智能巡防机器人设计报告(共23页).doc

精选优质文档-----倾情为你奉上第十一届“博创杯”全国大学生嵌入式设计大赛作品设计报告智能巡防机器人Smart Guard Robot设计报告队伍编号： 参赛学校： 作 者： 指导教师： 组 别：□硕士组 þ本科组 □高职组 专心---专注---专业摘 要本项目的智能安防机器人，它是新一代的网络互联智能安防设备，由S5PV210构建网络并作为任务分配核心再辅以ZigBee无线传感网络来监测环境，一旦某个节点有异常（气体、入侵等）出现后会立即激活红外装置,发出定位信号提供给自主研发的红外定位系统进行定位；在赶往异常节点附近的同时，还会要求控制台查看安防机器人实时回传的视频；控制台会显示传感器收集到的信息，并可对视频采集系统的云台角度进行调整;安防机器人使用STM32作为运动控制器，使得其具有良好的移动性能，能让用户获得最大视角；通过终端可以手动操纵安防机器人运动；安防机器人在使用的时候会伴有语音提示，提高用户体验机器人设计很美观，能很好的融入到使用者的环境，时刻保护使用者的安全相信借助未来的市场需求，本项目能够尽善尽美！关键词： 智能安防设备、网络互联、无线传感网络、红外定位系统AbstractOur smart guard robot,it is a new generation of network interconnection intelligent security equipment,it consists of S5PV210,assist to wireless sensor network to monitor the environment,once a node has an exception(such as gas、intrude and so on)show up,it will immediately activate the infrared device，to provide positioning signal to independent research and development; At the same time,request the console view real-time video comes back and display receive message and control holder.smart guard robot use STM32 to control movement.we can through the terminal control smart guard robot finish job;The robot has voice prompt when you operation.The robot design is very beautiful,we believe that can quickly into the user’s environment to protect user safe.We believe with the help of the future market demand,our smart guard robot will be perfect！Key words: Smart Guard Robot、Network Interconnection、Wireless Sensor Network、Infrared Positioning System第1章 绪 论1.1背景近年来，安防设备的覆盖率呈指数形式暴增，覆盖从家庭、住宅区、商铺到银行、学校、火车站再到工业厂区、仓库、变电站等等场景，然而，安防领域是国内才兴起的，惊人的覆盖率足以让我们悉知安防设备的前景是多么的广阔！不仅如此，北美作为全世界最大的安防市场，目前也体现出了需求量大，竞争激烈的场面；南美、东盟国家同样也显现出了安防市场的增速飞快的趋势，同时南美国家还需要大量依赖进口。

就以上信息指引我们看到了这个广阔的市场，但是随着 研究的深入，我们发现：传统的安防设备都是固定式、机械式的，不具备移动的能力，要想实现无死角监控就必须安放多个摄像头针对不同的区域工作，如此一来，成本高昂、布置复杂、智能化程度低；传统的摄像头外观要是在家庭中或者工作环境中布置的话，会显得比较突兀，令人不自在，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还是集中于固定的IP摄像头，也会有一些衍生产品，如：智能门锁、智能烟感等等，并没有一个能够整合功能，移动的安防设备，为什么移动的安防设备难做呢？本项目组认为：室内定位是头等问题！传统的室内定位是利用无线设备的信号强度进行定位，但是这样的做法是有较大弊端的，譬如：所处环境复杂，含有多种信号干扰，信号过墙的衰减等等因素，导致了无线室内定位还是不能够解决问题，故目前大部分安防市场还是在研发固定的网络安防设备国外具有代表性的安防机器人：由荷兰Amaryllo公司最近推出的一个“家庭安防机器人”IcamPRO FHD，如图1-1所示，它实质也还是一个固定安防摄像头，可以用来录制1080P视频、 检测声音等；而国代表性的是：近段时间，一家宁波公司生产制造的安防机器人，身高1米5，体重40KG的机器人，如图1-2所示，它的作用原理是检测机器人前方的异样，如：检测温度变化，虽然可移动，但是体型硕大，检测手段局限。

国内外两家公司的安防机器人都各有千秋，但也有各自的弊端图1-1 IcamPRO FHD图1-2 宁波公司制造安防机器人1.3研究意义在看完国内外的发展现状，本项目组作如下总结：传统的安防摄像头主要受限于不能移动、固定安装这一问题，使得需要完整监控某一区域时就需要安装多个摄像头进行无死角监控，这样一来就需要布置大量的摄像头，同时，市场现有安防设备并没有很好的整合室内安防资源为解决上述问题，本项目组研制了一套基于卡尔曼滤波的红外室内定位装置，使得安防机器人能够在室内巡防，发现异常，同时携带一枚有云台的摄像头，配合机器人的移动以及摄像头角度调整就能实现无死角监控；对于如何将室内安防资源整合，本项目组是这样做的：使用ZigBee构建无线传感网络，将所有的安防设备通过ZigBee组网，然后数据会实时回传到安防机器人，协调其进行主动防御，联合工作！机器人外观如图1-3所示，最终，旨在解决固定的安防设备的弊端，设计一套室内定位解决方案，同时推动国内智能机器人的发展！图1-3 智能巡防机器人外观第2章 系统方案本项目是一个多主控协调、分工明确的系统，目的是为了缩短开发周期（将项目内容模块化使得开发成员间能独立开发需要的功能，最后进行系统融合，这样提高开发效率并发挥各个核心的优势）模块化的开发对系统调试有非常大的帮助，并且合理的核心协调机制可以提高系统的运行效率，本系统利用了如下处理器：S5PV210、STM32F407、STC15F2K61S2、CC2530；下面本项目组将分别介绍以上处理器在实际应用中的选型及优势，系统总体方案如图2-1所示：图2-1 系统总体方案2.1 主控芯片S5PV210:本项目组使用的S5PV210中央处理器采用了ARM Cortex-A8内核，ARM V7指令集，主频可达1GHZ，64/32位结构，32/32KB的数据/指令一级缓存，512KB的二级缓存，可以实现2000DMIPS（每秒运算20亿条指令集）的高性能运算能力。

S5PV210包含很多强大的硬件编解码功能，内建MFC（Multi Format Codec），支持/2/4、H.263、H.264等格式视频的编解码，支持模拟/数字TV输出JPEG硬件编解码，最大支持8000像素x8000像素分辨率本系统中，使用S5PV210嵌入式处理器来运行Linux系统,如图2-2所示，负责构建网络服务器，主要用于视频、数据、参数的传输，以及需要对各个核心分配任务、监管状态，众所周知，Linux网络方面优势明显，鉴于S5PV210强大的处理能力，最终选择S5PV210作为本项目组的主要核心图2-2 Cortex-A8核心板STM32F407：在姿态解算、调整方面，项目组使用的是一块STM32F407芯片，STM32F4系列是意法半导体推出的基于Cortex-M4内核的高性能微控制器（图2-3），该微控器采用了90nm的NVM工艺和ART（自适应实时储存器加速器），该技术在CPU工作频率（≤168MHz）时使得程序能够等待零周期执行，提升了程序执行效率STM32F4系列微控器还集成了单周期DSP指令和FPU（浮点单元），提升了计算能力，可以进行一些复杂的计算和控制，支持程序执行和数据传输并行处理。

本系统中利用STM32F4高执行效率以及强大的计算能力，在接收红外定位数据后，利用了卡尔曼滤波对数据作处理，并辅以红外壁障数据，合成数据后转换为控制指令以及PWM信号，最终实现对电机的控制，也就是对巡防机器人的姿态控制图2-3 STM32F407STC15F2K61S2：该单片机是STC公司生产的机器周期1T的单片机，是高速、高可靠、超强抗干扰的新一代增强型8051内核单片机，其内部集成了高精度R/C时钟，5MHz~35MHz时钟频率范围可调，可以彻底省去外部晶振和复位电路（内部也集成高可靠复位电路），该单片机还具备两组高速异步串行通讯接口，拥有大量I/O口，可配置四种端口模式本系统之所以选择该单片机作为红外定位系统的核心是因为算法需要建立在复杂的I/O端口操作上（对编号为0~7红外接收管、8~15红外接收管、0~7红外壁障头的操作，共计占用24个I/O口），在收集完成所需信息后，数据会通过高速异步串行通讯接口上传至STM32F4姿态控制核心，该单片机设计核心板如图2-4所示图2-4 STC15F2K61S2核心板CC2530：该处理器也是增强型8051内核的单片机，但是它是建立在ZigBee上,这是一个基于IEEE802.15.4的标准低功耗个域网协议，这个协议主要规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通讯技术，特点是低复杂度、自组织、低功耗、低成本，简单来说就是一种低功耗无线组网通讯技术。

首先说明为什么本项目组需要建立第二个网关，如图2-5所示，是Zigbee与蓝牙和WIFI传输标准的对比图，本项目组目的是为了使用无线设备整合防御区域的安防设备，介于蓝牙距离实在太近，故先排除蓝牙方案；然而为什么我们不使用WiFi？原因是：虽然WiFi传输速率很快、距离也很远，但是相比之下使用WiFi建立节点的成本要远远高于使用Zigbee建立节点的成本，就ZigBee对本项目来说，速率是足够的，且功耗极低，实际测试发现，项目组选用的CC2530+CC2591（功率放大）这一方案的传输距离是非常可观的，空旷场地可以达到200m以上且在室内信号的穿透能力良好故本项目采用CC2530来作为无线传输方案，用于整合防御区域内所有安防设备进行组网，及数据间的交互，完成与巡防机器人的联动防御图2-5 Zigbee、Bluetooth、WiFi传输标准对比2.2 视频传输本项目作为一套完整的安防解决方案，视频的实时回传自然不能少，巡防机器人要充当无人环境中的明亮尖锐的眼，并记录下一切不轨行为！选型初期有这几种摄像头供我们来选择：OV7670图像传感器、USB摄像头、网络摄像头，由于我们的主控制器已经建立了一个网络服务器，我们现在只需要一个带有网络功能的摄像头将其。