CN107838927A - 一种无线智能环境监测机器人 - Google Patents

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李小玲
张洪银
杨东升
肖西川
方朝吻
袁继敏
谭雨昕
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Abstract

本发明涉及一种无线智能环境监测机器人，整个机器人系统以STM32F103VET6芯片为控制核心，附以外围电路，利用温湿度传感器、灰尘传感器、一氧化碳传感器、OV2640摄像头采集外界信息，实现对环境的有效监测以及危险气体的和报警。

Description

一种无线智能环境监测机器人
技术领域
本发明涉及智能机器人技术领域，尤其涉及一种无线智能环境监测机器人。
背景技术
随着社会、经济水平的发展，人们对环境安全也越来越重视，尤其是室内环境的安全。一些特定的场合对环境的要求比较高，例如仓库、工厂等，需要检测是否发生火灾，是否有毒气体超标等。此时，如果有一个可以实时监控环境情况的系统就可以保证一些安全隐患早发现早治理，对保护一些财产人身安全等起到至关重要的作用。
现在很多的环境设备检测用的都是蓝牙进行传输，蓝牙传输速度慢,距离短。
环境设备检测需要的是能够检测到多种危险环境，目前市面上的设备都比较的单一，往往不能全面的对周边的环境进行多方面检测，对保护财产和人身安全有很大的欠缺。以往的环境监测器监测完毕时，仍旧处于运行状态，耗费高，不能实现自动关闭功能。
另外，很多的环境检测器的适用环境单一，不同的环境需要不同的检测功能，加大了工作量和资源的过度消耗。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种无线智能环境监测机器人，其特征在于，包括：所述机器人基于微控制器，用户通过手机端app和所述机器人上的WiFi模块和无线以太网连接；WIFI模块和微控制器通过SDIO接口连接，数据的传输通过软件完成；所述机器人上设有OV264摄像头模块，摄像头模块通过GPIO接口和微控制器连接，当摄像头采集到图像数据之后EXTI通过中断自动通知微型控制器传输图像数据；微型控制器和传感器之间通过GPIO和ADC1～2连接，经过电压转换后，获取出环境各方面质量高低；微控制器通过TIM1_OC1～4PWM驱动H桥驱动电路来控制所述机器人的4个轮子，进而控制所述机器人方向；当所述机器人遇到障碍导致任意一个轮子不转动时，ADC3上的AWD将自动切断轮子的供电，防止烧坏线圈。
进一步地，所述微处理器采用STM32微控制器。
进一步地，所述wifi模块采用8W8686、88W8782或88W8801芯片，通过微处理器芯片为wifi模块提供时钟，其最大频率为25MHz。
进一步的，所述摄像头模块采用的是OV2640，借助定时器DMA辅助采集图像数据或者采用场同步中断和像素同步中断采集图像数据。
进一步的，所述机器人还使用了容量为256字节的24C02EEPROM存储器，地址范围为0x00～0xff，存储各个WiFi热点的SSID和密码，以及手机客户端App的管理员账号和权限。
本发明实施例至少具有如下技术效果或优点：
1、本发明采用的是WiFi传输，WiFi传输具有速度快且距离远的优点，大大解决了蓝牙传输具有的缺点。
2、该无线环境监测机器人具有集成化的可能性，有集成化是指该仪器不仅具有良好的现代工艺集成，而且还有各种功能的集成，保证仪器具有更好的工业使用价值与实用价值，还应具有人机交换信息，可操作简单，维护与管理方便，智能度高等特点。
3、以现在比较热门的Android手机系统作为客户端，Android手机作为此系统的手持终端具有很多优点，如开发门槛低、开发成本低、功能可扩展性强、软件能在很多在手机上移植、运行等。同时用户也可以比较方便的对室内环境进行监测，提高了工作效率，同时也增加了远程控制的灵活性，即不用在特定的位置才可以进行数据访问或控制。这种传统的远程控制技术向基于无线通信网的移动终端设备的转变，可以提高用户的体验，也是一种趋势。
4、通过其传感器监测周围环境采用多种传感器进行检测，例如，灰尘传感器，温湿度传感器等，并将数据，图像回传至电脑或手机，用于测量实际生活中不利于人活动地方的环境动态监测并通过无线通信对此地区做相应的控制，以达到人们预期的目的。
附图说明
图1为本发明实施例中无线智能环境监测机器人的模块示意图。
图2为本发明实施例wifi模块芯片连接示意图。
具体实施方式
为了解决上述技术问题，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。
本发明实施例提供了一种无线智能环境监测机器人，如图1所示，包括：所述机器人基于微控制器，用户通过手机端app和所述机器人上的WiFi模块和无线以太网连接；WIFI模块和微控制器通过SDIO接口连接，数据的传输通过软件完成；所述机器人上设有OV2640摄像头模块，摄像头模块通过GPIO接口和微控制器连接，当摄像头采集到图像数据之后EXTI通过中断自动通知微型控制器传输图像数据；微型控制器和传感器之间通过GPIO和ADC1～2连接，经过电压转换后，获取出环境各方面质量高低；微控制器通过TIM1_OC1～4PWM驱动H桥驱动电路来控制所述机器人的4个轮子，进而控制所述机器人方向；当所述机器人遇到障碍导致任意一个轮子不转动时，ADC3上的AWD将自动切断轮子的供电，防止烧坏线圈。
具体而言，WiFi模块采用的是Marvell公司的88W8686芯片，如图2所示。该芯片同时提供了SPI和SDIO两种接口。同时，STM32F1系列的High-density型的单片机上也有SDIO接口，当时钟采用72MHz时，可产生24MHz的SDIO时钟频率，给WiFi模块提供时钟，模块支持的最大频率是25MHz。程序启动时首先初始化WiFi模块，具体步骤是先初始化SDIO接口，发送两次CMD5设置模块工作电压，然后发送CMD3获取RCA相对地址，接着发送CMD7选中WiFi模块，此时可提高时钟频率到最高的24MHz，使用大于16MHz的时钟频率时不可使用多字节传输模式，只可使用块传输模式。SDIO接口初始化完成后，就开始下载固件，先下载helper固件，然后借助于helper固件下载sd8686固件。此时已经基本初始化完毕，可允许发送和接收数据包，通过Associate命令连接指定SSID和密码的热点，读取出模块内部固化的MAC地址后交给lwip并将lwip初始化，设置好子网掩码、IP地址后，就可以访问网络了。
摄像头模块采用的是OV2640，由于STM32F1系列的单片机没有DCMI接口，因此要么用定时器DMA辅助采集图像数据，要么借助于场同步中断和像素同步中断。本实施例以后者方案为例，场同步中断接到PB0上，像素同步中断接到PB9上，8位数据引脚D0～D7直接接到PC口的低八位。每来一个像素同步中断，就读取一次GPIOC_ODR寄存器的低八位，保存到摄像头数据的缓冲区中。这里要注意的是，由于帧率较大，这里的中断频率是非常高的，因此中断服务函数应该尽可能短，并且最好直接操作寄存器，不使用比较费时间的库函数。当场同步中断到来时，说明当前图像帧已经采集完毕，立即通过网络将该帧图像发送到手机APP上并显示出来。
在本实施例中，网络的运输层主要有TCP和UDP两种协议，两者各有各的优点。前者的优点主要是保证了可靠性，当数据在网络中丢失后该协议能够自动重发数据，并且还有流量控制的功能，尽可能的避免网络拥塞。而后者最主要的优点是简单、快速，但没有可靠性的保证。本案同时使用了这两种协议：发送摄像头采集的大尺寸数据时用的是UDP协议，因为摄像头视频的实时性要求非常高，对清晰度也有较高的要求，如果采用TCP协议，数据丢失时会发生重传而浪费时间。并且TCP是面向的是字节流，如果两幅图像被错误地拆分后发送到了接收端，则接收端需要很复杂的算法来找到正确的分割线。UDP则是面向报文的，对应用层接到的数据包既不进行拆分也不进行重组，如果数据包过长，则交付到网络层时会自动分片，到了客户端时又自动重组，最后得到的还是完整的UDP数据报，每个UDP数据报包含的是一副完整的图像，客户端程序不需要仔细分析图像如何重组。传送传感器采集到的少量数据时则采用可靠性较高的TCP协议，这个时候保证可靠性的自动重传功能对性能几乎没有影响。
单片机端利用SysTick定时器计时，每隔1秒钟就传送一次传感器数据，传感器数据主要通过单片机A/D转换来采集，每秒钟可采集几千次数据，而发送的数据只是这些数据的平均值。通常情况下一氧化碳传感器的数据都是0，只要有一氧化碳数据存在，这证明被监测区域已有危险气体存在。
该小车共有4个轮子，每个轮子都是一个直流电机，采用H桥型的电路来控制直流电机的旋转方向。通过STM32中自带的两个高级定时器TIM1和TIM8的输出比较端口来控制电机的运行。运行速度由PWM波的频率及占空比来决定。为了防止小车遇到障碍物时轮胎卡住导致电流过大而烧毁器件，该小车在每个轮胎的线路上都串联了一个0.22Ω的电阻用来测量瞬时电流，将该电阻两端的电压通过三极管直流放大电路放大后输入到单片机的ADC3上进行监控，共4个通道。只要任何一个通道的电压值超出了AWD的阈值HTR和LTR，则会自动触发AWD中断，将其输入到TIM的Break输入端后，硬件会自动关闭所有的轮胎，起到保护硬件的作用，同时还会通知手机端App，显示一个红色的框，上面是一些警告信息。
电源采用的是多节1.5V干电池串联形成的电池组。串联4节干电池后是6V，此电压直接给四个轮胎提供电源。但STM32单片机本身采用的是3.3V的电源，因此这里便有两种方案给STM32单片机提供电源。第一种方案是使用三端降压模块将6V降压到3.3V，第二种方案则是在第二节干电池上引出一根正极线，两节电池刚好是3V的电压，这里采用第二种方案，免去了一个降压模块，达到降低功耗、节约成本的目的。
为了保存配置信息，小车还使用了容量为256字节的24C02EEPROM存储器，地址范围为0x00～0xff。存储各个WiFi热点的SSID和密码，以及手机客户端App的管理员账号和权限。单片机的Backup domain备用区域上还接有V_BAT备用电池，用于维护存储在备用区域中的数据。PC13上还有一个防篡改的措施，当单片机正常工作时该引脚的电平为低电平。若单片机在备用电池接通的情况下被撬开，PC13上的低电平消失后，备用区域中的数据会被自动清除掉，这大大提高了小车的安全性。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (5)

1.一种无线智能环境监测机器人，其特征在于，包括：所述机器人基于微控制器，用户通过手机端 APP 和所述机器人上的 WiFi 模块和无线以太网连接；WIFI 模块和微控制器通过 SDIO 接口连接，数据的传输通过软件完成；所述机器人上设有 OV264 摄像头模块，摄像头模块通过 GPIO 接口和微控制器连接，当摄像头采集到图像数据之后 EXTI 通过中断自动通知微型控制器传输图像数据；微型控制器和传感器之间通过 GPIO 和 ADC1~2 连接，经过电压转换后，获取出环境各方面质量高低；微控制器通过 TIM1_OC1~4PWM 驱动 H桥驱动电路来控制所述机器人的 4 个轮子，进而控制所述机器人方向；当所述机器人遇到障碍导致任意一个轮子不转动时，ADC3 上的 AWD 将自动切断轮子的供电，防止烧坏线圈。
2.根据权利要求 1 所述的无线智能环境监测机器人，其特征在于，所述微处理器采用STM32 微控制器。
3.根据权利要求 1 所述的无线智能环境监测机器人，其特征在于，所述wifi 模块采用 8W8686、88W8782 或 88W8801 芯片。
4.根据权利要求 1 所述的无线智能环境监测机器人，其特征在于，所述摄像头模块采用的是 OV2640，借助定时器 DMA 辅助采集图像数据或者采用场同步中断和像素同步中断采集图像数据。
5.根据权利要求 1 所述的无线智能环境监测机器人，其特征在于，所述机器人还使用了容量为 256 字节的 24C02 EEPROM 存储器，地址范围为0x00~0xff，存储各个WiFi 热点的 SSID 和密码，以及手机客户端 App 的管理
员账号和权限。
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