基于树莓派的远程交互安防小车

刘诚 肖彤 曹荀

摘要：针对对于大面积区域安防场景的需求，以树莓派为主控，STM32单片机作为运动控制底盘，采用不同种类的环境传感器，设计出一款多场景适用，功能强大的远可控的安防小车。该小车可在室内、室外进行常规的安全隐患监视，极大满足对于大面积区域的安防保障有需求的用户。

关键词：树莓派;智能监控;安防;物联网;

引言：

随着建设“乡村振兴”、“建设美丽乡村”的推进，农村基础设施、公共服务得到有利改善。越来越多的外出务工人选择回到农村，为建设美丽乡村贡献自己的力量。当然，随着乡村人数的增加，人们的安防意识也随之提高。特别是农村地区，由于住宅普遍面积较广，同时工作在外的子女希望能有更便捷的方式，能时刻关注在家的老人的安全。显然，传统的监控设备功能已经不能满足这些新的需求。

本设计采用单片机技术、无线通讯技术、计算机技术、人工智能技术、传感器技术、机器人技术，设计一款可在室内、室外进行巡逻监控、防盗报警，同时能够通过手机APP实现监控区域选择，监控回放，小车移动控制，语音对讲。

1.系统方案设计

小车方案设计框图如图1所示。

本设计以树莓派作为机器的“大脑”，STM32F10X系列单片机，作为机器的“小脑”，控制小车运动底盘。用户对小车进行巡逻线路的设置后，小车可在室内、室外进行安全巡视，全方位地对房屋每一个角落，无死角监视。还可以通过手机APP，控制小车到任意一个地方。

小车搭载摄像头模块、升降云台、声光报警模块、LCD显示模块，及各种环境传感器。摄像头实时采集视频存储到本地存储中。用户可通过手机APP查看实时监控画面，或者查看过去回放。查看回放时，树莓派根据用户需求选取对应时段的本地监控信息上传至云服务器中。当摄像头检测到有未录入脸出现时，发出声光警告并向用户手机推送消息。升降云台可以调节监控的视野，极大增加了定点监控的视野范围。

小车所搭载的环境传感器，会实时收集环境信息，并根据设置的阈值，通过多种方式向用户发送警告，能够及时发现有毒有害气体，烟雾火灾等险情。

2.系统硬件设计

STM32单片机电路主要原理图如下图2所示。

小车硬件部分由小车底盘部分、传感器部分、机械结构部分，三大部分组成。其硬件连接关系如下图3。

小车底盘由四个直流减速电机和MPU6050模块，以及一个激光雷达模块构成，树莓派树莓派连接到激光雷达，获取环境地图与STM32单片机进行串口通讯，来控制电机运动，获取小车姿态等信息。

为了能够让小车在安装摄像头、传感器等设备后仍然能灵活运动，应选择功率较大的直流电机。然而，由于单片机通用输入输出口的带负载能力比较弱，难以驱动大电流的电机负载。这里选用一款直流电机驱动器件。。

MPU6050模块，即陀螺仪。主要用来获取到小车底盘的运动姿态，从而为主控做出决策提供参考依据。该模块价格低廉，抗干扰能力强。

为了降低成本，选择价格相对低廉的基于三角测距的雷达，该激光雷达在每次测距时发射红外激光信号，视觉采集系统接收反射的激光信号，经过树莓派的处理后，将以激光雷达为中心到被测距离值解算出来。

声光报警模块主要是由蜂鸣器和LED组合实现，通过程序控制其触发时间，实现不同紧急情况，不同的声光提示效果。

摄像头模块采用红外摄像头，可以在夜间无补光的条件下进行拍摄，可以在黑暗环境下，对画面有比较好的清晰度。摄像头配合电机控制的伸缩杆，可以极大拓宽监控可视范围。

小车可通过物联网WIFI模块连接到用户家中网络。如果区域无无线网络，可选择搭载4G模块的方式实现4G无线透传，同时也能覆盖更广的巡视范围。

环境传感器中，有毒气体一氧化碳传感器JXM-CO，具有抗干扰能力强，灵敏度高，体积小的特点，实现对有害气体实时监測。火焰监测采用红紫外火焰探测器，该传感器利用光学敏感器件监测火焰发出的红外波与紫外波，有效抑制和减少误报几率。，通过树莓派对多个传感器数据分析，进行声光警报的触发。

屏幕模块可以进行基础的功能配置，连接网络等操作。显示传感器实时数据，也可以查看视频监控回放。也能与手机APP进行手机视频通讯。

3.系统软件设计

树莓派对小车底盘的控制是基于ROS机器人操作系统完成的。ROS层作为上位机启动各个传感器节点以及运行建图算法和导航算法。STM32作为底层驱动硬件，完成对直流电机的闭环控制。树莓派与单片机采用串口通讯的方式，进行双向的数据连接。

STM32对电机的闭环控制，是实现小车正确运动的重要的一环。为解决电机速度闭环问题，采用了经典的PID控制，对电机速度进行PID控制，通过代码实现后，再进行PID参数的设定，从而让机器的运动达到我们想要的效果。

当小车开始运行时，将按照已经规划好的路线进行巡视，摄像头和环境传感器收集视频信息保存到本地储存，将传感器实时数据上传到主控设备进行数据处理及分析，当超过预设的阈值时，发出声光报警。当手机APP接入时，小车停止巡逻，用户通过监控视频画面观察环境，控制小车移动到任意位置，或者重新设置巡逻路线。

4.系统测试

按照硬件电路原理图焊接好后 设计好电路，焊接电子元件后，进行硬件连接和系统调试。接入电源后，在屏幕上显示有害气体浓度，温湿度等传感器收集的数据，传感器工作正常。通过设置，将小车接入网络后，打开手机APP，显示出摄像头实时画面，有1s左右的延迟。通过手机的按键，控制小车的自由移动。底盘控制程序测试通过。

5.结论

本设计实现了以树莓派为主控的物联网安防小车。摄像头结合升降云台，通过移动底盘，实现对环境的无死角巡视监控。检测到 陌生人接近时能进行声光报并向用户手机端及时推送消息，实现家庭安全监视功能，温湿度传感器，有害气体传感器，火焰传感器探测环境有害气体泄露，火灾等危险场景，及时进行声光报警触发和手机消息推送，保障了人生财产安全，及时制止危险事故发生。提高了社会居民的生活体验，用科技改变人们的生活方式。

作者简介：

刘诚（2000-），男，汉族，四川中江人，西昌学院本科在读，电子信息工程方向。

基金项目：

西昌学院2020年度大学生创新创业训练计划项目：远程体感交互小车（项目编号：202010628001）。