0 引言

為保證城市安全，城市中各處都安裝著網絡攝像頭，以此保證意外情況發生時能夠及時處理。傳統式城市安防監控系統采用定點式煙霧報警器或攝像頭，監控方式較為固定統一且靈活性不高。隨著城市交通網越來越龐大，城市內市民的活動日趨復雜，傳統的定點式安裝存在監控死角，已經不能滿足當代社會的安防需求。所以需要投放巡防機器人做安保工作，既節省人力又節省財力。因此，人們也在想方設法設計一種智能的巡防機器人用于實際巡防工作中。

現今機器人產品廣泛用于科技領域，并以驚人的速度用于各個領域，例如工業、農業、服務業和軍事，具有非常廣闊的市場前景。隨著我國制造業快速發展，城市安全成為人們關注的話題，投入一種能滿足當今時代的信息化，智能化控制要求且保證城市安全的機械設備尤為重要。本文設計的一種城市安全防護機器人對未來城市智能化有著很大的意義和價值。

1 總體設計

城市安全防護機器人系統由機器人運動部分、電腦監控控制部分、手機數據監控部分3 部分組成。首先3個部分需在同一網絡環境下，由機器人運動部分搭載的樹莓派建立服務器，完成物聯網的主服務器端，電腦端及手機端以客戶端的形式連接服務器，進行數據交互。機器人運動部分負責公共場所的移動檢測，同時具有激光雷達避障功能，將采集的煙霧數據信息和圖像信息返回給電腦監控端及手機端；電腦端顯示機器人回傳的數據及對機器人的遠程控制；手機端可完成便攜式的移動監控，該機器人具有視頻監控、煙霧檢測、事故報警、人臉識別、遠程控制等功能，可對復雜的監控死角進行巡視，彌補了傳統安防系統的不足，進一步確保了市民和財產的安全。

圖1 城市安全防護機器人總體設計框圖

2 硬件設計

機器人巡防部分安裝有負責機器人定位的GPS 定位模塊、激光雷達模塊；負責數據及圖像傳輸的樹莓派；負責檢測的煙霧模塊及報警器；電腦端與機器人通過 WIFI 的局域網TCP 協議進行通信，可將機器人采集到的數據傳輸給電腦端，電腦端也可以根據圖傳傳回的圖像對機器人進行遠程控制，手機端也可進行數據查看。系統硬件如圖2 所示。

圖2 城市安全防護機器人硬件結構圖

2.1 GPS定位模塊

車體定位主要由GPS 定位模塊實現。模塊采用GPS，北斗雙模衛星定位的ATGM332D，跟蹤靈敏度度達-162 dBm，定位精度達2.5 m，采用UART 作為輸出通道，按照NMEA0183 協議格式輸出。GPS 定位模塊數據輸出如下。

圖3 GPS定位模塊返回數據格式

在GPS 定位模塊返回的數據中：“$”為1 幀數據的起始位，“GNGLL”代表數據為大地坐標信息，“4257.29860”代表緯度信息，“N”代表當前定位點位于北半球，“12439.01275”代表經度信息，“E”代表當前定位點位于東半球，“024401”代表UTC 時間，“A”代表當前數據為有效定位，根據返回的數據進行解算：緯度：N 4257.29860 精度E12439.01275緯度= 4257.29860 /100 = 42°，4257.29860%/100 =57′ ， 0.29860 × 60 = 17.916″經度=12439.01275 /100 =124°，12439.01275%100 =39′，0.01275× 60 = 0.765″此時的機器人位置位于北緯：42°57′17.916″ ，東經：124°39′0.765″。

2.2 激光雷達模塊

激光雷達模塊采用思嵐RPLIDAR A1 型，8000 次/s為機器人掃描周圍的障礙物，從而完成機器人的路徑規劃，激光雷達的通信采用報文模式，處理芯片須向激光雷達模塊發送請求報文后建立通信協議。根據實際測量激光雷達返回數據量龐大，如果將激光雷達數據交由機器人主控芯片處理，可能會影響路徑規劃等進程的速度。考慮到機器人靈敏度，所以采用STM32F103 芯片專門負責激光雷達的數據采集工作，圖4 為STM32F103 的電路原理圖。

圖4 STM32最小系統原理圖

激光雷達連接STM32 的串口通過UART 串口通信完成報文的傳輸。根據激光雷達數據字節偏移格式進行解算，定義計數變量cNum，數據存儲數組cData[]。利用S 位與S 位進行異或再與校驗位C 進行與運算，判斷數據是否為報頭，如果判斷報頭成立，則進行角度與位置解算，保存角度、距離數據，完成激光雷達的數據獲取。

2.3 煙霧傳感器模塊

機器人安裝有煙霧傳感器，光強傳感器負責火焰煙霧的檢測，以防發生火災情況；煙霧傳感器選用MQ-2煙霧氣敏傳感器模塊，采用是在清潔空氣中電導率較低的二氧化錫，當檢測到可燃氣時，傳感器的電導率隨空氣中的可燃氣濃度的增大而增大，本設計中采用Arduino為數據采集芯片，Arduino芯片內部集成了 AD轉換模塊，可采集傳感器的模擬量輸出，數據采集連接電路圖如圖5 所示。

圖5 數據采集電路連接圖

2.4 樹莓派及攝像頭模塊

該機器人需要進行人機數據交互，依據現有的相關模塊，可采用WIFI 模塊和圖傳攝像頭，煙霧采集數據及對機器人的控制指令由WIFI 模塊傳輸、機器人的圖像信息由圖傳傳回電腦控制端，但由于圖傳信號容易受到干擾，實際工作效果并不能滿足后期的圖像質量，故采用WIFI、圖像與一體的樹莓派作為數據傳輸的載體。Raspberry Pi（樹莓派）工作環境基于Linux。本設計樹莓派選用3B+ 版本，CPU 為64 位1.4 GHz 四核，WIFI網絡采用802.11AC 無線，支持2.4 GHz 與5 GHz 雙頻，采用串口通信方式與機器人底盤的主控芯片相連接。圖像傳輸由Motion 運動檢測實現，可對圖像中的運動目標定位追蹤。

在進行物聯網組網時，首先在樹莓派建立一個TCP服務器進行局域網組網，這樣在公共場所中保證與樹莓派連接相同的網絡就能通過TCP 協議與樹莓派進行數據通信，Motion 采用8081 視頻端口，為了連接方便，數據端口我們采用8082 號，根據樹莓派顯示頁面提供的IP 地址建立連接，這樣在此局域網內的客戶端均可與樹莓派進行數據交互。

為滿足機器人夜間的巡視要求，攝像頭模塊采用樹莓派夜視攝像頭，在攝像頭的兩側各配有紅外補光燈，在夜間工作時，紅外燈向外發射紅外線，遇到物體或者人體時進行漫反射，將紅外光線返回到攝像頭中，這樣攝像頭就能如同白天一樣采集圖像信息，攝像頭的紅外補光燈可拆卸，保證不同環境的需求。

3 軟件設計

3.1 電腦客戶端設計

電腦客戶端采用Pyqt5 編程語言實現顯示頁面。具有機器人視頻監控、遠程控制、煙霧數據監測、定位顯示、及報警等功能。

視頻監控控制頁面可將樹莓派傳回的圖像顯示出來，具有人臉檢測功能，可對視頻中的人臉進行定位，同時將面部信息上傳百度智能云，對所有人臉進行統計歸檔，完成城市公共場所的人員監控，同時具有圖片抓拍功能，當圖像中出現意外情況，可及時抓拍取證。數據監控頁面主要是對機器人傳回的煙霧值進行顯示，并繪制煙霧值的變化曲線。當煙霧值超過設定值時報警指示燈會變成紅色，并發送手機報警信息，由安全管理部門當即了解情況，規劃決策措施，以保證財產安全。

發送短信機制采用Twilio 云通訊，Twilio 是美國知名的云通訊公司，向用戶提供數字化或可編程的語音和消息通信服務，本設計中采用Python 調用twilio.rest 庫中的Client 完成發送短信的功能。

定位頁面通過調用百度的靜態地圖 API 完成定位，實時根據經緯度確定機器人的所在位置。如圖6 為機器人位置顯示，藍色代表機器人當前位置。百度地圖靜態圖API，可實現把百度地圖以圖片形式發送回來，在圖片控件中進行顯示，自需發送HTTP 請求，就可獲取位置信息。

圖6 北斗定位電腦端顯示頁面

3.2 手機客戶端設計

手機客戶端由 APP Inventor 編程完成，啟動時輸入機器人的 IP 地址，可對機器人的圖像信息及煙霧情況進行觀測。

3.3 樹莓派顯示頁面設計

樹莓派顯示頁面使用 python 編程完成，可檢測樹莓派的端口串口連接情況，調節波特率等參數，快速與底盤建立連接，同時可建立TCP 服務器，如圖7 所示，此時樹莓派的IP 地址位192.168.43.155，端口為8082，電腦及手機端連接此IP 就可完成通訊連接。

4 結束語

現如今城市交通網絡日趨復雜，人們的活動范圍逐漸擴大，必然導致一些不可避免的如火災、遇險等多種危害人身安全及財產安全的情況。功能單一的定點式監控不能實現即時的安保工作。

圖7 樹莓派顯示頁面

本設計成功實現機器人的遠程控制，圖像傳輸，煙霧值傳輸，火焰報警等功能。通過電腦上位機遙控機器人運動，實時顯示煙霧變化情況，定位機器人，同時可對返回的圖像進行人臉檢測，信息存入百度智能云端，監控公共場所人員流動情況，有靈活性強，應用效用高，節省公共資源與當今信息化緊密結合等優點，對城市的公共安全監控具有重要意義。

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（本文來源于《電子產品世界》雜志2022年12月期）