecting;infrared obstacle avoidance;regular inspection;real-time processing;communication alarm

10.3969/j.issn.1671- 0436.2017.02.003

2017- 03-19

张松(1996— )，男，本科生。

TP242.6

A

1671- 0436(2017)02- 0016- 05