基于Arduino的校园巡逻远程监控小车

◎湖南省邵阳市第十六中学 周之童 周粮恒

为更好地监测学生的体温状况，我们设计了一款校园巡逻远程监控小车。

一、系统总体设计

校园巡逻远程监控小车主要包括Arduino主控器、循迹避障模块、电机驱动模块、红外测温模块、拍照远程监测模块、语音播报和电话通信模块等，要实现的功能为：避开障碍物；及时检测体温异常的人员。

系统总体结构框架图如图1所示。

图1 系统总体结构框架图

二、系统硬件设计

1.主控器

选取Arduino UNO R3板作为校园巡逻远程监控小车的主控器。该主控器可对红外循线传感器、超声波传感器、红外测温传感器检测到的数据进行采集与信息处理，进而通过输出PWM信号和控制各引脚的高低电平来实现小车的循迹避障、拍照上传、语音播报和电话通信等功能。

2.拍照远程监测模块

选取ESP32-CAM模块（如图2）对校园体温异常者进行拍照并将照片上传，实现远程监控。该模块的VCC引脚接主控板VCC引脚，GND引脚接主控板GND引脚，端口IO16连接主控板的端口3。

图2 ESP32-CAM模块

3.红外测温模块

选取MLX90614系列红外温度计进行校内人员的非接触式测温。该模块的GND引脚接地，VCC引脚接主控板5 V电源。SCL引脚为两线通信协议的串行时钟信号，接主控板的端口A4。SDA引脚为数字信号输入/输出，正常模式下，该引脚以脉宽调制方式输出被测量物体的温度，接主控板的端口A5。

4.电机驱动模块

选取智能小车底板和两个强磁碳刷减速电机，并配以2个3.7 V的电池对电机进行供电，实现电机的驱动。Arduino主控器的5、6、9和10端口分别驱动电机的左正转、右正转、左反转和右反转。

5.循迹避障模块

选取3个红外循线传感器和1个超声波传感器构成小车的循迹避障模块。Arduino主控器的7、8、11端口分别从左、中、右三个方向获取3个红外循线传感器检测到的数据。Arduino主控器的12、13端口连接超声波传感器的trig、echo引脚，通过小车与物体的距离判断前方是否有障碍物。

6.语音播报和电话通信模块

选取BY8001-16P语音播报模块进行不同情形下的播报与警示，Arduino主控器的2、4端口连接语音播报模块的IO1、IO2端口，分别控制第一段、第二段的语音播报。

选取GSM 通信模块进行电话语音通信，实现远程交流，主控器的0（RX）、1（TX）端口分别连接GSM通信模块的TX、RX端口。

三、系统程序设计

1.总程序设计

利用Mixly、Arduino IDE两种软件对校园巡逻远程监控小车系统进行设计。

首先对系统进行初始化配置，各传感器正常运行，检测周围环境参数，接着将传感器检测到的数据与设定阈值进行比较，超出设定阈值则调用对应子程序。子程序包括循迹避障语音播报提醒子程序、红外测温拍照语音播报电话通信子程序。

系统总程序流程图如图3所示。

2.循迹避障语音播报提醒子程序设计

循迹小车的运动状态有左转、直走、右转、停止四种，而运动状态的选取取决于3个红外循线传感器。红外循线传感器遇黑线时Arduino主控器输入高电平，遇白线时输入低电平。当左边或左边与中间的红外循线传感器同时检测到黑线时，表示左轮胎压线，此时应该左转，反之右转。只有当中间的传感器独自检测到黑线时才直走，这就是循迹算法。

当超声波传感器检测到的距离低于设定值时，Arduino主控器的端口4输出低电平，控制语音模块进行播报。循迹避障语音播报提醒子程序流程图如图4所示。

3.红外测温拍照语音播报电话通信子程序设计

校园巡逻远程监控小车在校园内行驶时，红外测温传感器检测到有人体温超过设定阈值后，小车停车，Arduino主控板的端口3输出低电平，以一个低电平信号为触发源，进行一次拍照。端口2输出低电平，语音模块进行第二段语音播报。同时，Arduino主控板与通信模块进行串行口通信，可拨打预设电话。红外测温拍照语音播报电话通信子程序流程图如图5所示。

图5 红外测温拍照语音播报电话通信子程序流程图

四、系统调试

系统调试过程如下：将小车放入校园地图跑道，小车运行正常。当前方10 cm处有障碍物时，小车停止循迹，并播报语音：“请避开，让我通行。”一段时间后再次检测，无障碍物后继续进行校园循迹。当校内有温度超过设定阈值的人员时，小车停止循迹，并进行语音播报：“请站在原地，不要走动。”ESP32-CAM摄像头能对体温异常者拍照并将照片上传，实现远程监测，GSM通信模块能拨打校园护卫队相关责任人的电话，让他们来进行更加细致的鉴定。

搭建好的校园巡逻远程监控小车如图6所示。

图6 校园巡逻远程监控小车

五、未来展望

本作品还可进行如下改进：加装PM2.5传感器进行空气质量检测；加装有毒气体传感器，检测校园内是否存在有毒气体；加装烟雾传感器和火焰传感器，让其成为校园安防的一部分；等等。

专家点评

周之童、周粮恒同学的“基于Arduino的校园巡逻远程监控小车”是一个比较典型的创客作品。它体现了“创意—物化—分享”这一核心理念。这个作品的产生，对两位同学的成长无疑是很有帮助的。

两位同学能把自己在课本上学到的知识与在社团活动中学到的知识结合运用，来实现自己的基本构想，敢想敢干，富有挑战精神。

这里提两点建议：其一，我们有了创意，在想把创意物化和分享之前，要多找找相关资料，了解一下当前整个项目的发展水平。我们应就自己的创意和能力，去设计解决新的问题。其二，在项目报告中，两位同学一定要说明各自在这个项目中所做的工作。