CN105306907A - 防止小孩爬窗的智能控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种防止小孩爬窗的智能控制系统，其包括控制模块等，所述人体传感器、电磁控制模块、舵机模块都与控制模块连接，其中控制模块对人体传感器是闭环控制，对电磁模块和云台是开环控制；摄像模块与计算机模块相连接，其中计算机模块包含Opencv图像处理模块，然后控制模块与计算机模块之间通过串口通讯模块相连，最后电源模块与计算机模块相连，电源模块为计算机模块与整个智能控制系统提供电源。本发明可以保障小孩在家时不会因为攀爬窗户而发生类似坠楼的事件。

Description

防止小孩爬窗的智能控制系统

技术领域

本发明涉及一种防止小孩爬窗的智能控制系统，具体来说就是针对小孩出现类似爬窗倾向行为时做出相应举措的智能控制系统。

背景技术

随着时代的发展与人口的不断增加，大城市的人口密度不断增大，越来越多的高层居民楼如雨后春笋般涌现。这在一方面体现了城市的高速发展，但相应的也带来了一系列的问题，其中比较令人紧张的无疑就是安全问题。我们经常能够在生活中，新闻报纸上听到看到因为大人不在家而小孩擅自爬窗户导致意外跌落的事件。不管结局如何，这样事件的发生对于这个家庭来说必然会造成比较大的打击，而我们采取的措施往往是在窗户外装上栅栏，这显然影响了居住的便利性，舒畅性，也容易在另外一些灾难，例如像火灾的发生而导致营救的不方便、逃生的困难。

所以设计一种行而有效的智能控制系统是减少此类事件产生，减轻父母带孩子压力的有效方式。

发明内容

本发明索要解决的技术问题是提供一种防止小孩爬窗的智能控制系统，其针对小孩一个人在家有爬窗户倾向时提供锁死窗户的举措所设计的一套控制系统，能够通过人体传感器以及摄像采集到的信息通过Opencv的处理准确快速地对小孩的行为做出反应，即通过信号的输出控制电磁控制模块将窗户锁住，在确认孩子没有危险时再解锁，并且可以调整监控的强度。这将有效地解决了大人有事出门将小孩关在家中，但小孩又不懂事乱攀爬窗户造成坠楼事故的可能，并且提供了多种控制的强度，以应对不时之需。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种防止小孩爬窗的智能控制系统，其特征在于，其包括控制模块、计算机模块、人体传感器、电磁控制模块、摄像模块、舵机模块、串口通讯模块、电源模块，所述人体传感器、电磁控制模块、舵机模块都与控制模块连接，其中控制模块对人体传感器是闭环控制，对电磁控制模块和云台是开环控制；摄像模块与计算机模块相连接，其中计算机模块包含Opencv图像处理模块，然后控制模块与计算机模块之间通过串口通讯模块相连，最后电源模块与计算机模块相连，电源模块为计算机模块与整个智能控制系统提供电源；当系统工作时，人体传感器将检测到的人体信号转化为电平信号传输到控制模块，计算机由摄像模块传输进来的数据基于计算机模块进行处理，并由判断出来的结果对控制模块发送信号，控制模块再对电磁控制模块进行发送控制，将窗户锁上。

优选地，所述控制模块是一块基于开放原始代码的Simple i/o平台，采用Atmel Atmega328微处理控制器，同时具有十四路数字输入/输出口、六路模拟输入、一个16MHz晶体振荡器、一个USB接口、一个电源插座、一个ICSP头和一个复位按钮。

优选地，所述计算机模块由Intel芯片建立，并由Willow Garage公司提供支持；Opencv图像处理模块是一个基于发行的跨平台计算机视觉库。

优选地，所述人体传感器独立工作，模块输出电平信号；人体传感器是基于红外线技术的自动控制产品，当被测物体进入感应模块的有效检测范围时，人体传感器经判断有效后输出高电平信号。

优选地，所述舵机模块采用两个9g舵机以获得绕y轴方向的摆动以及绕z轴方向的摆动。

优选地，所述电磁控制模块其实是一个类似于直动式电磁阀的零件，当无信号到来时，处于低电位，此时弹簧在尾端将关闭件提起，此时门没有被锁住是可以随意开关的，当检测到儿童可能出现情况时，控制模块将发出信号，电磁阀处于高电位，电磁线圈产生的电磁力使关闭器克服弹簧的阻力，最终的结果就是窗户将被关闭器卡住，窗户被锁死，直到控制模块再发出信号，窗户才会解锁。

优选地，所述摄像模块与舵机模块固定在一起，随着舵机模块的摆动以及俯仰进行摆动以及俯仰。

优选地，所述串口通讯模块采用USB接口。

优选地，所述Opencv图像处理模块主要用来对采集的图像进行处理，识别出图像中的具体内容。

与现有技术相比，本发明具有如下突出的实质性特点和显著优点：本发明提供的防止小孩爬窗的智能控制系统能够在家中仅有小孩的时候开启，开启后能够实时地对周围的环境进行监控，通过安装在舵机上的摄像模块，能够进行较大范围内的图像采集，然后通过图像处理模块对包括人脸，肢体的检测，确定小孩的位置是否在危险区域内，当然为了确定性，我们一般先对人体传感器的数据进行分析，若为真，我们才能在通过Opencv的信息提取后对是否要锁上窗进行决断。若Opencv得出的结论与人体传感器的结论一致，则计算机通过COM口将要求电磁控制模块开启的信号传递给Arduino,随后Arduino再将信号发送到电磁控制模块进行实际的上锁。如此一来，基本可以保障小孩在家时不会因为攀爬窗户而发生类似坠楼的事件。

附图说明

图1为本发明防止小孩爬窗的智能控制系统总体结构框图。

图2为控制模块接口图。

图3为人体传感器（PIR Sensor）与控制模块连线图。

图4为单个舵机与控制模块连线图。

图5为舵机信号控制图。

图6为舵机模块整体组装图。

图7为电磁控制模块基本原理图。

图8为控制系统流程图。

具体实施方式

本发明的优选实施结合附图说明如下：

如图1所示，一种防止小孩爬窗的智能控制系统包括控制模块1、计算机模块7、人体传感器4、电磁控制模块3、摄像模块5、舵机模块2、串口通讯模块6、电源模块8，所述人体传感器4、电磁控制模块3、舵机模块2都与控制模块1连接，其中控制模块1对人体传感器是闭环控制，对电磁控制模块和云台是开环控制；摄像模块5与计算机模块7相连接，其中计算机模块包含Opencv图像处理模块，然后控制模块1与计算机模块7之间通过串口通讯模块6相连，最后电源模块8与计算机模块7相连，电源模块8为计算机模块与整个智能控制系统提供电源；当系统工作时，人体传感器4将检测到的人体信号转化为电平信号传输到控制模块1，计算机由摄像模块5传输进来的数据基于计算机模块7进行处理，并由判断出来的结果对控制模块1发送信号，控制模块1 再对电磁控制模块3进行发送控制，将窗户锁上，这其中是不断循环的过程。控制模块为Arduino UNO R3控制模块。

如图2至图7所示，所述控制模块1是一块基于开放原始代码的Simple i/o平台，采用Atmel Atmega328微处理控制器，同时具有十四路数字输入/输出口（其中六路可作为PWM输出）、六路模拟输入、一个16MHz晶体振荡器、一个USB接口、一个电源插座、一个ICSP头（header）和一个复位按钮。Atmel Atmega328微处理控制器是基于RISC的高性能设备，结合了32KB ISP闪存、同时读写功能、1KB EEPROM、2KB SRAM、23条通用型I/O 线、32个通用型工作寄存器和串行可编程USART等。Atmel ATmega328 MCU在一个单时钟周期内可完成强大的指令，使设备获得接近1 MIPS/MHz的通量，同时可平衡功耗和处理速度。特点在于其高性能、低功率AVR®8位微控制器以及先进的RISC架构包含131个强大的指令在20MHz时具有高达20 MIPS的通量，引脚数有28/32，I/O引脚最大值为23，SPI为2，UART为1，并且模数转换器有8 个通道以及10位分辨率，模拟比较器1个，32KB的闪存，1KB的EEPROM还有2KB的SRAM，工作温度范围较广为-40 - +85 °C也是其不错的特性。Atmel Atmega328在住宅和建筑自动化，舒适和控制，工业自动化还有传感器方面有广泛的应用。

所述计算机模块由Intel芯片建立，并由Willow Garage公司提供支持；Opencv图像处理模块是一个基于（开源）发行的跨平台计算机视觉库，可以运行在Linux、Windows和Mac OS操作系统上。它轻量级而且高效——由一系列 C 函数和少量 C++ 类构成，同时提供了Python、Ruby、MATLAB等语言的接口，实现了图像处理和计算机视觉方面的很多通用算法。主要应用在人机互动、物体识别、图像分割、人脸识别、动作识别、运动跟踪、机器人、运动分析、机器视觉、结构分析、汽车安全驾驶等。Opencv图像处理模块主要用来对采集的图像进行处理，识别出图像中的具体内容。

所述人体传感器是集成度比较高的模块，很多情况不需要单片机都可以独立工作，把这个信号引入单片机是为了以后可以综合控制多种传感器和设备，模块输出电平信号；人体传感器是基于红外线技术的自动控制产品，灵敏度高，可靠性强，宽电压工作模式，专用集成电路设计而成，当被测物体进入感应模块的有效检测范围时，人体传感器经判断有效后输出高电平信号。人体传感器的电气参数如下：工作电压范围直流电压4.5-15V；静态电流50uA；触发方式L 不可重复触发/H 重复触发；感应角度110°；工作时间5-200 秒可调等。本红外人体传感器有三个接口，分别是VDD接口、SIG接口、GND接口。VDD接Arduino 上的5V电压输出口，SIG接MISO/D12接口作为信号传输端，GND为接地。

所述舵机模块采用两个9g舵机以获得绕y轴方向的摆动以及绕z轴方向的摆动。舵机的控制信号实际上是PWN信号，周期不变，高电平的时间决定舵机的实际位置，所以我们将两个舵机的控制信号接到为PWN口的D6以及D9。两个舵机为了能实现左右摆动以及上下，所以我们设计将这两个舵机组合装配，将一个舵机与另一个舵机正交，以其一驱动其二。

所述电磁控制模块其实是一个类似于直动式电磁阀的零件，当无信号到来时，处于低电位，此时弹簧31在尾端将关闭件提起，此时门没有被锁住是可以随意开关的，当检测到儿童可能出现情况时，控制模块将发出信号，电磁阀处于高电位，电磁线圈32产生的电磁力使关闭器克服弹簧的阻力，最终的结果就是窗户将被关闭器33卡住，窗户被锁死，直到控制模块再发出信号，窗户才会解锁。

所述摄像模块21与舵机模块22固定在一起，随着舵机模块的摆动以及俯仰进行摆动以及俯仰。在参数方面，因为要通过Opencv截获帧，并对截取的帧进行图像处理，所以过高的帧数其实是没有实际意义的。在分辨率方面也是同样的道理，我们完全没有必要保留完全的细节信息，但是也不能太低，至少要保证人的脸部特征能够清晰地体现出来，鉴于现在的计算机处理能力以及Opencv分类器的处理速度，本发明推荐的动态分辨率为1280x720，最大帧不超过30帧每秒。在于Opencv模块也就是计算机连接的方式上面，至少能保证有USB的接口，当然为了保证便利性，无线连接的摄像模块也是可以的，但是缺点是要另外提供电源。摄像模块可以采用摄像头。

所述电源模块因为是非移动性的，并且承载耗电量最大的Opencv图像处理模块的计算机本身电源是有同一标准的，此处就不再过多阐述，值得一提的是Arduino和计算机的连接是通过USB接口实现的，所以顺带着就为其他一系列元器件提供了电源。

串口通讯模块采用USB接口。所述串口通讯模块是比较重要的一块内容，串口出现的初期串行接口连接器是为了实现连接计算机外设的目的，初期串口一般用来连接鼠标和外置Modem以及老式摄像模块和写字板等设备。串口通讯模块也可以应用于两台计算机（或设备）之间的互联及数据传输。由于串口（COM）不支持热插拔及传输速率较低，目前部分新主板和大部分便携电脑已开始取消该接口，但因为和Arduino之间的较为方便的连接只有这种方式，所以此处已然用它来传输数据，好在本发明只是接受发送简单的信号，所以串口完全能够胜任，并且串口目前仍多用于工控和测量设备以及部分通信设备中。在本发明中，为了能够更好地让计算机与Arduino之间进行通讯，本发明设计了方便的人机交互界面，可以任意选择COM口、波特率等。

参见图8，本防止小孩爬窗的智能控制系统的运行流程如下，首先启动程序，在人机交互界面选取好COM口，因为开始时不知道有哪些COM口被使用了，所以在界面上有个扫描的选项可以点下再进行选择。之后设定传输的波特率，Arduino UNO的常用波特率为9600，这里可以更改，但对应的Arduino上也必须进行更改，且不宜改得过高，否则容易造成数据的丢失。之后，选择监控的强度，本发明如果选择了强，那么会开启摄像模块，接着开启人体传感器，摄像模块将数据直接传输给计算机，而人体传感器通过Arduino间接将检测的信息反馈给计算机，于是基于Opencv的程序对数据进行分析，通过人脸、肢体的检测，若发现结果为真就继续判断小孩是否有被人体传感器检测到，若结果为假，则判断电磁控制模块是否已经开启，若是则将电磁控制模块关闭，然后将处理信息反馈到计算机，否则直接反馈至计算机，继续主循环。在判断小孩是否被人体传感器检测到这一步若为假，则回到判断电磁控制模块的流程，接下去与之前类似。若小孩被传感器检测到这件事也为真，则计算机发出指令让电磁阀启动，窗户被锁上。若检测下基本类似，只是少了人体传感器这一步。在锁上窗户后，程序不会结束，只是完成了一次判断循环，程序会继续采集数据，分析数据，进行控制，直到家长回家来将程序退出为止。

Claims (9)

1.一种防止小孩爬窗的智能控制系统，其特征在于，其包括控制模块、计算机模块、人体传感器、电磁控制模块、摄像模块、舵机模块、串口通讯模块、电源模块，所述人体传感器、电磁控制模块、舵机模块都与控制模块连接，其中控制模块对人体传感器是闭环控制，对电磁模块和云台是开环控制；摄像模块与计算机模块相连接，其中计算机模块包含Opencv图像处理模块，然后控制模块与计算机模块之间通过串口通讯模块相连，最后电源模块与计算机模块相连，电源模块为计算机模块与整个智能控制系统提供电源；当系统工作时，人体传感器将检测到的人体信号转化为电平信号传输到控制模块，计算机由摄像模块传输进来的数据基于计算机模块进行处理，并由判断出来的结果对控制模块发送信号，控制模块再对电磁控制模块进行发送控制，将窗户锁上。

2.根据权利要求1所述的防止小孩爬窗的智能控制系统，其特征在于，所述控制模块是一块基于开放原始代码的Simple i/o平台，采用Atmel Atmega328微处理控制器，同时具有十四路数字输入/输出口、六路模拟输入、一个16MHz晶体振荡器、一个USB接口、一个电源插座、一个ICSP头和一个复位按钮。

3.根据权利要求1所述的防止小孩爬窗的智能控制系统，其特征在于，所述计算机模块由Intel芯片建立，并由Willow Garage公司提供支持；Opencv图像处理模块是一个基于发行的跨平台计算机视觉库。

4.根据权利要求1所述的防止小孩爬窗的智能控制系统，其特征在于，所述人体传感器独立工作，模块输出电平信号；人体传感器是基于红外线技术的自动控制产品，当被测物体进入感应模块的有效检测范围时，人体传感器经判断有效后输出高电平信号。

5.根据权利要求1所述的防止小孩爬窗的智能控制系统，其特征在于，所述舵机模块采用两个9g舵机以获得绕y轴方向的摆动以及绕z轴方向的摆动。

6.根据权利要求1所述的防止小孩爬窗的智能控制系统，其特征在于，所述电磁控制模块其实是一个类似于直动式电磁阀的零件，当无信号到来时，处于低电位，此时弹簧在尾端将关闭件提起，此时门没有被锁住是可以随意开关的，当检测到儿童可能出现情况时，控制模块将发出信号，电磁阀处于高电位，电磁线圈产生的电磁力使关闭器克服弹簧的阻力，最终的结果就是窗户将被关闭器卡住，窗户被锁死，直到控制模块再发出信号，窗户才会解锁。

7.根据权利要求1所述的防止小孩爬窗的智能控制系统，其特征在于，所述摄像模块与舵机模块固定在一起，随着舵机模块的摆动以及俯仰进行摆动以及俯仰。

8.根据权利要求1所述的防止小孩爬窗的智能控制系统，其特征在于，所述串口通讯模块采用USB接口。

9.根据权利要求1所述的防止小孩爬窗的智能控制系统，其特征在于，所述Opencv图像处理模块主要用来对采集的图像进行处理，识别出图像中的具体内容。