CN105234952B - 一种基于stm32的家用监控机器人控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于STM32的家用监控机器人的控制系统，由上位机、STM32控制器、传感器模块、无线通信模块、电机控制模块、电源模块组成。上位机用于下发运动指令并接收和显示机器人的状态信息；STM32控制器用于接收上位机下发的运动与通信指令，并根据指令实现通讯接口、脉冲输出、I/O状态管理、信息采集与处理；传感器模块用于实时监控房间内的温湿度、瓦斯浓度、烟雾浓度，同时光电传感器、超声波传感器用作于机器人避障；无线通信模块用于STM32控制器与上位机的通信；电机控制模块用于控制机器人驱动电机与摄像头云台舵机的运动控制；电源模块用于为各模块提供电源。

Description

一种基于STM32的家用监控机器人控制系统

技术领域

本发明涉及机器人领域，尤其涉及一种家用监控机器人的控制系统。

背景技术

信息化高速发展的今天,工作节奏越来越快,人们需要从繁杂的家庭劳动中解脱出来,同时,人口老龄化越来越严重,更多的老人需要照顾，老龄化家庭结构必然使更多的年轻家庭压力增大，而且生活节奏的加快和工作的压力，也使得年轻人没有更多时间陪伴自己的孩子，随之酝酿而生的将是广大的家庭服务机器人市场。

监控机器人作为服务机器人的一种广泛应用与室内、外环境下的陪护、看守、安保、巡逻以及后勤服务等，适用于家庭、机场、核电站、监狱以及边界巡逻等场所。当前，家用监控机器人的控制系统通常都是基于单片机等低端微处理器，其处理能力有限、集成度较低，同时，随着监控机器人的功能越来越多，增加了其控制系统外围功能接口的数量，现有的控制系统已经不能满足家用监控机器人控制的需求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于STM32的家用监控机器人的控制系统，本系统充分利用了STM32处理速度快、接口丰富等特性，集成了无线通信模块与视频采集与传输模块，以及具有多种功能的传感器模块和电机控制模块，在提高控制系统集成度的同时，实现了机器人的快速准确控制。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种基于STM32的家用监控机器人的控制系统，其特征在于：所述控制系统包括上位机、STM32控制器、传感器模块、无线通信模块、电机控制模块、电源模块，所述上位机用于下发运动指令并接收和显示机器人的状态信息；所述STM32控制器用于接收上位机下发的运动与通信指令，并根据指令实现通讯接口、脉冲输出、I/O状态管理、信息采集与处理；所述传感器模块用于实时监控房间内的温湿度、瓦斯浓度、烟雾浓度，同时光电传感器、超声波传感器用作于机器人避障；所述无线通信模块用于STM32控制器与上位机的通信；所述电机控制模块用于控制机器人驱动电机与摄像头云台舵机的运动控制；所述电源模块用于为各模块提供电源。

优选的，所述上位机为普通的PC机，设置有基于Windows平台的机器人控制界面以及无线通信模块的驱动程序，用于实现机器人状态的初始化、实时显示监控画面，上位机发送指令，通过无线通信模块传送给STM32控制器；上位机程序中定时调用的读取数据函数，会通过驱动程序定时将无线通信模块中的数据读取上来，并在上位机程序中实时显示，实现数据的上传下传。

优选的，所述STM32控制器采用高性能CortexTM-M3内核的32位微处理器STM32F103ZET6，其广泛应用于工业控制、汽车电子、医疗器械等行业。STM32具有丰富的内部资源以及丰富的外部扩展功能，时钟频率能够达到72MHZ，因此具有较快速的处理速度，能够满足高速通信的要求，其功能是按控制系统程序赋予的功能，接收并存贮上位机发送的控制程序代码和数据，用扫描的方式接收传感器模块的状态和数据，并将其传送、组合、比较、变换，完成控制程序中规定的逻辑控制或运算任务。

优选的，所述传感器模块包括烟雾传感器、瓦斯传感器、光电传感器、超声波传感器、温湿度传感器，用于检测房间内的温湿度以及预防火灾及瓦斯泄露灾害，同时光电传感器、超声波传感器用作于机器人避障。

优选的，所述无线通信模块选用技术比较成熟的Marvell 88W8686芯片，即成品SDIO接口的88W8686模块，其接口简单，方便与STM32控制器连接，无线通信模块的主要作用是用来实现上位机与STM32控制器之间的数据传递。

优选的，所述电机控制模块采用L298N电机驱动芯片，其作用是控制机器人驱动电机的启动、停止与调速以及控制摄像头云台舵机的运转。

优选的，所述电源模块外接开关电源+24V电压，通过LM2576-12降为12V供直流电机使用，选用DC-DC隔离电源模块B1205S-2W将+12V降到+5V供传感器等使用，另外，利用LM2576-5得到标准的+5V为WIFI模块提供电源，再通过线性稳压器LM1117-3.3降压到3.3V为STM32F103VET6等芯片供电。

本发明的有益效果是：

1.本发明采用32位微处理器，其数据处理能力强，通信速度快；

2.本发明的控制系统采用模块化方法设计，充分利用了STM32片上丰富的外设资源，这样既能够保证每个模块的独立性，又能够实现各部分的互相联系；

3.本发明中的电源模块，硬件设计时充分考虑到隔离、降噪、稳压、保护，使得电源模块工作稳定，同时可以输出+12V、+5V、+3.3V等不同类型的直流电压；

4.本发明由于采用模块化的设计思想，使得各模块的接口变得十分简单，同时方便了软件编程以及机器人后期升级维修；

5.本发明设计的控制系统采用无线通信的方式实现主从控制，其覆盖范围广通信稳定，数据传输速度快。

附图说明

图1：控制系统框架图；

图2：电源模块电路示意图。

具体实施方式

以下结合附图进一步说明本发明的具体结构和工作方式。

参见附图1，本发明的基于STM32的家用监控机器人的控制系统，包括上位机、STM32控制器、传感器模块、无线通信模块(例如WIFI)、电机控制模块、电源模块、语音模块。

所述上位机可以是一台PC机，所述STM32控制器安装于所述家用监控机器人中，上位机和STM32控制器之间通过无线通信模块进行通信。所述上位机用于向STM32控制器下发运动指令，以及接收STM32控制器发来的机器人状态信息、传感器数据并显示。该运动指令包括一个控制程序以及相关数据，STM32控制器接收该控制程序并保存在主控芯片中，通过执行该程序，STM32控制器实现了对家用监控机器人的控制，包括通讯、脉冲输出、I/O状态管理、信息采集与处理等。

优选的，所述STM32控制器采用高性能CortexTM-M3内核的32位微处理器STM32F103ZET6，其广泛应用于工业控制、汽车电子、医疗器械等行业。STM32具有丰富的内部资源以及丰富的外部扩展功能，时钟频率能够达到72MHZ，因此具有较快速的处理速度，能够满足高速通信的要求，其功能是按控制系统程序赋予的功能，接收并存贮上位机发送的控制程序代码和数据，用扫描的方式接收传感器模块的状态和数据，并将其传送、组合、比较、变换，完成控制程序中规定的逻辑控制或运算任务。

所述无线通信模块优选采用技术比较成熟的Marvell 88W8686芯片，即成品SDIO接口的88W8686模块，其接口简单，方便与STM32控制器连接，无线通信模块的主要作用是用来实现上位机与STM32控制器之间的数据传递。

所述传感器模块也安装于所述家用监控机器人上，其包括了多种类型的传感器，例如烟雾传感器、超声波传感器、光电传感器、瓦斯传感器、温湿度传感器。烟雾传感器可以实时监控房间内烟雾浓度，温湿度传感器可以实时监控房间内的温度和湿度，瓦斯传感器可以实时监控房间内的瓦斯浓度；另外，超声波传感器和光电传感器用于侦测机器人附近的障碍物，从而用于实现机器人行走时的避障。

所述电机控制模块优选采用L298N电机驱动芯片，其作用是控制机器人驱动电机的启动、停止与调速以及控制摄像头云台舵机的运转，当电机控制模块接收到STM32控制器发出的控制信号后，根据该控制信号，控制驱动电机与摄像头云台做出相应动作，从而实现机器人的行走、转向等动作，以及改变摄像头方向。所述摄像头可以进行实时拍摄，拍摄图像通过无线通信模块上传到上位机，从而上位机可以实时显示监控画面。

所述STM32控制器采用“顺序扫描，不断循环”的工作方式，在时间上可以划分为不断循环的扫描周期，每个扫描周期分为三个顺序的阶段：输入采样、程序执行、输出刷新。在输入采样阶段，STM32控制器扫描传感器模块，采集传感器模块中各传感器的状态及数据，作为输入数据存入寄存器中；在程序执行阶段，STM32控制器扫描控制程序的每条指令，根据指令规定的内容，对寄存器中的相应输入数据进行逻辑运算，将运算结果存入其内部的输出寄存器中；在输出刷新阶段，STM32控制器根据输出寄存器的运算结果产生控制信号发送给电机控制模块和语音模块，还可以将运算结果和各个传感器的状态发送给上位机。当输入采样阶段完成时，STM32控制器关闭输入端口，进入程序执行阶段，此时即使输入端口有新状态，新状态也不能输入，只有进行下一次扫描周期时，新状态才被读入。

所述电源模块也安装于所述家用监控机器人上，用于给机器人身上的各模块供电。优选的，所述电源模块外接开关电源+24V电压，通过LM2576-12降为12V供直流电机使用，选用DC-DC隔离电源模块B1205S-2W将+12V降到+5V供传感器等使用，另外，利用LM2576-5得到标准的+5V为无线通信模块提供电源，再通过线性稳压器LM1117-3.3降压到3.3V为STM32F103VET6等芯片供电。

所述语音模块也安装于所述家用监控机器人上，STM32控制器可以控制该语音模块发出声音，例如报警语音。

在上位机发送给STM32控制器的相关数据中，还可以包括房屋的平面图，在该平面图中标记了一些需要重点监控的地点。以瓦斯监控为例，房屋平面图上标记了瓦斯总开关、燃气灶、燃气热水器等位置，因此，当STM32控制器通过瓦斯传感器发现空气中有微量瓦斯气体时，它可以控制所述家用监控机器人行走到上述位置，以检测这些位置的瓦斯浓度是否超过阈值，从而可以判定是瓦斯泄露，还是燃气燃烧时的正常现象。当瓦斯泄露时，STM32控制器控制语音模块发出报警，同时上位机也能获得当前瓦斯浓度等状态。

根据本发明的另一个实施例，所述控制系统中还包括一个互联模块，通过该互联模块，不同控制系统的STM32控制器之间可以进行无线通信，只要它们在互联模块的无线通信范围内，从而家用监控机器人可与一定范围内的其他家用监控机器人联系，其主要目的是为了协调工作或者发出警告。例如，当家庭中的卫生间天花板漏水时，通常不是自家的问题，而是楼上卫生间的问题，因此当上位机通过摄像头发送来的监控画面发现卫生间天花板漏水时，其可以向STM32控制器下发协调工作指令，根据该指令，STM32控制器通过互联模块将相关协调工作信息发送到一定范围内的其他家用监控机器人，包括楼上的家用监控机器人，从而楼上的家用监控机器人可以主动检查其卫生间。另外一个例子，同样以瓦斯监控为例，当一个家用监控机器人发现家庭中的瓦斯浓度超过阈值时，这实际上是一个危险状态，因为一旦瓦斯爆炸，不仅仅影响当前家庭，还将影响左邻右舍，因此该家用监控机器人的STM32控制器通过互联模块发送报警信息给一定范围内的其他家用监控机器人，接收到报警信息的其他家用监控机器人再将该报警信息发送给附近的家用监控机器人，这样一级一级传播出去，很快整座楼的家用监控机器人都能接收到报警信息，从而可以通过语音模块向各自家庭发出报警。报警信息可以包括发生瓦斯泄露的家庭的具体地址，这样大家就可以知道是哪里发生了瓦斯泄露。

以上所述的本发明实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于STM32的家用监控机器人控制系统，其特征在于，该控制系统包括上位机、STM32控制器、传感器模块、无线通信模块、电机控制模块、电源模块和语音模块，其中

所述上位机与STM32控制器之间通过无线通信模块进行通信，所述上位机用于向所述STM32控制器下发控制程序及相关数据，同时接收并显示所述STM32控制器上传的机器人状态信息和传感器数据；

所述传感器模块安装于家用监控机器人上，用于实时监控房间内的环境数据；

所述电机控制模块用于控制家用监控机器人的驱动电机，以及控制家用监控机器人身上的监控摄像头云台舵机，所述电机控制模块接收STM32控制器发出的控制信号，根据该控制信号，控制所述驱动电机与云台舵机，从而实现家用监控机器人的行走、转向动作，以及改变监控摄像头的方向；所述摄像头可进行实时拍摄，拍摄图像通过无线通信模块上传到上位机；

所述STM32控制器安装于家用监控机器人中，其通过执行所述控制程序，实现对家用监控机器人的控制，其工作方式为“顺序扫描、不断循环”，即：将工作时间划分为不断循环的扫描周期，每个扫描周期分为三个顺序的阶段：输入采样、程序执行、输出刷新；在输入采样阶段，STM32控制器扫描传感器模块，采集传感器模块中各传感器的状态及数据，作为输入数据存入寄存器中；在程序执行阶段，STM32控制器扫描控制程序的每条指令，根据指令规定的内容，对寄存器中的相应输入数据进行逻辑运算，将运算结果存入其内部的输出寄存器中；在输出刷新阶段，STM32控制器根据输出寄存器的运算结果产生控制信号发送给电机控制模块和语音模块，并将运算结果和各个传感器的状态发送给上位机；当输入采样阶段完成时，STM32控制器关闭输入端口，进入程序执行阶段，此时即使输入端口有新状态，新状态也不能输入，只有进行下一次扫描周期时，新状态才被读入；

所述电源模块安装于所述家用监控机器人上，用于给机器人身上的各模块供电；

所述语音模块安装于所述家用监控机器人上，接收所述STM32控制器的控制信号，以发出声音；

所述控制系统还包括互联模块，通过该互联模块，不同控制系统的STM32控制器之间可以进行无线通信；当发生非自家的异常状况时，所述STM32控制器通过互联模块发送协调工作指令，接收到协调工作指令的其他家用监控机器人的STM32控制器根据该指令内容进行检查；当所述STM32控制器发现危险状态时，其通过互联模块发送报警信息，接收到报警信息的其他家用监控机器人的STM32控制器向各自家庭发出报警，接收到报警信息的其他家用监控机器人再将该报警信息发送给附近的家用监控机器人。

2.如权利要求1所述的基于STM32的家用监控机器人控制系统，其特征在于，所述传感器模块包括烟雾传感器、超声波传感器、光电传感器、瓦斯传感器和温湿度传感器，其中超声波传感器和光电传感器用于侦测机器人附近的障碍物。

3.如权利要求1-2任意一项所述的基于STM32的家用监控机器人控制系统，其特征在于，所述上位机发送给STM32控制器的相关数据包括房屋平面图，在该平面图中标记了需要重点监控的地点，当所述STM32控制器发现异常状态时，其控制家用监控机器人前往相应的重点监控地点进行检查。

4.如权利要求1所述的基于STM32的家用监控机器人控制系统，其特征在于，所述报警信息中包括了发生危险状态的具体地址。