CN105844839A - 一种智能家庭防盗环境监控多功能小车及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能家庭防盗环境监控多功能小车及控制方法，该小车包括小车主体，小车主体的车头处安装有影像采集模块和循迹避障模块，影像采集模块用于获取室内影像并识别人体图像，循迹避障模块用于获取小车的巡逻线路并避开障碍物；车身处安装有空气质量检测仪，用于检测室内空气质量信息；小车主体上还设置有控制器，用于根据识别到的人体图像判断是否有人员入侵，并根据检测到的空气质量信息判断室内空气是否达标，若发生人员入侵或室内空气质量不达标的状况，则发出报警信号。本发明能够全面、灵活的监控整个室内的状况，避免了监控的死角；能够对空气质量、温湿度等多种监控指标进行实时监控，监控效果好，且智能化程度高。

Description

一种智能家庭防盗环境监控多功能小车及控制方法

技术领域

本发明涉及智能家庭防盗及环境监控领域，尤其涉及一种智能家庭防盗环境监控多功能小车及控制方法。

背景技术

随着科学技术的发展以及生活水平的提高，人们在保证家庭安全的前体下对生活质量及智能化家庭生活期待越来越高。而目前对于生活质量的方面仅在温湿度方面实时监控，不仅需要对每个房间进行布线工程量大、成本较高，而长期下来产生的电磁污染对人的身体健康也有一定影响。而且各个采集的数据间相对独立不能进行综合决策分析，智能化程度也相对较低。并且在目前空气污染日益严重的同时，传统的温湿度测量远远不能满足人们对空气质量关注的需求。传统的摄像头安装位置固定，存在监控死角导致高层住户的爬窗盗窃事件也频频发生。

因此解决空气质量监测的全面性、综合利用实时采集信息并实时决策以及传统家庭监控摄像头多且成本高等三个主要问题是有效推进智能生活的途径之一。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中家庭安防摄像头安装位置固定，且功能单一的缺陷，提供一种能够灵活移动，且监控功能丰富的智能家庭防盗环境监控多功能小车及控制方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明提供一种智能家庭防盗环境监控多功能小车，包括小车主体，小车主体的车头处安装有影像采集模块和循迹避障模块，影像采集模块用于获取室内影像并识别人体图像，循迹避障模块用于获取小车的巡逻线路并避开障碍物；车身处安装有空气质量检测仪，用于检测室内空气质量信息；

小车主体上还设置有控制器，用于根据识别到的人体图像判断是否有人员入侵，并根据检测到的空气质量信息判断室内空气是否达标，若发生人员入侵或室内空气质量不达标的状况，则发出报警信号。

进一步地，本发明的所述影像采集模块包括多个自由转动的摄像头和红外热像仪。

进一步地，本发明的所述循迹避障模块包括多个红外循迹对管和超声波传感器。

进一步地，本发明的所述控制器为安卓或IOS设备，通过无线通讯模块与用户终端连接，并接收报警设备的报警信号。

进一步地，本发明的所述小车主体的车轮通过微型直流电机进行驱动，并通过控制器调节小车的车速及转向。

进一步地，本发明的所述小车主体上还设置有用于移动障碍物的机械臂。

进一步地，本发明的所述小车主体上还设置有温湿度传感器。

进一步地，本发明的所述小车主体上还设置有电源模块，通过无线或有线的方式进行供电。

本发明提供一种智能家庭防盗环境监控多功能小车的控制方法，包括以下步骤：

S1、获取小车的工作模式；

S2、若为日用模式，实时获取巡逻路线上的室内影像，进行人脸图像识别；并实时获取室内空气质量信息，若发现人员入侵状况或空气质量不达标状况，则发出报警信号；

S3、若为夜间模式，实时获取巡逻路线上的室内红外影像，并进行人脸图像识别，若发现人员入侵状况，则发出报警信号。

进一步地，本发明的步骤S2中进行人脸图像识别的方法具体为：

S21、获取摄像头采集到的普通人脸图像特征和红外热像仪采集到的红外人脸图像特征，并设置同一时刻每张图像相应的权值；

S22、根据权值对普通人脸图像特征和红外人脸图像特征进行加权融合，得到特征值向量，并将该向量送入支持向量机进行训练和分类，得到识别出的人脸图像；

S23、将识别出的人脸图像与家庭成员的人脸图像进行比对，若不符合家庭成员的人脸图像，则判定为外来人员入侵状况，发出报警信号。

本发明产生的有益效果是：本发明的智能家庭防盗环境监控多功能小车，通过实时采集室内巡逻路线上的影像和空气质量信息，并识别人体图像，当发生人员入侵状况和空气质量不达标状况时，发出警报信息；相对于传统的固定安装摄像头，能够更加全面、灵活的监控整个室内的状况，避免了监控的死角；另外，还能够对空气质量、温湿度等多种监控指标进行实时监控，监控效果好，且智能化程度高；用户能够远程控制小车并收到警报信息，能够有效的保证住宅的安全性，降低盗窃事件的发生。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例的智能家庭防盗环境监控多功能小车的俯视结构示意图；

图2是本发明实施例的智能家庭防盗环境监控多功能小车的正视结构示意图；

图3是本发明实施例的智能家庭防盗环境监控多功能小车的侧视结构示意图；

图4是本发明实施例的智能家庭防盗环境监控多功能小车的控制系统组成框图；

图5是本发明实施例的智能家庭防盗环境监控多功能小车的控制方法的流程图；

图中，1-摄像头，2-红外热像仪，3-直流电机，4-红外循迹对管，5-空气质量检测仪，6-小车主体，7-机械臂，8-电源系统，9-无线通讯模块，10-报警设备，11-超声波传感器。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1、图2和图3所示，本发明实施例的智能家庭防盗环境监控多功能小车，包括小车主体6，小车主体6的车头处安装有影像采集模块和循迹避障模块，影像采集模块用于获取室内影像并识别人体图像，循迹避障模块用于获取小车的巡逻线路并避开障碍物；车身处安装有空气质量检测仪5，用于检测室内空气质量信息；影像采集模块包括多个自由转动的摄像头1和红外热像仪2。循迹避障模块包括多个红外循迹对管4和超声波传感器。

小车主体6上还设置有控制器，用于根据识别到的人体图像判断是否有人员入侵，并根据检测到的空气质量信息判断室内空气是否达标，若发生人员入侵或室内空气质量不达标的状况，则发出报警信号。

在本发明的另一个具体实施例中，本发明实施例的智能家庭小车采用通用智能小车车体，四轮配以直流电机，车头上搭载有2个自由度的摄像头1和红外热像仪2。车头下安装四个红外循迹对管4。车头安装超声波壁障模块。车体上搭载配有安卓或ios设备的控制软件的控制器。车体中部安装空气质量检测仪5。车体尾部为小车电源系统、语音播报装置及2个自由度机械臂。小车通过识别用户铺设好的路线进行行驶。其中：

小车车体：车体采用高强度合金材料的四驱车通用底盘。

直流电机：采用微型直流大扭力马达-775电机对小车车速及转向进行精确控制。控制器通过PWM波的控制能精确控制电机转速进而能控制小车行驶速度使小车稳定的前进和调头。

摄像头、红外摄像仪：小车有日夜2个模式。在日模式下摄像头开启，红外摄像仪关闭。小车运动时通过摄像头的上下左右摆动对家庭环境进行实时监控。夜模式下则开启红外摄像仪，关闭摄像头。此时小车重点对客厅阳台等部位的热源进行监测。高清摄像头有2个自由度能上下左右摇摆，能实时传输家庭画面至移动终端。也可通过车体原地的180°调转反向监控。红外热像仪能在夜间特定的门窗处准确捕捉人体图像，进而识别危险。

红外循迹：通过识别铺设轨道，确定小车行驶时不会偏离轨道。

安卓、ios控制软件：通过无线方式，例如wifi或蓝牙，使小车和移动终端相连接并进行远程通信，可远程操控小车。用户只需在移动终端下载特定APP即可。

空气质量检测仪：不仅对环境温湿度进行实时检测还对大气中的主要污染物PM2.5级PM10浓度进行时时测量。空气质量检测仪实时检测温湿度、检测空气质量并通过液晶屏显示出来。当温度高于75°或低于0°时发出警报，当家庭中的空气质量达到污染或烟气浓度过高时也发出警报。

小车车体采用合金材料，强度高，负重效果好。

电源系统：小车充电采用有线和无线两种方式，配以稳压电路和充放电保护电路。

语音模块：当检测到温度过高，夜间有危险及污染物浓度超标时发出警报，语音模块播放存储好的内容。报警设备中录有预先设置好的语音信息，当发生紧急情况时会发出特定语音来提示危险提示蜂鸣器鸣响。

机械臂：机械臂有2个自由度，可以对于一些轻微物品进行搬运。

小车车头安装有超声波壁障装置，当小车的轨道上有障碍物时，小车会停止前进，发出指定提示音。

小车的空气质量检测仪配有液晶显示屏，屏面朝上可清晰的展示出当前房间内的各种参数。亦可通过语音播报出当前的参数，提高生活品质。小车在车头安装有摄像头及无线通信模块，为了保持小车整体的稳定性及平衡。在车尾安装一定质量的机械臂不仅平衡了小车车体，也利用上了机械臂的夹取功能。摄像头和红外热像仪通过支架升高一定高度能拥有更好的空间进行摄像，加上摄像头和红外热像仪具有2个自由度及小车的正反转，几乎能保证摄像的全方位及立体性。用户要定期对小车进行保养，避免小车受潮，受重压。

在常见的2室1厅的家庭户型的巡逻的线路中，小车在夜用模式下会对这几个地点进行重点的热像图监控：卫生间门、厨房门、阳台玻璃窗和客厅窗户，家庭成员也可根据实际情况对某个地方进行监控。一旦发生危险情况小车将会及时发出警报。在家里无人的情况下小车可根据程序设定直接远程给移动终端发送信息告知情况。当然小车的夜间防盗功能不是全能的，为更有效的避免偷盗等事件的发生还需家庭成员提前防盗意思。夜间睡觉前按时检查门窗是否关闭。

如图4所示，在本发明实施例中，控制系统由以下部分组成：控制器、空气质量检测仪(带液晶显示屏)、运动执行、报警及运输、人机交互、通讯单元和电源系统。其中，电源系统是整个小车的动力保证采用有线无线两种充电方式。配以合理的稳压电路和充放电保护电路。控制器对监控采集的数据进行综合决策分析。空气质量检测仪则对温湿度及空气质量进行监控并通过液晶显示屏输出。当检测数据达到临界值如空气中PM2.5超过特定数值时，控制器分析决策给报警系统发出指示。蜂鸣器鸣响，语音提示“空气污染”建议用户打开空气净化器来改善空气质量。运动执行，控制器通过改变PWM波来控制小车运行速度及调头转向。报警及运输，预先存储入语音的报警模块，在传感器检测到危险后，控制器发出相应信号，报警模块播报出相应危险提示音，同时蜂鸣器鸣响。人机交互，小车通过液晶显示屏、语音模块、蜂鸣器、摄像头和热像仪同用户进行信息交换。从而得知家庭的实时状态。小车尾部安装有机械手臂，可以夹取一些轻微物品。通讯单元，小车和移动终端通过wifi或蓝牙进行实时通讯。用户可以在远距离通过操作手机来实时控制小车进而观察家庭的实时状况。

本发明实施例的智能家庭防盗环境监控多功能小车的控制方法，用于实现本发明实施例的智能家庭防盗环境监控多功能小车，包括以下步骤：

S1、获取小车的工作模式；

S2、若为日用模式，实时获取巡逻路线上的室内影像，进行人脸图像识别；并实时获取室内空气质量信息，若发现人员入侵状况或空气质量不达标状况，则发出报警信号；

其中进行人脸图像识别的方法具体为：

S21、获取摄像头采集到的普通人脸图像特征和红外热像仪采集到的红外人脸图像特征，并设置同一时刻每张图像相应的权值；

S22、根据权值对普通人脸图像特征和红外人脸图像特征进行加权融合，得到特征值向量，并将该向量送入支持向量机进行训练和分类，得到识别出的人脸图像；

S23、将识别出的人脸图像与家庭成员的人脸图像进行比对，若不符合家庭成员的人脸图像，则判定为外来人员入侵状况，发出报警信号。

S3、若为夜间模式，实时获取巡逻路线上的室内红外影像，并进行人脸图像识别，若发现人员入侵状况，则发出报警信号。

如图5所示，为本发明实施例的工作流程图。首先通过对工作模式选择使小车工作在适合的状态之下。日用模式：开启摄像头，空气质量检测仪，开启红外热像仪。白天小车主要是对空气质量，温湿度以及室内实时画面进行监控。夜用模式：开启热像仪，关闭摄像头，空气质量检测仪。重点对特殊部位人体热像图进行监控。

在人脸识别的控制上与传统的方法不同。传统方法上摄像仪和红外热像仪都能对人脸图像进行识别。而单纯使用摄像头或红外热像仪进行人脸识别时，有其优点的同时也都会出现相应的缺陷和不足。单纯使用摄像头进行人脸识别时，输入的是整张人脸图像的像素特征，忽略了图像的局部特征，使之难以记录人脸的局部特征。加之人脸是非刚性特征，当人脸面部表情变化时，面部各个器官都会发生不同程度的形变。并且在自认条件下，通常取得的人脸图像受光照、背景等其他因素不同程度的影响，很难区分哪些面部器官在人脸识别过程中起的作用较大，哪些作用较小。但其优点是提取的人脸图像分辨率较高图像清晰。故单纯使用摄像仪提取人脸图像时，整体图像分辨率高，但局部特征不明显。单纯使用红外热像仪进行人脸识别时，受制于红外热像仪的发展，红外热像仪分辨率不高，导致提取的图像清晰度不高。但红外热像仪对温度敏感，能准确提取出人脸各个器官的特征。所得到的图像是非刚性的带有一定梯度的成像。本小车通过对摄像仪和红外热像仪的优缺点进行分析，将其二者想结合进行人脸识别，摄像仪和红外热像仪相互补充，通过各自优点补偿对方相应不足，从而完美融合。

具体步骤：

1、训练集I(S,Y)，S为样本i的特征向量，此特征向量我们选用的是方向梯度直方图(HOG)特征向量。由于HOG是在图像的局部方格单元上操作，所以它对图像几何的和光学的形变都能保持很好的不变性，这两种形变只会出现在更大的空间领域上。其次，在粗的空域抽样、精细的方向抽样以及较强的局部光学归一化等条件下，只要人体大体上能够保持直立的姿势，可以容许人体有一些细微的肢体动作，这些细微的动作可以被忽略而不影响检测效果。因此HOG特征是特别适合于做图像中的人体检测的。Y∈{±1}是样本对应的分类标签。通过摄像头提取人脸HOG特征向量ηi。在数学领域，权值指加权平均数中的每个数的频数，也称为权数或权重。通俗的的说，权值的大小代表其在整体的比重。整体的权值和应为1。训练集样本的权值分布初始化为Di＝(1/n,1/n,…1/n)。n为训练样本数目。

2、通过红外热像仪采集人脸图像后，将人脸分成4个敏感区域：前额、鼻子、脸颊、嘴巴。通过红外热像仪提取训练集I(S,Y)人脸HOG特征向量γi。训练集样本的权值分布初始化为Di＝(1/m,1/m,…1/m)。m为特征向量维数。

3、融合摄像头提取的HOG特征向量ηi和红外热像仪提取的HOG特征向量γi记为融合HOG向量θi。

4、根据光线，温度，面部表情变化等外部条件变化更新权值。样本权值与采集环境息息相关，光线不足，温度变化及人的细微表情变化。都会影响权值的分配。当光线暗淡时，摄像头采集到的人脸数据权值与相同条件下不受光线的红外热像仪所采集的人脸图像相比其权值应<50％。采用摄像头和红外热像仪想结合。能最大限度的消除特征提取的误差。保证特征提取的完整和准确性。从而确保在光线，温度及表情变化等多种情况下都能准确快速的识别人脸。

5、将融合后的HOG特征向量θi送入支持向量机对M+N维的向量中每一维向量进行分类判定进而确定标号进而识别人脸。

样本权值与采集环境息息相关，光线不足，温度变化及人的细微表情变化。都会影响权值的分配。采用摄像头和红外热像仪想结合。能最大限度的消除特征提取的误差。保证特征提取的完整和准确性。从而确保在光线，温度及表情变化等多种情况下都能准确快速的识别人脸。

在人脸识别的控制方法上使用摄像头及红外热像仪共同结合的方法，提高人脸识别率，能准确的识别出陌生人。通过人脸识别算法，首先识别家庭成员的人脸图像，并将其存储在内部的存储模块中。在巡逻过程中，通过摄像头和红外热像仪配合工作，对采集到的图像进行人脸识别，并将识别结果与家庭成员的人脸图像进行比对，若符合家庭成员的人脸图像特征信息，则判定为安全状况，不发出报警信息；若不符合家庭成员的人脸图像特征信息，则判定为外来人员入侵状况，发出报警信息。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种智能家庭防盗环境监控多功能小车，包括小车主体(6)，其特征在于，小车主体(6)的车头处安装有影像采集模块和循迹避障模块，影像采集模块用于获取室内影像并识别人体图像，循迹避障模块用于获取小车的巡逻线路并避开障碍物；车身处安装有空气质量检测仪(5)，用于检测室内空气质量信息；

小车主体(6)上还设置有控制器，用于根据识别到的人体图像判断是否有人员入侵，并根据检测到的空气质量信息判断室内空气是否达标，若发生人员入侵或室内空气质量不达标的状况，则发出报警信号。

2.根据权利要求1所述的智能家庭防盗环境监控多功能小车，其特征在于，所述影像采集模块包括多个自由转动的摄像头(1)和红外热像仪(2)。

3.根据权利要求1所述的智能家庭防盗环境监控多功能小车，其特征在于，所述循迹避障模块包括多个红外循迹对管(4)和超声波传感器(11)。

4.根据权利要求1所述的智能家庭防盗环境监控多功能小车，其特征在于，所述控制器为安卓或IOS设备，通过无线通讯模块(9)与用户终端连接，并接收报警设备(10)的报警信号。

5.根据权利要求1所述的智能家庭防盗环境监控多功能小车，其特征在于，所述小车主体(6)的车轮通过微型直流电机(3)进行驱动，并通过控制器调节小车的车速及转向。

6.根据权利要求1所述的智能家庭防盗环境监控多功能小车，其特征在于，所述小车主体(6)上还设置有用于移动障碍物的机械臂(7)。

7.根据权利要求1所述的智能家庭防盗环境监控多功能小车，其特征在于，所述小车主体(6)上还设置有温湿度传感器。

8.根据权利要求1所述的智能家庭防盗环境监控多功能小车，其特征在于，所述小车主体(6)上还设置有电源模块(8)，通过无线或有线的方式进行供电。

9.一种智能家庭防盗环境监控多功能小车的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、获取小车的工作模式；

S2、若为日用模式，实时获取巡逻路线上的室内影像，进行人脸图像识别；并实时获取室内空气质量信息，若发现人员入侵状况或空气质量不达标状况，则发出报警信号；

S3、若为夜间模式，实时获取巡逻路线上的室内红外影像，并进行人脸图像识别，若发现人员入侵状况，则发出报警信号。

10.根据权利要求9所述的智能家庭防盗环境监控多功能小车的控制方法，其特征在于，步骤S2中进行人脸图像识别的方法具体为：

S21、获取摄像头采集到的普通人脸图像特征和红外热像仪采集到的红外人脸图像特征，并设置同一时刻每张图像相应的权值；

S22、根据权值对普通人脸图像特征和红外人脸图像特征进行加权融合，得到特征值向量，并将该向量送入支持向量机进行训练和分类，得到识别出的人脸图像；

S23、将识别出的人脸图像与家庭成员的人脸图像进行比对，若不符合家庭成员的人脸图像，则判定为外来人员入侵状况，发出报警信号。