智能巡防机器人设计报告

第11届“博创杯”全国大学生嵌入式设计竞赛工作设计报告智能巡逻机器人智能警卫机器人建立米报纸告诉团队编号：参与学校：作者：讲师：分部：硕士班、本科班高职班摘要本项目的智能安防机器人是新一代网络互联智能安防设备，采用5PV210构建网络作为任务分配核心，采用ZigBee无线传感器网络监控环境。一旦出现异常(气体、入侵等。)发生在某个节点，它会立即激活红外设备，发出定位信号，并将其提供给自主开发的红外定位系统进行定位。在冲到异常节点附近的同时，控制台需要实时查看安全机器人返回的视频。控制台将显示传感器收集的信息，并调整视频采集系统的云台角度。安全机器人使用STM32作为运动控制器，这使得它具有良好的移动性，并允许用户获得最大视角。通过终端，安全机器人可以手动操作。当安全机器人被使用时，它将伴随着语音提示来改善用户体验。该机器人设计美观，能很好地融入用户环境，始终保护用户的安全。我相信，在未来市场需求的帮助下，这个项目会是完美的！关键词：智能安防设备、网络互联、无线传感器网络、红外定位系统摘要我们的智能安防机器人，是新一代网络互联智能安防设备，它由S5PV210组成，辅助无线传感器网络监控环境，一旦某个节点有异常(如瓦斯、入侵者等)出现，它会立即激活红外设备，为自主研发提供定位信号；智能保安机器人使用STM32来控制移动，我们可以通过终端控制智能保安机器人完成工作；当你操作时，机器人有语音提示。机器人的设计非常漂亮，我们相信能很快进入用户的环境，保护用户的安全。我们相信在未来市场需求的帮助下，我们的智能警卫机器人将会是完美的！关键词：智能安防机器人、网络互联、无线传感器网络、红外定位系统第一章螺纹理论1背景1.11.2国内外发展现状11.3研究意义2第2章系统计划22.1主控芯片32.2视频传输52.3电源部分62.4室内定位6第3章功能和指标73.1智能巡逻机器人7的实现功能3.2智能巡逻机器人功能指标7第四章实施原则84.1 Linux实施84.1.1用Linux构建网络服务器84.1.2使用Linux进行任务分配84.2安卓终端实施94.2.1安卓终端人机交互的实现94.2.2安卓终端与Linux插槽11之间的网络通信4.2.3安卓终端解码4.4 ZigBee无线传感器网络12的实现4.5基于室内定位的巡逻机器人智能路径实现134.6多通道隔离电源的实施15第5章硬件框图165.1 S5PV210硬件框图165.2 STM32F4硬件框图17图5-2 STM32F4硬件框图175.3紫蜂硬件框图175.4 STC15F2K61S2硬件框图18第六章创新18结论19参考文献19第一章线索理论1.1背景近年来，安全设备的覆盖率呈指数级增长，覆盖的场景从家庭、住宅区、商店到银行、学校、火车站到工厂、仓库、变电站等。然而，安全领域在中国才刚刚兴起，惊人的覆盖率足以让我们知道安全设备的前景是多么广阔！不仅如此，北美作为全球最大的证券市场，也呈现出巨大的需求和激烈的竞争态势。南美和东盟国家的证券市场也呈现出快速增长的趋势，而南美国家也需要严重依赖进口。根据以上信息，我们已经看到了这个巨大的市场。然而，随着研究的深入，我们发现：传统的安防设备是固定的、机械的，不具备移动能力。为了实现死角监控，必须安装多个摄像机在不同的区域工作。因此，成本高，布局复杂，智能化程度低。如果将传统相机的外观安排在家庭或工作环境中，会显得突兀、不舒服，并暴露个人隐私。1.2国内外发展现状目前，国内外安防设备的研发仍集中在固定IP摄像头上，还有一些衍生产品，如智能门锁、智能感烟器等。没有可以集成功能的移动安全设备。为什么移动安全设备很难做到？项目团队认为室内定位是重中之重！传统的室内定位利用无线设备的信号强度进行定位，但这种方法有很大的缺点。例如，复杂的环境，包含各种信号干扰、信号穿墙衰减等因素，导致无线室内定位仍然无法解决问题。因此，大多数安全市场仍在开发固定网络安全设备。国外有代表性的安全机器人：荷兰Amaryllo公司最近推出的“家庭安全机器人”IcamPRO FHD，如图1-1所示，也是一个固定的安全摄像机，可以用来记录1080P的视频，检测声音等。中国的代表是：最近宁波公司生产的一种保安机器人，一种高1.5米、重40公斤的机器人，如图1-2所示，其工作原理是检测机器人前方的异常情况，例如检测温度变化。尽管它是可移动的，但是它的尺寸很大并且检测手段有限。国内外的安全机器人各有优缺点。图1-1 FHD机场图1-2宁波公司生产的安全机器人1.3研究意义在回顾了目前国内外的发展情况后，项目组得出如下结论：传统的安防摄像头主要局限于不能移动和固定安装的问题，因此需要安装多个摄像头对某个区域进行完全无死角的监控。因此，需要布置大量的摄像机。同时，市场上现有的安防设备没有很好地整合室内安防资源。为了解决上述问题，项目组开发了一套基于卡尔曼滤波的红外室内定位装置，使安防机器人能够在室内巡逻并发现异常情况。同时，它还带有一个带云台的摄像头，配合机器人的运动和摄像头角度的调整，可以实现无死角监控。至于如何整合室内安全资源，项目组是这样做的：使用ZigBee构建一个无线传感器网络，通过ZigBee将所有安全设备联网，然后将数据实时传输回安全机器人，以协调其主动防御和联合工作！机器人的外观如图1-3所示。最后，旨在解决固定安全设备的弊端，设计一套室内定位解决方案，促进国内智能机器人的发展。图1-3智能巡逻机器人外观第二章系统规划本项目是一个多主体协调、分工明确的系统。目的是缩短开发周期(模块化项目内容，使开发成员能够独立开发所需的功能，最终进行系统集成，以提高开发效率，充分发挥每个核心的优势)。模块化开发对系统调试非常有帮助，合理的核心协调机制可以提高系统的运行效率。该系统采用以下处理器：S5PV210、STM32F407、STC15F2K61S2、CC2530；以下项目组将分别介绍上述处理器在实际应用中的选择和优势。系统总体方案如图2-1所示。图2-1系统总体规划2.1主控芯片本项目组使用的S5PV210处理器采用ARM Cortex-A8内核，ARM V7指令集，主频为1GHZ，64/32位内部总线结构，32/32KB数据/指令一级缓存，512KB二级缓存，可实现2000兆位的高性能计算能力(每秒20亿个指令集)。S5PV210包含许多功能强大的硬件编解码器功能，内置的MFC(多格式编解码器)，支持MPEG-1/2/4、H.263、H.264和其他格式的视频编解码器，并支持模拟/数字电视输出。JPEG硬件编解码器支持8000像素8000像素的最大分辨率。在该系统中，嵌入式处理器S5PV210用于运行Linux系统。如图2-2所示，负责搭建网络服务器，主要用于视频、数据和参数的传输，以及给每个核心分配任务和监控状态。众所周知，Linux在网络上有明显的优势。鉴于S5PV210的强大处理能力，最终选择S5PV210作为该项目团队的主要核心。图2-2 Cortex-A8核心板在姿态计算和调整方面，项目组使用了STM32F407芯片。STM32F4系列是由意法半导体公司推出的基于Cortex-M4内核的高性能微控制器(图2-3)。微控制器采用90纳米的非易失性存储器工艺和自适应实时存储器加速器。该技术使程序在CPU工作频率(168MHz)时等待零周期执行，从而提高程序执行效率。STM32F4系列微控制器还集成了单周期数字信号处理器指令和浮点单元，提高了计算能力，可以执行一些复杂的计算和控制，并支持程序执行和数据传输的并行处理。在该系统中，STM32F4以其高执行效率和强大的计算能力而被采用。接收到红外定位数据后，利用卡尔曼滤波器对数据进行处理，并辅以红外屏障数据。数据合成后，转换成控制指令和脉宽调制信号，最终实现对电机的控制，即巡逻机器人的姿态控制。图2-3 STM32F407单片机是STC公司生产的机器周期为1T的单片机。它是新一代增强型8051核心单片机，速度快、可靠性高、抗干扰能力强。其内部集成了高精度时钟，时钟频率范围从5兆赫到35兆赫可调。它可以完全消除外部晶体振荡器和复位电路(内部也集成了高可靠性复位电路)。单片机还具有两组高速异步串行通信接口，具有大量的输入输出端口，可配置四种端口模式。该系统之所以选择单片机作为红外定位系统的核心，是因为该算法需要建立在复杂的输入输出端口操作的基础上(07、815和07个红外接收管的操作占用了24个输入输出端口)。收集到所需信息后，数据将通过高速异步串行通信接口上传到STM32F4姿态控制核心。单片机设计核心板如图2-4所示。图2-4 STC15F2K61S2核心板该处理器也是一个具有增强型8051内核的单片机，但它是建立在基于802.15.4的标准低功耗个人局域网协议紫蜂之上的。该协议规定的主要技术是一种短距离低功耗无线通信技术，具有低复杂度、自组织、低功耗和低成本的特点，是一种简单的低功耗无线网络通信技术。首先，解释为什么项目团队需要建立第二个网关，如图2-5所示，这是Zigbee、蓝牙和WIFI传输标准的比较图。项目组的目的是使用无线设备来整合防御区域的安全设备，该区域离蓝牙太近，因此首先排除蓝牙方案。然而，我们为什么不用无线网络呢？原因是：虽然无线网络传输速度很快，距离很远，但使用无线网络建立节点的成本比使用紫蜂建立节点的成本要高得多。对于本项目来说，该速率是足够的，并且功耗极低。实际测试表明，项目组选择的CC2530 CC2591(功率放大)传输距离非常可观，开放场地可达200米以上，具有良好的可扩展性图2-5紫蜂、蓝牙和无线传输标准的比较2.2视频传输作为一个完整的安全解决方案，视频的实时传输不能少。巡逻机器人应该在无人环境中表现出明亮敏锐的眼睛，并记录所有不当行为。在选择之初，有几种相机供我们选择：OV7670图像传感器，通用串行总线相机和网络相机。由于我们的主控制器已经建立了一个网络服务器，我们只需要一个具有网络功能的摄像头就可以将其数据转发到安卓终端并进行解码。因此，我们在这里选择了一个网络摄像机，如图2-6所示。图2-6网络摄像头2.3电源部分电源是整个系统最重要的部分。由于系统的高度复杂性，它需要多个不同的电压，例如3.3V、5V、10V、12V，并且在工作时间，功率很高。该系统需要一种能够输出稳定电压并具有足够功率的方案。考虑到电源模式是锂电源，并且电源电压是最高的12.4伏和最低的11.1伏，在这种情况下，为了使系统稳定运行，有必要稳定输出系统所需的电压。最后，采用DC-DC降压方案，芯片为LM2596S-ADJ，芯片的可调输出电压为1.2V37V4%，