CN106730554A - 基于嵌入式Linux的智能预警灭火机器人 - Google Patents

基于嵌入式Linux的智能预警灭火机器人 Download PDF

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陈宗强
王朋
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Abstract

本发明涉及一种基于嵌入式Linux的智能预警灭火机器人，包括运动系统单元、信息采集单元、预警灭火单元、网络监控单元和通信单元。本发明的有益效果是：智能预警灭火机器人基于嵌入式linux操作系统，内核为linux2.6，大大缩短了系统研发的周期并且使得系统运行更加稳定；系统选用32位ARM11微处理器S3C6410，集成了智能预警机器人控制所需的各种功能,系统的各个模块是基于CAN总线进行通信，基于CAN总线的预警灭火机器人的通信设计一方面可以大大的较少布线及元器件的使用，可以为内部灭火机器人节省布局空间，同时可以提升整个智能预警灭火机器人系统的安全性与稳定性。

Description

基于嵌入式Linux的智能预警灭火机器人
技术领域
本发明属于公共安全技术领域，涉及一种基于嵌入式Linux的智能预警灭火机器人。
背景技术
国内的预警灭火机器人研制工作始于20世纪70年代，并在机器人的火焰识别、灭火操作、移动技术等力一面取得了比较大的进展。总体来说，和国外研究水平还有一定差距。主要存在以下几个问题：
1.网络化程度低，尚未形成及预警和灭火于一体的区域性网络系统。
2.组件连接方式有待改善。火灾自动报警系统以多线制和总线制连接方式为主，在一定程度上限制了预警灭火器人的工作。
3.火灾自动报警系统误报、漏报问题较多。
4.超早期火灾探测报警技术应用还几乎处于空白，还未能及时将火灾扑灭在最萌芽状态。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：基于上述问题，本发明提供一种基于嵌入式Linux的智能预警灭火机器人。
本发明解决其技术问题所采用的一个技术方案是：一种基于嵌入式Linux的智能预警灭火机器人，包括
运动系统单元：包括灭火机器人、控制灭火机器人移动的直流伺服电机，直流伺服电机的驱动器采用单极性H桥式方式来驱动直流伺服电机，直流伺服电机附带有处理器，灭火机器人机载有灭火器；
信息采集单元：作为视觉模块和触觉模块来获取到火灾现场的各种数据信息并且将数据传送出去，包括带有处理器的传感器，具体为云台摄像头、火焰传感器、烟雾传感器、温度传感器、超声波传感器及气体分析仪；
预警灭火单元：包括核心处理器，核心处理器包括linux操作系统和S3C6410处理器，信息采集单元将数据传送到核心处理器，核心处理器判断发现火灾，控制灭火机器人移动到火灾附近合适位置并开始灭火；在灭火同时，核心处理器依据预警阈值，实现对于火灾不同等级的预警；
灭火机器人的网络监控单元：与灭火机器人的无线通信模块连接，包括与火灾现场进行信息交互的PC机、能够向Internet提供信息服务的WEB服务器、火灾现场监控PC机与WEB服务器之间的数据库服务器、Internet与WEB服务器之间的防火墙、客户端PC机及访问WEB页面所需的Internet浏览器软件；
通信单元：包括工控机、运动控制卡和智能控制模块，工控机包括核心处理器，运动控制卡包括直接控制直流伺服电机的处理器，智能控制模块包括各个传感器的处理器，传感器和直流伺服电机的处理器与核心处理器之间基于CAN总线进行通信，传感器将检测数据信息实时传输到工控机，工控机将运动指令发送到运动控制卡，与此同时，运动控制卡将直流伺服电机转速及方向反馈给上位工控机，形成闭环控制。
进一步地，预警的形式包括现场声光报警、远程短信提示及网络监控。
本发明的有益效果是：智能预警灭火机器人基于嵌入式linux操作系统，内核为linux2.6，将其在嵌入式领域有着广泛的应用；将其应用于智能预警灭火机器人系统，由于Linux操作系统所具有的易于移植、源代码公开、支持多种嵌入式硬件平台、网络功能强等优点，大大缩短了系统研发的周期并且使得系统运行更加稳定；系统选用32位ARM11微处理器S3C6410，该CPU是基于ARM1176JZF-S核设计，自身集成了智能预警机器人控制所需的各种功能，并且支持CAN总线通信，系统的各个模块是基于CAN总线进行通信，基于CAN总线的预警灭火机器人的通信设计一方面可以大大的较少布线及元器件的使用，可以为内部灭火机器人节省布局空间，同时可以提升整个智能预警灭火机器人系统的安全性与稳定性。
附图说明
下面结合附图对本发明进一步说明。
图1是本发明的运动系统单元的控制原理图；
图2是本发明的驱动器的原理图；
图3是本发明的传感器硬件设计图；
图4是本发明的灭火器及驱动系统、GSM、LED硬件设计图；
图5是本发明的机器人灭火流程图；
图6是本发明的网络监控单元的总体结构；
图7是本发明的现场客户端画面；
图8是本发明的远程网络终端界面；
图9是本发明的基于CAN总线的预警灭火机器人架构图；
图10是本发明的ADM3053的硬件设计图；
图11是本发明的总体架构图。
具体实施方式
现在结合具体实施例对本发明作进一步说明，以下实施例旨在说明本发明而不是对本发明的进一步限定。
运动系统单元：控制灭火机器人的前后左右移动，要求直流伺服电机能够实现正反转，这就需要使用可逆PWM系统。该系统一般分为单极性和双极性驱动两种。其中单极性驱动是指在一个PWM周期里，电机电枢的电压呈单一极性(或正、或负)变化。双极性驱动是指在一个PWM周期里，电机的电枢电压呈两种极性(正、负)变化。相比较而言，单极性驱动较易于实现，故该驱动器采用单极性H桥式方式来驱动直流伺服电机。如图1所示为运动系统单元的运动控制原理图，主要依靠PWM来控制机器人的运动，实现方向与速度的变化。图2为驱动器的原理图。
信息采集单元：涉及的传感器有声、光、热、烟和视频五个方面。云台摄像头设计主要将火灾现场情况及时反馈给监控中心；灭火机器人感知到火灾必须依靠传感器，火焰传感器能对光焰特别灵敏，烟雾传感器设计依赖于探头放置位置的合理性，硬件设计能快速识别烟雾是不是火灾发生才产生的烟雾。其他例如温度、湿度、超声波和气体分析仪设计同样如此。传感器将采集的模拟信号经过A/D数模转换器转换成数字信号，然后数字信号传送给S3C6410处理器，经过软件计算，对采集到的信息进行判断比对。其中传感器等环境感知系统硬件设计如图3所示。
预警灭火单元：预警灭火单元是该系统的操作核心。当信息采集单元将数据采集传送到核心处理器，并且核心处理器判断发现火灾，机器人移动到火灾附近。核心处理器首先驱动直流伺服电机，驱动灭火机器人本体，当灭火器人本体处于合适的位置，核心处理器会通过直流电机驱动机载灭火器装置开始灭火。及时将火焰扑灭在萌芽状态，可以有效避免火灾的蔓延，保证及时发现火情，及时扑灭火焰以及及时传送火焰信息。整个灭火过程的处理核心在于核心处理器，动作核心在于硬件驱动应系统。在灭火同时，基于火灾火焰信息的静态及动态融合处理，依据神经网络算法和D-S证据判决得出火灾大小的三个预警阈值，来实现对于火灾不同等级的预警，预警的形式有现场声光报警，远程短信提示及网络监控。图4是灭火器及驱动系统、GSM、LED硬件设计图，图5是机器人灭火流程图。
灭火机器人的网络监控单元：灭火机器人工作现场的无线通信模块使用的是LB-LINK无线网卡，系统采用的通信协议是802.11g，802.11g协议工作在2.4GHz频段，最高传输速率可达54Mbit/s，借助无线路由器搭建WIFI环境，使得灭火机器人在火灾现场活动更加灵活。
灭火机器人的网络监控单元主要由以下几个部分组成：①与火灾现场进行信息交互的PC机；②能够向Internet提供信息服务的WEB服务器；③火灾现场监控PC机与WEB服务器之间的数据库服务器；④Internet与WEB服务器之间的防火墙；⑤客户端PC机及访问WEB页面所需的Internet浏览器软件。网络监控单元的总体结构如图6所示。图7、图8分别是现场客户端画面，远程网络终端界面。
通信单元：在各个传感器及直流伺服电机都附带有小的处理器，它们与核心处理器之间通过CAN总线进行通信，各个传感器是将检测数据信息实时传输到工控机，工控机将运动指令发送到运动控制卡，与此同时，运动控制卡将直流伺服电机转速及方向反馈给上位工控机，形成闭环控制。根据CAN总线传输的特点各个模块传输的波特率保持一致，CAN总线的收发器采用ADM3053，ADM3053是一款隔离式控制器区域网络(CAN)物理层收发器，集成隔离DC/DC转换器，符合ISO 11898标准。该器件采用ADI公司的iCoupler技术，将双通道隔离器、CAN收发器和ADI公司的isoPowerDC/DC转换器集成于单个SOIC表贴封装中。片内振荡器输出一对方波，以驱动内部变压器提供隔离电源。该器件采用5V单电源供电，提供完全隔离的CAN解决方案。传输的介质选用一般的双绞线即可满足要求，如图9所示。图10是ADM3053的硬件设计图。基于CAN总线的预警灭火机器人的通信设计一方面可以大大的较少布线及元器件的使用，可以为内部灭火机器人节省布局空间；另一方面，可以提升整个预警灭火机器人系统的安全性与稳定性。
本系统主要是由上层终端监控部分和底层灭火机器人两大部分组成。底层灭火机器人包括，运动系统单元，信息采集单元，预警灭火单元，底层灭火机器人是以嵌入式linux作为核心控制平台，以轮式移动机器人作为基本运动机构，云台摄像头、火焰传感器、烟雾传感器、温度传感器、超声波传感器及气体分析仪等传感器作为系统的视觉模块和触觉模块来获取到火灾现场的各种数据信息，并且将数据交给嵌入式芯片处理，来对现场火焰进行识别定位，做出最优路径规划，驱动灭火器将火焰扑灭。上层终端监控部分利用无线网卡和无线路由器组建成的WIFI环境，将底层灭火机器人所传输的视频等现场数据信息发送到现场PC机的客户端，实现本地监控，与此同时写入到WEB数据库中，WEB数据库和WEB浏览器建立TCP连接，将现场PC机客户端所接收到的数据进一步实时传送到远程的WEB浏览器，现场的视频及其他各种数据信息大小及时作出预警。该系统整体结构设计如图11所示。此外预警灭火机器人根据现场的火势系统选择ARM多轴控制卡作为机器人下位机的运动控制核心，其优点主要包括以下几个方面：a.选用三星公司32位ARM11微处理器S3C6410，该CPU基ARM1176JZF-S核设计，自身集成了电机控制所需的各种功能，如PWM控制、编码器信息采集等，同时，还集成了SCI、SPI、CAN总线通讯；b.CPU最高工作频率667Mhz，采用三级流水线，能够满足灭火机器人运动控制实时性的要求，同时，高精度的定时周期还满足了超声波传感器等对实时性要求较高外设的要求；c.独立的运动控制系统，多种总线通讯，使系统更具模块化，易于进行维护及二次开发。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (2)

1.一种基于嵌入式Linux的智能预警灭火机器人，其特征是：包括
运动系统单元：包括灭火机器人、控制灭火机器人移动的直流伺服电机，直流伺服电机的驱动器采用单极性H桥式方式来驱动直流伺服电机，直流伺服电机附带有处理器，灭火机器人机载有灭火器；
信息采集单元：作为视觉模块和触觉模块来获取到火灾现场的各种数据信息并且将数据传送出去，包括带有处理器的传感器，具体为云台摄像头、火焰传感器、烟雾传感器、温度传感器、超声波传感器及气体分析仪；
预警灭火单元：包括核心处理器，核心处理器为S3C6410处理器，信息采集单元将数据传送到核心处理器，核心处理器判断发现火灾，控制灭火机器人移动到火灾附近合适位置并开始灭火；在灭火同时，核心处理器依据预警阈值，实现对于火灾不同等级的预警；
灭火机器人的网络监控单元：与灭火机器人的无线通信模块连接，包括与火灾现场进行信息交互的PC机、能够向Internet提供信息服务的WEB服务器、火灾现场监控PC机与WEB服务器之间的数据库服务器、Internet与WEB服务器之间的防火墙、客户端PC机及访问WEB页面所需的Internet浏览器软件；
通信单元：包括工控机、运动控制卡和智能控制模块，工控机包括核心处理器，运动控制卡包括直接控制直流伺服电机的处理器，智能控制模块包括各个传感器的处理器，传感器和直流伺服电机的处理器与核心处理器之间基于CAN总线进行通信，传感器将检测数据信息实时传输到工控机，工控机将运动指令发送到运动控制卡，与此同时，运动控制卡将直流伺服电机转速及方向反馈给上位工控机，形成闭环控制。
2.根据权利要求1所述的基于嵌入式Linux的智能预警灭火机器人，其特征是：所述的预警的形式包括现场声光报警、远程短信提示及网络监控。
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