远程“智能管家”系统的设计

柳志钦

摘要

本设计针对目前这些市场上关于老龄人的智能硬件缺口，利用摄像头、云台和机械臂等传感器，以下位机整合Wi-Fi模块传输的数据，通过上位机远程控制，实现对空巢老人的协助以及生活环境的实时监控，极大的降低了生活中存在的安全隐患，保障了老人的生活安全

【关键词】stm32 Wi-Fi传输

1 引言

随着社会老龄化现象的加剧以及大多数独生子女在外工作现象更加普遍，老年人家居安全得不到保障。而老年群体学习能力较弱，无法高效利用市面上的安防产品。我们所研究的远程“智能管家”就是基于这些社会因素，让在外工作子女作为系统控制者，在远程控制下提供全方位的信息交换功能，帮助家庭与外部保持信息交流畅通，优化老人的生活方式，增强家庭生活的安全性（火灾自动报警系统和防盗报警）。在此基础上增加远程通话，如采用远程控制，通过视频和语音通话让在外工作的子女随时随地了解家中情况。

2 系统功能与设计

本设计利用stm32单片机进行控制，使用串口通信以及Wi-Fi模块进行数据的采集和上传。摄像头采集的图像经过Wi-Fi直接传送到上位机，通过手机或者PC端显示采集到的图像。下位机负责整理数据和发送控制指令，上位机负责发送指令到Wi-Fi模块，经stm32接收处理数据，从而控制L298N电机驱动小车的两个电机进行前进、后退、转向等操作。

2.1 硬件系统设计

本设计硬件部分分为传输系统，传感系统，单片机系统三大部分。微型处理器STM32F103RBT6模块、Wi-Fi模块、电机驱动、显示模块、机械臂、摄像云台组成，搭配3000mAb大容量充电电池，分置于小车的上中下三层。方便后期调试维护及功能的扩展。小车采用二轮驱动，能实现原地360°灵活转向。小车顶层安装的机械臂能实现简单的物体抓取。其前置云台上的摄像头能独立转向，并在小车行进的过程中探测周围的情况，将其拍摄的图片传送到移动端。

2.1.1 无线传输模块

物联网技术核心在于通过无线传感网络实现物与物的连接。本设计研究了常用的无线解决方案，例如NRI射频传输、蓝牙传输、Wi-Fi传输、以及zigBee传输等，综合其性能及其便捷性考虑选择了Wi-Fi传输的方案。Wi-Fi模块采用高通AR9331芯片是一个高度集成的WLAN解决方案，能实现视频传输及指令双向传输功能，最大连接速率可达150Mbps。搭配独特的外置5db高增益Wi-Fi天线，信号强度高，传输距离远，在障碍物较多或是距离过远时也能实现良好的数据收发，同时超强的穿透力及覆盖能力，使得网络连接更稳定、快速。

2.1.2 处理器MCU模块

单片机系统是一个微型的小电脑系统，相当于Wi-Fi小车的大脑，主要作用是通过控制它的输出引脚（10接口）输出高低电平，从而让电机驱动芯片控制小电机正转、反转;也可通过输入引脚读取高低电平，从而实现单片机与传感器的交互。本系统选用Cortex-M3内核的STM32F103RBT6作为下位机控制核心，其具有高性能、低功耗、运行速度快等特点。能完美的胜任数据处理和串口通信的工作。

2.2 软件设计

本系统的软件部分主要分为上位机程序、下位机程序和无线终端控制程序。在遵循模块化系统设计思想的同时，做到了尽可能的使程序简洁明了。

2.2.1 下位机程序设计

首先通過移动终端传输数据到stm32，通过串口通信识别指令后，程序判断将要执行的操作是运行舵机或是输出PWM信号到电机驱动板。指令执行结束，循环等待接收下一条指令。该部分的关键在于串口协议，它对于程序的可靠准确运行起着至关重要的作用。同时针对接收数据的字符缓冲区，对位进行数据选取，用于区别无线端口标号和接收数据的类别。具体程序由于篇幅原因在此不予以展示。

2.2.2 上位机程序设计

上位机采用C#语言进行编写，上位机的编写包括UI界面和程序业务逻辑，主要功能是显示数据和发送控制指令据，实现一定的预警功能。当Wi-Fi网络中有数据到达模块的串口时，上位机开始接收数据，并按照预先设定好的数据协议解析串口数据，将网络中的环境数据清晰的显示在上位机界面上。并且上位机需要负责监控环境终端，当收集到的数据超过预设值时，上位机调用电脑的蜂鸣器发声，实现报警提示。同时上位机还兼具控制舵机转向的功能，当使用者想远程控制小车上的云台或机械臂运转必须先通过上位机发送指令。

3 系统调试

在分别完成各个部分的功能后进行系统调试，我们的团队对各个组件以及模块间的协同工作结合测试，检测其正常工作时的各个参数。为了使测试结果更符合自然使用时的情形，我们模拟居家环境，将硬件、软件、操作者看作一个整体，从MCU工作状态，云台及机械臂转向灵敏度，视频传输帧率等全方位测试了“智能管家”的系统稳定性。完善了其美观度，及人机交互界面，增强了软硬件的可用性。

4 总结

我们本次研究主要就是为了实现生活在外的子女可以远程控制，随时随地通过手机控制智能管家与父母视频联系，实时掌握家里的状况，并且自动解决家中隐患（如火灾报警功能）。该项目充分利用物联网技术、云台电机控制技术、温度探测器技术，以此达到通过手机远程控制智能管家移动，实现人机交互并且实时监控家中室内温度，保障家人安全。

参考文献

[1]林小茶.C语言程序设计（第三版）[M].北京：中国铁道出版社，2010（12）.

[2]李全利.单片机原理及接口技术[M].北京：高等教育出版社，2009（01）.

[3]杜刚.电路板设计与制作[M].北京：清华大学出版社，2010（02）.