CN104793588A - 基于智能路由机器人的智能家居系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于智能路由机器人的智能家居系统，将机器人技术、智能路由技术引入到智能家居系统之中，利用智能机器人的自主移动、图像识别能力以及智能路由的远程通信、网络控制能力，提高智能家居系统在集中控制、交互智能性和控制成本叠加方面的能力。采用基于OpenWrt系统的智能路由器，并将路由器搭载在机器人上，机器人上面还部署有摄像头、语音识别模块、万能遥控器模块、智能安防模块等。通过手机客户端与路由器通信连接控制路由器向串口发送相应指令，连接路由器串口的Arduino平台接收指令并进行处理判断控制相应模块做出相应操作，实现对家用电器的控制，对家中环境参数的测量、远程遥控机器人移动、远程视频监控等功能。

Description

基于智能路由机器人的智能家居系统
技术领域
本发明涉及一种基于智能路由机器人的智能家居系统，属于智能家居技术领域。
背景技术
2014年1月，谷歌宣布以32亿美元的价格收购智能家居设备生产商Nest，这是谷歌史上仅次于收购摩托罗拉移动的收购案。Nest公司由iPod之父Tony Fadell创建，以生产节能恒温器以及烟雾探测警报器等家居设备著称。三年前，谷歌收购摩托罗拉移动的时候，智能手机市场蓄势待发；今日，当谷歌拿出32亿美元现金收购Nest，从某种程度上预示着智能家居市场将迎来新的里程碑。
而在国内，工信部发布物联网“十二五”发展规划时将智能家居列入9个重点示范应用工程。此外，工信部、发改委等15个部委在2013年9月初联合发布了《物联网发展专项行动计划》，“推动智能家居应用”被列为重点任务，将在在大中城市选择20个重点社区，开展超过1万个家庭的智能家居试点应用和推广。
由上述可见，智能家居处于国家重点发展项目工程，且国际发展势头迅猛。然而目前国内的智能家居系统却依然面临着以下几个发展瓶颈：（1）智能家居系统缺乏统一的行业标准。各个厂家生产的多种子系统之间相互独立、关联性较低，当用户选择同时安装多种子系统时，操作变得异常繁琐，经常会出现用户使用多个遥控器操作不同的子系统的情况。（2）智能家居系统交互手段匮乏。目前智能家居系统在手动控制方面基本上都采用的是遥控器+开关的控制方式，使得智能家居系统的易用性大打折扣。（3）智能家居系统建设成本叠加。目前为了实现每个房间都具备某系共用的功能，就需要在每个房间都安装同样的设备，造成建设成本叠加，限制了智能家居系统成本优化的能力。
而在另一方面，随着图像处理、语音处理、传感器技术、自动控制及计算机处理能力、无线网络技术的发展，智能机器人的研究已经达到了一个新的高度。此外，2013年随着极路由、小米路由、果壳路由，以及360wifi等产品陆续问世，成为智能路由器元年，目前智能路由器市场前景巨大。
现有智能家居系统中，存在以下不足：每套智能家居系统都需要配有专门的主控制器；家中的电器都需要进行wifi联网，故安装智能家居系统意味着需要跟换带有wifi功能的智能电器；每个监控地点都要安装摄像头，且摄像的位置固定，无法按需移动；系统的可玩性不高，过于死板。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于智能路由机器人的智能家居系统，以便解决以下几个问题：（1）智能家居系统缺乏统一的行业标准所造成的的操作复杂、成本偏高等问题；（2）智能家居系统交互手段匮乏；（3）智能家居系统建设成本叠加。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下。
一种基于智能路由机器人的智能家居系统，将机器人技术、智能路由技术引入到智能家居系统之中，利用智能机器人的自主移动、图像识别能力以及智能路由的远程通信、网络控制能力，提高智能家居系统在集中控制、交互智能性和控制成本叠加方面的能力。
本发明采用基于OpenWrt系统的智能路由器，并将路由器搭载在机器人上，机器人上面还部署有摄像头、语音识别模块、万能遥控器模块、智能安防模块等。通过手机客户端与路由器通信连接控制路由器向串口发送相应指令，连接路由器串口的Arduino平台接收指令并进行处理判断控制相应模块做出相应操作，从而实现对家用电器的控制，对家中环境参数的测量、远程遥控机器人移动、远程视频监控等功能。
上述系统中，智能路由模块是基于OpenWrt操作系统，是整个智能家居系统的控制中心。一方面，各类传感器检测到的数据、摄像头捕捉到的视频信息都要经过该模块处理，然后通过其网络传输功能将这些数据传输到用户的手机客户端上。另一方面，客户可以通过手机客户端远程访问此智能路由模块， 从而达到家电控制、机器人移动等功能。该模块搭载OpenWRT系统，OpenWRT是一个基于Linux内核的完全开源的路由系统.搭载OpenWRT的路由器即可视为一台运行Linux系统的小型计算机. 它是一个高度模块化、高度自动化的嵌入式Linux系统，拥有强大的网络组件，常常被用于工控设备、电话、小型机器人、智能家居、路由器以及VOIP设备中。在该系统上安装Webcam USB驱动、mjpg-streamer监控软件和我们编写的服务器程序，便可以将此路由器变为一个服务器。通过我们编写的安卓客户端软件进行登陆访问，便可以建立通信，我们在安卓客户端发送的指令便可以被智能路由接收，智能路由发出的指令也可以被远端的安卓客户端接收，从而达到远程数据交互的效果。
基于Arduino平台的智能家居机器人具有被动接受指令和主动发送数据功能，其中，当被动接收指令时，安卓客户端发送指令后，智能路将接收到的由远端安卓客户端发送的指令传递到串口，然后Arduino平台读取串口数据，根据指令内容完成相应的机器人移动、温湿度获取、万能遥控等功能，并将结果数据反馈到串口，使智能路由可以接收到相应数据并发送给安卓客户端。具体的指令包括以下几类：（1）万能遥控器指令，机器人上集成有万能遥控模块，可以远程发送相关指令，经由路由、串口、Arduino平台遥控家电。（2）机器人移动指令，机器人可以远程遥控行走，也可以开启自动巡航模式-按固定路线行走。通过发送相应指令，经由路由、串口、Arduino平台遥控机器人移动。（3）传感器数据获取指令，机器人上集成有温湿度、热敏、光敏等各类传感器，通过发送相应指令，经由路由、串口、Arduino平台获取相应传感器的实时数据。（4）视频监控指令，机器人上集成有摄像头模块，通过发送相应指令，启动路由器端的监控软件，并将视频流实时传输到手机端。（5）继电器开关控制指令，在家中需要远程控制插座开关的地方布置有带红外接收器的继电器模块。通过发送相应指令，经过路由、串口、Arduino平台，控制万能遥控模块发送相应指令控制继电器的开关，从而达到远程控制插座开关的效果。（6）语音识别指令，当人们在家时可开启该指令，这样便可以通过预先学习好的简单语音控制机器人完成相应工作，增加可玩性和便捷性。
当主动发送数据时，在监测到不正常状况时（如温湿度监测结果异常，视频监控到陌生人等），则及时将此信息发送到串口，使智能路由可以接收到相应数据并发送给安卓客户端。这样安卓客户端便可在第一时间了解到家中的异常状况，并及时做出反应。
该发明的有益效果在于：利用该系统，在主人离家后，智能机器人自动开启安防模式，各传感器开始检测；若检测到异常状况，立即通过互联网将预警消息发到指定手机客户端，并开启视频监控，主人接收到危险预警后，通过远程视频查看屋内状况，若无大事，则取消预警；若出事，则立即采取措施，必要时可以让机器人打开房门，让就近邻居帮忙救险。此外，机器人上的摄像头具有图像识别功能，当主人离家期间有陌生人闯入时，立即拍照并将信息发送给主人，让主人判断并及时采取下一步措施。当主人离家后，想查看家中宠物或者小孩的实时状态，则控制机器人移动到指定位置，通过摄像头查看实时动态。当主人在外看到一部比较好看的电影时，则可以远程控制机器人中的智能路由模块下载相应影片，回家即可立即观看。而主人准备回家前，则可以远程遥控机器人，通过其自带的万能遥控器打开空调等相应电器。主人在家时，则可以通过说话，让机器人智能语音识别并为主人完成家电的开关、指定网页的打开等事情，真正实现智能家居。
附图说明
图1 是本发明实施例中系统总体流程图。
图2 是本发明实施例中路由服务器端程序流程图。
图3是本发明实施例中智能家居机器人的结构图。
图4 是本发明实施例中运动控制流程图。
图5是本发明实施例中万能遥控的程序流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式进行描述，以便更好的理解本发明。
实施例
本实施例中的系统总体架构方案：本系统采用基于OpenWrt系统的智能路由器，并将路由器搭载在机器人上，机器人上面还部署有摄像头模块、语音识别模块、万能遥控器模块、智能安防模块等。通过手机客户端与路由器通信连接控制路由器向串口发送相应指令，连接路由器串口的Arduino控制平台接收指令并进行处理判断控制相应模块做出相应操作，从而实现对家用电器的控制，对家中环境参数的测量、远程遥控机器人移动、远程视频监控等功能。整体流程图如图1所示。
智能路由模块：该模块基于OpenWrt操作系统，是整个智能家居系统的控制中心。一方面，各类传感器检测到的数据、摄像头捕捉到的视频信息都要经过该模块处理，然后通过其网络传输功能将这些数据传输到用户的手机客户端上。另一方面，客户可以通过手机客户端远程访问此智能路由模块，从而达到家电控制、机器人移动等功能。该模块搭载OpenWRT系统，OpenWRT是一个基于Linux内核的完全开源的路由系统.搭载OpenWRT的路由器即可视为一台运行Linux系统的小型计算机.它是一个高度模块化、高度自动化的嵌入式Linux系统，拥有强大的网络组件，常常被用于工控设备、电话、小型机器人、智能家居、路由器以及VOIP设备中。在该系统上安装Webcam USB驱动、mjpg-streamer监控软件和我们编写的服务器程序，便可以将此路由器变为一个服务器。通过我们编写的安卓客户端软件进行登陆访问，便可以建立通信，我们在安卓客户端发送的指令便可以被智能路由接收，智能路由发出的指令也可以被远端的安卓客户端接收，从而达到远程数据交互的效果。
基于Arduino平台的智能家居机器人：该智能路由机器人既可以被动接收到远程手机客户端发送的指令并作出相应反馈，也可以在监听到异常状况时主动向指定的远程手机客户端发送相关信息。
（1）被动接收指令：安卓客户端发送指令后，智能路将接收到的由远端安卓客户端发送的指令传递到串口，然后Arduino平台读取串口数据，根据指令内容完成相应的机器人移动、温湿度获取、万能遥控等功能，并将结果数据反馈到串口，使智能路由可以接收到相应数据并发送给安卓客户端。
具体的指令包括以下几类：（1）万能遥控器指令，机器人上集成有万能遥控模块，可以远程发送相关指令，经由路由、串口、Arduino平台遥控家电。（2）机器人移动指令，机器人可以远程遥控行走，也可以开启自动巡航模式-按固定路线行走。通过发送相应指令，经由路由、串口、Arduino平台遥控机器人移动。（3）传感器数据获取指令，机器人上集成有温湿度、热敏、光敏等各类传感器，通过发送相应指令，经由路由、串口、Arduino平台获取相应传感器的实时数据。（4）视频监控指令，机器人上集成有摄像头模块，通过发送相应指令，启动路由器端的监控软件，并将视频流实时传输到手机端。（5）继电器开关控制指令，在家中需要远程控制插座开关的地方布置有带红外接收器的继电器模块。通过发送相应指令，经过路由、串口、Arduino平台，控制万能遥控模块发送相应指令控制继电器的开关，从而达到远程控制插座开关的效果。（6）语音识别指令，当人们在家时可开启该指令，这样便可以通过预先学习好的简单语音控制机器人完成相应工作，增加可玩性和便捷性。
（2）、主动发送数据：当监测到不正常状况时（如温湿度监测结果异常，视频监控到陌生人等），则及时将此信息发送到串口，使智能路由可以接收到相应数据并发送给安卓客户端。这样安卓客户端便可在第一时间了解到家中的异常状况，并及时作出反应。
基于OpenWrt的智能路由服务器：OpenWrt是适合于嵌入式设备的一个Linux发行版。相对原厂固件而言，OpenWrt不是一个单一静态的固件，而是一个提供了一个可自由添加软件包的文件管理系统。可拓展性很好，可以不受设备提供商的限制，让用户自由的选择安装应用程序，配置程序的运行环境。，它是一个从零开始编写的、功能齐全的、容易修改的路由器操作系统。
智能路由器硬件结构：智能路由器的硬件电路采用经典的路由器电路结构。使其带有一个可以连接3G上网卡的USB接口，一个可以连接有线网络的网口，支持自动WAN／LAN翻转，还有一个电源接口，工作电压为5V。具体参数为：CPU采用Atheros AR7240(400Mhz)，Chipset采用Atheros AR933 1(integrated wireless)，Flash Memory采用8MB，RAM采用32MB，USB采用USB2.0技术。LAN／WAN接口为了节约空间，使用沉板式的设计。Micro USB输入的5V降压成3.3V给主板供电，在USB母座背面有一个小电感和SOT-23.5封装的同步整流DC-DC，从而输出3．3V的电压。同时5V电源直通到USB母座，供3G网卡使用。
智能路由服务器端程序：Android客户端程序通过Socket连接与智能路由服务器端程序进行数据交换，从而达到远程通信的目的。服务器端程序在Linux下进行编写，可以完成客户端访问的验证、接收客户端发送的指令并转发给连接有Arduino控制平台的串口、接收Arduino控制平台发来的指令并转发给连接有Android客户端的端口，具体流程如图2所示。
 摄像头相关服务器端程序：网络摄像头WebCam(Web Camera)通常是指能够模拟捕获静止图像或直播视频(通常伴随着音频)的捕获设备。WebCam一般可分为4类：支持UVC、支持GSPCA、有外部专门支持的和不支持Linux系统的网络摄像头。其中，UVC是指USB video class(又名为USB video device class)，意思是不需要安装任何驱动程序就可以直接使用，俗称免驱摄像头，本系统即采用此类摄像头。
基于Arduino平台的智能家居机器人，本系统实现的功能包括两部分，第一，当安卓客户端发送指令后，智能路将接收到的由远端安卓客户端发送的指令传递到串口，然后Arduino平台读取串口数据，根据指令内容完成相应的机器人移动、温湿度获取、万能遥控等功能，并将结果数据反馈到串口，使智能路由可以接收到相应数据并发送给安卓客户端。第二，当监测到不正常状况时（如温湿度监测结果异常，视频监控到陌生人等），则及时将此信息发送到串口，使智能路由可以接收到相应数据并发送给安卓客户端。这样安卓客户端便可在第一时间了解到家中的异常状况，并及时作出反应。智能家居机器人的车体结构图如图3所示。
机器人运动模块：路由器通过串口发送指令给Arduino主机，主机需要判断该指令是什么类型的，然后做出相应判断。如果指令是前进，则主机通过13号口将继电器置为正，通过9号口控制直流电机的速度；如果指令是退，则主机通过13号口将继电器置为负，通过9号口控制指令电机的速度；如果指令是左转，主机通过I2C协议将指令发送至Arduino从机，从机再判断指令是否为左转，通过伺服电机驱动发送左转命令到伺服电机，控制小车左转；如果指令是右转，主机也是通过I2C协议将指令发送至Arduino从机，从机再判断指令是否为右转，通过伺服电机驱动发送右转命令到伺服电机，控制小车右转；如果指令是停止，则主机保持默认停止状态。控制流程图如图4所示。万能遥控器模块的软件程序流程图如图5所示。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于智能路由机器人的智能家居系统，其特征在于：采用基于OpenWrt系统的智能路由器，并将路由器搭载在机器人上，机器人上面还部署有摄像头、语音识别模块、万能遥控器模块、智能安防模块；通过手机客户端与路由器通信连接控制路由器向串口发送相应指令，连接路由器串口的Arduino平台接收指令并进行处理判断控制相应模块做出相应操作，实现对家用电器的控制，对家中环境参数的测量、远程遥控机器人移动、远程视频监控功能。
2.根据权利要求1所述的基于智能路由机器人的智能家居系统，其特征在于：所述智能路由模块是基于OpenWrt操作系统，各类传感器检测到的数据、摄像头捕捉到的视频信息都要经过该模块处理，然后通过其网络传输功能将这些数据传输到用户的手机客户端上；客户通过手机客户端远程访问此智能路由模块，从而达到家电控制、机器人移动功能。
3.根据权利要求1所述的基于智能路由机器人的智能家居系统，其特征在于：所述基于Arduino平台的智能家居机器人具有被动接受指令和主动发送数据功能，其中，当被动接收指令时，安卓客户端发送指令后，智能路将接收到的由远端安卓客户端发送的指令传递到串口，然后Arduino平台读取串口数据，根据指令内容完成相应的机器人移动、温湿度获取、万能遥控功能，并将结果数据反馈到串口，使智能路由接收到相应数据并发送给安卓客户端。
4.根据权利要求3所述的基于智能路由机器人的智能家居系统，其特征在于：所述指令包括以下几类：（1）万能遥控器指令，机器人上集成有万能遥控模块，远程发送相关指令，经由路由、串口、Arduino平台遥控家电；（2）机器人移动指令，机器人远程遥控行走，或开启自动巡航模式按固定路线行走；通过发送相应指令，经由路由、串口、Arduino平台遥控机器人移动；（3）传感器数据获取指令，机器人上集成有温湿度、热敏、光敏各类传感器，通过发送相应指令，经由路由、串口、Arduino平台获取相应传感器的实时数据；（4）视频监控指令，机器人上集成有摄像头模块，通过发送相应指令，启动路由器端的监控软件，并将视频流实时传输到手机端；（5）继电器开关控制指令，在家中需要远程控制插座开关的地方布置有带红外接收器的继电器模块，通过发送相应指令，经过路由、串口、Arduino平台，控制万能遥控模块发送相应指令控制继电器的开关，达到远程控制插座开关的效果；（6）语音识别指令，当人们在家时可开启该指令，通过预先学习好的简单语音控制机器人完成相应工作，增加可玩性和便捷性。
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