CN105902369A - 一种可实时跟踪的智能小车健康监护装置 - Google Patents

Abstract

一种可实时跟踪的智能小车健康监护装置，以智能小车为搭载平台，包括主控制器模块、红外监测模块、CMOS图像采集模块、GPS定位导航模块、GSM/GPRS信息传输模块、电机驱动模块、终端电源模块，主控制器模块分别与其它各模块连接；红外监测模块用于监测障碍物，并将信息传输给主控制器模块作处理，CMOS图像采集模块用于图像采集，GPS定位导航模块用于对老人和盲人的定位以及导航，GSM/GPRS信息传输模块用于实现图像传输和短信息发送，电机驱动模块用于控制小车的运动，终端电源模块用于提供该装置所需的电源。本装置使用时，老人和盲人可利用其在走路过程中进行导航及规避障碍物，监护人可在老人和盲人发生状况时及时获取到老人和盲人的位置信息及实时画面。

Description

一种可实时跟踪的智能小车健康监护装置

技术领域

本发明涉及红外探测避障及GPS定位导航领域，尤其涉及一种针对老人和盲人的可实时跟踪的智能小车健康监护装置。

背景技术

生活中，老人和盲人的身边不可能时时有监护人陪伴，很多老人和盲人平时都是独自呆在家里或独自外出，然而他们突然出现摔倒、发病或其他危险等异常情况的可能性很高，因此对于老人和盲人的监护人来说，能及时了解老人和盲人的当前状况并在老人和盲人出现异常的时候能及时获知其位置信息和周围情况将很有必要。现有的一种监护系统，因只能通过分析红外图像来识别独居老人的动作分析独居老人是否发生异常，误判可能性高，且只能在特定的环境中对独居老人进行监护；还有一种盲人导航系统，利用GPS装置和语音发声器可以提示盲人位置的改变，但当道路上有障碍物时无法主动引导盲人避开障碍物，且发生意外时其监护人无法第一时间发现；另外还有一种针对老人/儿童监护用无线智能通信终端，能够在发生意外时与监护人通信并GPS定位，但当老人发生意外后无法操作该终端时不能自动识别老人的异常并通知监护人，且不具备外出导航功能。为了解决这些问题，更大程度上方便于老人和盲人的出行及生活，人们需要研发不依赖于环境的针对老人和盲人的监护与导航的智能装置，并且进一步扩展其功能，更好的为老人和盲人服务。

发明内容

本发明的目的是提供一种可实时跟踪的智能小车健康监护装置，主要用于老人和盲人的外出指引以及异常监护，以免老人和盲人外出时发生意外情况。

本发明的技术方案是以下述方式实现的。

一种可实时跟踪的智能小车健康监护装置，以智能小车为搭载平台，包括主控制器模块、红外监测模块、CMOS图像采集模块、GPS定位导航模块、GSM/GPRS信息传输模块、电机驱动模块、终端电源模块；其中，主控制器模块分别与红外监测模块、图像采集模块、GPS定位导航模块、GSM/GPRS信息传输模块、电机驱动模块和终端电源模块相连；红外监测模块能够以非接触形式检测出前方一定范围内的人体或物体，用于监测障碍物；CMOS图像采集模块用于图像采集；GPS定位导航模块用于对老人和盲人的定位以及导航；GSM/GPRS信息传输模块用于实现图像传输和短信息发送；电机驱动模块用于控制小车的运动；终端电源模块用于提供该装置所需的电源。

所述的主控制器模块，优先选用S3C2410微处理器。

所述的红外监测模块，优先选用TX-05D红外反射开关。

所述的CMOS图像采集模块，优先选用ZC301p芯片。

所述的GPS定位导航模块，优先选用带有A-GPS功能的GPS。

所述的GSM/GPRS信息传输模块，优先选用WAVECOM Q2403A。

所述的电机驱动模块，优先选用L298电机。

所述的终端电源模块，由变压器、稳压限流电路、接口和电池四部分组成，为该装置供电或充电。

所述的装置具有USB充电接口，方便装置供电。

所述的主控制器模块，主要由S3C2410微处理器及其相关外部电路构成，其工作流程如下。

主控制器模块体积小、接口丰富、成本低；其工作电压由终端电源模块提供；其串口1与GPS模块相连实现装置的实时定位；其串口2与GSM／GPRS模块WAVECOM Q2403A相连实现图像传输、位置信息传输和短信息发送；其GPIO口中的GPG6口以输入模式与红外监测模块的数据线相连接，当红外监测模块探测到入侵障碍物时，数据线将向GPG6口输入高电平信号，从而被处理器识别并做出相关处理；其USB HOST口与图像采集设备的基于ZC301p芯片的USB接口的CMOS图像传感器相连接实现图像的采集。

所述的红外监测模块，主要由TX-05D型反射开关及其外部电路构成，其工作流程如下。

红外监测模块，其体积小，工作稳定可靠，性能优良；其内部包含红外线反射与接收电路、信号放大与处理电路、限流保护电路，能够以非接触形式检测出前方一定范围内的人体或物体，并转换成高低电平信号输出；其工作电压为5~12V，极限电压为15V，工作电流5~20mA，最大30mA，对应检测距离为0~120mm；其内部的限流保护电路为其输出提供保护，当外接负载超过额定值时限流保护电路自动启动保护措施，减小电流输出，以保护组件和外部负载的安全；当其接通电源后，立即从模块内部的红外线发射管向前方发射38kHz的调制红外线，一旦有物体或人体进入有效范围内时，红外线就会有一部分被反射回来，被光敏接收管收到并转换成同频率的电信号后，由模块内部电路进行放大，解调，整形，比较处理后，在输出端给出高电平信号；该模块的红外线发射能力与工作电压有关，工作电压越高，红外线发射功率越强，检测距离就越远，反之，电压越低，检测距离就相对较近；其使用的调制技术和带补偿的抗干扰器件，在一定程度上解决了抗干扰的问题。

所述的CMOS图像采集模块，主要由ZC301p芯片其及其外部电路构成，其工作流程如下。

CMOS图像采集模块使用的视频设备驱动为SPCA5XX，驱动程序按照标准的USB VIDEO设备的驱动框架编写，整个源程序由设备的初始化和卸载模块、上层软件接口模块、数据传输模块三个主体部分组成，能够通过ioct1截取JPEG流和配置图像采集设备的参数；该模块接通电源后将自动加载视频图像的驱动程序，通过摄像头获取此时老人和盲人周围的图像信息，并将这些图像信息设置为JPEG格式；主控模块通过USB HOST读取这些图像数据并压缩存储，通过串口2将这些数据由GSM/GPRS无线传输模块发送到指定的FTP服务器，当图像信息采集完毕，模块收到“终止”指令时，装置将关闭摄像头进入省电模式。

所述的GPS定位导航模块，主要由导航软件、GPS模块及其外部电路构成，其工作流程如下。

GPS定位导航模块，利用A-GPS技术将GSM/GPRS与传统GPS卫星定位相结合，其对卫星的依赖度低，在受遮盖的室内也能借基地台讯号弥补，获取卫星信号的延迟时间短；首先模块将本身的基站地址通过网络传输到A-GPS位置服务器，A-GPS位置服务器根据其大概位置将与其相关的GPS辅助信息传输到装置；然后GPS模块根据辅助信息接收GPS原始卫星信号，解调该信号，计算装置到卫星的伪距，并将有关信息通过网络传输到A-GPS位置服务器；接着A-GPS位置服务器根据传来的GPS卫星伪距信息和来自其他定位设备（如差分GPS基准站等）的辅助信息完成对GPS信息的处理，估算装置的位置；接着A-GPS位置服务器将装置的位置信息通过网络传输到GSM网络运营服务中心的局域网服务器上；最后局域网服务器将接收到的位置信息与电子地图进行匹配，使得监护人接收终端上定位软件的电子地图动态的显示老人和盲人的正确位置，并利用GSM网络给监护人的接收终端发送短信。

所述的GSM/GPRS信息传输模块，主要由电源电路、SIM 卡电路、监控电路及串行接口电路等构成，其工作流程如下。

GSM/GPRS信息传输模块与主控模块的串口2相连，实现定位信息及图像的传输；GSM的数据接口配置为8位数据位、1位停止位、无校验位与主控进行异步串行通信，GSM-At 指令的编码在主控制器模块中进行；GPRS使用socket编程技术实现GPRS网络中无线FTP传输图像；首先，建立用来发送FTP命令的socket客户端部分；然后，将服务端的IP地址、端口号和网络地址类型填充到该socket结构体中；接着，调用socket创建套接字，建立该套接字的连接，并发送登录特定FTP服务器的相关命令，设置文件的传输类型；建立用来发送数据文件的socket服务器端部分，绑定由GPRS系统的IP地址到该socket服务器上；当监听到与socket客户端连接上时，开始请求发送图像数据文件的命令；在监听到连接后，发送上传文件的请求；在收到连接成功的回应后，打开最新的图像数据文件，通过数据链路发送文件；图像文件传输完成后，关闭文件流，并关闭以上创建的socket连接，避免在下次传输时出现错误。

所述的电机驱动模块，主要由控制器、功率变换器及电机三个部分构成，其工作流程如下。

L298电机驱动模块，其转矩重量比高、调速范围宽、可靠性高，且转矩-转速特性可受电源功率的影响；其内部包含4通道逻辑驱动电路（即两个H桥的高电压大电流双全桥式驱动器），接收标准TTL逻辑电平信号，可驱动46V、2A以下的电机；其两路电源分别为6V逻辑电源和12V动力电源；其J4口接入逻辑电源，J6口接入动力电源，J1与J2口分别为主控模块控制两个电机的输入端，J3与J5口分别与两个电极的正负极相连，两个电机时刻都工作在使能状态，ENA与ENB口直接接入逻辑电源；其可分别采用PWM（Pulse width Modulation脉冲宽度调制）的线性放大驱动和开关驱动这两种方式来实现调速；其线性放大驱动方式是使半导体功率器件工作在线性区，利用半导体的线性放大特性来控制电动机的转速，原理简单，输出波动小，线性好，对邻近电路干扰小；其开关驱动方式是使半导体功率器件工作在开关状态，通过脉冲宽度调制来控制电动机的电压，从而实现电动机转速的控制，当开关管的驱动信号为高电平时，开关管导通，直流电动机电枢绕组两端有电压U，一段时间后驱动信号变为低电平，开关管截止，电动机电枢绕组两端电压为0，在过一段时间后驱动信号重新变为高电平，开关管的动作重复前面的过程，当电源电压不变时，可通过改变占空比的值来改变输出电压的平均值，从而达到控制电动机转速的目的，实现PWM调速。

本发明所述的装置使用时，老人和盲人可利用其在走路过程中进行导航及规避障碍物，监护人可在老人和盲人发生状况时及时获取到老人和盲人的位置信息及实时画面；当装置上电开始工作时，在GPS定位导航模块中输入目的地智能小车会自动规划出路线，并且指引老人和盲人前往；在行进过程中，红外检测模块向前方发射调制红外线，一旦有物体或人体进入有效范围内时，就会有一部分红外线被反射回来，这一部分反射回来的红外线会被光敏接收管收到并转换成同频率的电信号，由模块内部电路进行放大，解调，整形，比较处理后，再在输出端向主控制器模块发送高电平信号，主控制器模块通过控制电机驱动模块来控制小车指引老人和盲人避开障碍；当老人和盲人在行进过程中发生意外时，装置的CMOS图像采集模块将老人和盲人的图像信息进行采集，并通过GSM/GPRS信息传输模块及时将位置信息及图像信息传输给监护人；整个装置通过电源模块供电，电源模块由变压器、电池、稳压限流电路和接口四部分组成，可充电；并且，装置体积小，灵活便捷。

本发明具有以下技术效果：

1.整个装置采用红外探测避障与GPS定位导航相结合的方式为老人和盲人进行监护与导航，当老人和盲人在装置的指引下前进过程中，红外监测模块会自动探测并且避开到障碍物，使老人和盲人的出行方便而又安全。

2.利用GPS定位导航模块利用A-GPS技术将GSM/GPRS与传统GPS卫星定位相结合，为老人和盲人提供实时的定位信息并导航，在老人和盲人发生异常情况时可以让其监护人能在接收终端的上定位软件的电子地图中直观地获得该老人和盲人的位置信息。

3.利用CMOS图像采集模块和GSM/GPRS信息传输模块向监护人提供信息，当老人和盲人出现异常情况时，装置将CMOS图像采集模块采集到的现场的图像信息通过GSM/GPRS信息传输模块上传到服务器，监护人可以及时获取实时的画面信息，方便快捷。

4.利用L298电机驱动模块控制小车的前进、后退、转向、加速和减速，使智能小车装置与老人和盲人在行进过程中的距离不会太近也不会太远，保障老人和盲人的出行安全。

附图说明

图1是本发明所设计的可实时跟踪的智能小车健康监护装置的总体模拟图。

图2是本发明所设计的可实时跟踪的智能小车健康监护装置的总体结构图。

图3是本发明所设计的可实时跟踪的智能小车健康监护装置的总体工作流程图。

图4是本发明所设计的可实时跟踪的智能小车健康监护装置的红外避障的工作流程图。

图5是本发明所设计的可实时跟踪的智能小车健康监护装置的CMOS图像采集模块的工作流程图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明作进一步说明。

实施例1。

参照附图1。可实时跟踪的智能小车健康监护装置，主要用于老人和盲人的外出指引以及异常监护。其中，所述智能小车装置包括主控制器模块、红外监测模块、CMOS图像采集模块、GSM/GPRS信息传输模块、GPS定位导航模块、电机驱动模块、终端电源模块，所述红外监测模块用于监测障碍物，通过红外监测障碍物并将信息经GPIO口传输给主控制器模块中的S3C2410微处理器作处理，所述图像采集模块通过USB HOST口与主控模块相连用于图像采集，所述GPS定位导航模块通过串口1与主控模块相连，用于对老人和盲人的定位以及导航，所述GSM/GPRS信息传输模块通过串口2与主控模块相连，用于实现图像传输和短信息发送，所述电机驱动模块用于控制小车的运动，所述终端电源模块用于提供该装置所需的电源。

实施例2。

参照附图2。可实时跟踪的智能小车健康监护装置，装置工作时，整个系统由智能小车装置、GSM／GPRS及Internet无线网络、GPS卫星定位系统、FTP服务器及监护人的接收终端组成；FTP服务器通过数字数据网专线与Internet无线网络互联，具有固定的IP地址；GPS卫星定位系统通过运算智能小车装置与每个卫星的伪距离，采用距离交会法得出经度、纬度、高度和时间修正量这四个参数来确定智能小车装置的位置，并利用基地台代送辅助卫星信息实现与智能小车装置之间的通信；智能小车装置由主控制器模块、红外监测模块、CMOS图像采集模块、GSM/GPRS信息传输模块、GPS定位导航模块、电机驱动模块、终端电源模块组成，通过GSM/GPRS网络与监护人的接收终端进行通信，给监护人传递位置信息。

实施例3。

参照附图3。装置工作时，首先主控制器模块读取“开始”指令，装置自动上电，CMOS图像采集模块自动初始化图像采集，GPS定位导航模块自动搜索GPS信号并自动设置为连接工作模式，GPS连接成功则计算出发地与目的地之间的距离并规划出行路径，接着装置自动打开红外探测模块，并检测红外模块与主控之间的通信，通信成功则小车开始为老人和盲人导航，在导航过程中若主控读取到红外监测数据为高电平则表示导航过程中遇到障碍或者老人和盲人发生异常状况，此时电机停止工作，重新读取位置信息规划路径，并且调用图像采集模块采集图像信息，将图像压缩为JPEG格式保存，GPRS自动进行PPP拨号上网，把最新的图像信息传送到指定的FTP服务器，GMS自动将位置信息发送到监护人的接收终端，以便对老人和盲人的进行异常监护，若主控读取到红外监测数据为低电平则表示畅通无阻，装置则引导老人和盲人向前。当检测不到GPS信号或无法进行红外探测时，装置会自动显示错误信息，当到达目的地是装置会自动提醒使用者位置信息，并结束导航。

作为本发明的改进，装置增加了可充电USB口，使该装置不但可以使用电池供电，还可以充电，使装置在电池没电的情况下仍可以正常使用。

实施例4。

参照附图4。所述的装置工作时，在主控制器模块读取“开始”指令后，GPS卫星定位导航模块先自动读取装置的当前位置信息，然后主控制器模块为老人和盲人规划前进的路径，GPS卫星定位导航模块提醒老人和盲人导航开始，接着电机控制小车直行，若红外探测模块未检测到前方有障碍则引导老人和盲人直行直至到达目的地；当检测到前方有效距离内有障碍物时，红外模块会自动测量小车与障碍物之间的距离，电机自动减速，同时GPS卫星定位导航模块提醒老人和盲人前方障碍物的位置；为了避开障碍，电机先控制小车后退然后左转前行一段时间，若此时前方无障碍则重新定位规划路径向前直行，若此时前方仍有障碍则后退再右转前行一段时间再定位规划路径向前，直至小车避开障碍；当小车到达目的地时，GPS卫星定位导航模块提醒老人导航结束。

实施例5。

参照附图5。所述装置工作时，当老人和盲人在发生异常情况时，主控制器模块读取“开始”指令后自动加载视频图像驱动程序，CMOS图像采集模块通过摄像头获取此时老人和盲人周围的图像信息，并将这些图像信息设置为JPEG格式，通过USB HOST把这些JPEG格式的图像信息发送给主控制器模块；主控制器模块读取到图像数据后对其进行压缩，并通过串口2将这些数据由GSM/GPRS无线传输模块发送到指定的FTP服务器，当图像信息采集完毕，CMOS图像采集模块收到主控制器模块发来的“终止”指令时，将摄像头关闭使整个装置进入省电模式。

Claims (7)

1.一种可实时跟踪的智能小车健康监护装置，其特征在于：以智能小车装置为搭载平台，包括主控制器模块、红外监测模块、CMOS图像采集模块、GPS定位导航模块、GSM/GPRS信息传输模块、电机驱动模块、终端电源模块；其中，主控制器模块分别与红外监测模块、图像采集模块、GPS定位导航模块、GSM/GPRS信息传输模块、电机驱动模块和终端电源模块相连。

2.根据权利要求1所述的可实时跟踪的智能小车健康监护装置，其特征在于：红外监测模块以非接触形式检测前方一定范围内的人体或物体；CMOS图像采集模块在装置上电后自动初始化图像采集；GPS定位导航模块在装置上电后自动搜索GPS信号并设置为连接工作模式，测定装置的位置信息；主控制器模块在接收到红外监测模块发送过来的高电平之后会控制电机驱动模块调整转速进行避障，在接收到CMOS图像采集模块发送过来的图像信息后将图像信息压缩保存，并通过GPRS自动把最新的图像信息传送到指定的FTP服务器，在接收到GPS定位导航模块发送过来的位置信息后自动规划路径并且通过GSM将位置信息发送给监护人；终端电源模块具有可充电USB口。

3.根据权利要求1所述的可实时跟踪的智能小车健康监护装置，其特征在于：装置开始工作时，当红外模块检测到前方有效距离内有障碍物时，会自动测量小车与障碍物之间的距离，电机自动减速，为了避开障碍，电机先控制小车后退并左转一段时间，若此时前方无障碍则重新定位规划路径前进，若此时前方仍有障碍则再后退并右转一段时间直至小车避开障碍。

4.根据权利要求1所述的可实时跟踪的智能小车健康监护装置，其特征在于：CMOS图像采集模块能自动加载视频图像的驱动程序，通过摄像头获取此时老人和盲人周围的图像信息，将这些图像信息设置为JPEG格式并压缩保存，由GPRS无线传输发送到指定的FTP服务器，当图像信息采集完毕后，装置将关闭摄像头进入省电模式。

5.根据权利要求1所述的可实时跟踪的智能小车健康监护装置，其特征在于：采用A-GPS技术对装置进行实时跟踪定位，并使用GSM网络传输GPS定位信号，可在监护人终端的电子地图上动态的显示老人和盲人的位置信息。

6.根据权利要求1所述的可实时跟踪的智能小车健康监护装置，其特征在于：所述电机驱动模块，能续流保护，带光耦隔离，采用PWM的线性放大驱动或开关驱动实现对小车速度的控制。

7.根据权利要求1所述的可实时跟踪的智能小车健康监护装置，其特征在于：所述的电源模块供电由变压器、电池、稳压限流电路和接口四部分组成，且具有USB充电接口。