CN111580432A - 一种基于stm32安防机器人系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于STM32安防机器人的系统，所述系统硬件包括STM32MCU、SD卡、按键、LCD显示屏、WIFI、电机驱动模块、摄像头、SCCB总线、电源与复位电路、上行端；本系统中移动安防机器人子系统仿造室内凳子的形状，具有伪装潜伏的效果，摄取入侵者的全身特征图像；固定安防机器人子系统嵌入在柜体中，摄取其面部特征图像；图像资料存储机器人本地SD卡且传至远端服务器，避免了机器人在遭受破坏而致使图像资料的毁坏，为警方提供关键证据促进后期案件的侦破工作；采用本系统能够为家庭及个人提供一个安全放心的家居环境，本安防系统操作简单可靠，稳定性、实时性、推广性较强。
Description
技术领域
本发明涉及智能安防技术领域，特别涉及一种基于STM32安防机器人系统。
背景技术
随着国民经济的发展，人民的生活水平日益提高，人们对生活质量提出了更高的要求，希望生活更加安全舒适。然而屡有发生的入室抢劫、盗窃等案件不仅使人们的生命财产遭受巨大的损失，也带来了恶劣的社会影响，所以急需智能的安防系统，为家庭及个人提供一个安全放心的家居环境。
现在服务型机器人已经进入千家万户，提供安防相关的机器人技术发展已经基本达到了市场的要求。国内外许多科研单位和高科技公司进行了大量安防机器人的研究和开发，市场上也出现了不少安防机器人的产品。
国际上安防机器人研究从1991-1994年起有明显的发展，2002年进入成长期，并且在2011年后加速增长，远未达到饱和期和衰退期，目前创新潜力巨大。若从专利申请看安防机器人市场前景的话，日本企业申请了大量的国际专利，国际安防机器人市场很可能被日本大面积占领甚至垄断。在一些发达国家，已经开始采用巡逻机器人对大型楼宇、机场、交通枢纽、仓储基地、军事基地等的保安工作。国外典型的安防监控类机器人有：Mostitech机器人、T62-Artemis机器人、Mosro厂区巡逻机器人、MDARS-I型室外保安机器人、Reborg-X(Reborg-Q)机器人、Knightscope K5巡逻机器人等等。
“国内的安防机器人研究起步比国外晚10年，但是进入成长期只晚5年，并且发展迅猛。从专利申请来看，国外企业很少在中国申请专利，可以看出近期没有大规模进入中国安防机器人市场的计划，中国企业还有一段时间可以发展技术、占有市场。”中国安防技术有限公司(CSST)负责人通过分析得出这样的结论。根据易观智库的预测，2015年至2017年，我国服务机器人市场的年均复合增速将超过60％。其中，安防和无人机等特种机器人领域尤具优势。布局安防机器人的公司主要有海康威视、大疆科技、鑫龙电器、GQY视讯、巨星科技、东方网力等，其中，巨星科技近日刚在互动平台上表示，公司安防机器人目前处理研发阶段，主要应用于企业小区安防、平安城市等领域。国内在监控机器人方面研究也得一定成绩。沈阳新松机器人自动化股份公司研制的第二代智能型机器人。该机器人可以靠底部两个传感器躲避障碍物完成自如行走，检测家中是否漏水、着火、煤气泄漏等，发现异常时，机器人会主动向主任的手机发送报警短信。如果有陌生人闯入时，机器人也会立即用摄像头将其拍摄下来传给主人。
总体而言，国内外安防机器人种类繁多，功能也各异。由于整体产业仍然处于起步阶段，很多实际应用仍然有待市场检验，而更多具体的技术实现仍然有待改进成熟。但是，可以预见的是，距离售价合理且能很好满足用户需求的安防机器人产品上市，已经为时不远了。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种基于STM32安防机器人系统。
本发明的技术方案为：设计一种基于STM32安防机器人的系统，所述系统硬件包括STM32MCU、SD卡、按键、LCD显示屏、WIFI、电机驱动模块、摄像头、SCCB总线、电源与复位电路、上行端；
所述摄像头用于采集安防数据信息；
所述STM32MCU用于控制系统运行，STM32MCU与摄像头连接并接受摄像头采集的安防数据信息；
所述SD卡用于储存STM32MCU接受的安防数据信息；
所述WIFI用于STM32MCU将接受的安防数据信息传递到上行端；
所述上行端用于用户实时查看安防信息数据；
所述按键用于对系统输入信息数据；
所述LCD显示屏用于显示按键对系统输入的信息；
所述电机驱动模块用于驱动系统运动；
所述SCCB总线用于连接摄像头与STM32MCU；
所述电源与复位电路为系统提供电源。
优选的，所述STM32MCU为STM32F103ZET6处理器，STM32F103ZET6上有标准的SD卡接口，所述LCD显示屏为TFTLCD显示屏，所述WIFI为ESP8266串口WIFI，所述摄像头为OV7670摄像头。
优选的，所述SD卡接口与SD卡配合连接。
优选的，所述上行端为PC端。
优选的，所述STM32MCU、SD卡、按键、LCD显示屏、WIFI、摄像头、SCCB总线、电源与复位电路组成固定安防机器人子系统。
优选的，所述固定安防机器人子系统置于柜体内部。
优选的，所述STM32MCU、SD卡、按键、LCD显示屏、WIFI、电机驱动模块、摄像头、SCCB总线、电源与复位电路组成移动安防机器人子系统。
优选的，所述移动安防机器人子系统伪装为凳子，置于柜体附近。
优选的，所述系统设有安防模式、低功耗模式，所述安防模式为系统处于正常运行状态，所述低功耗模式为系统处于睡眠状态。
优选的，所述安防模式、低功耗模式通过上行端切换。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、本系统中移动安防机器人，考虑到移动安防机器人的安全性，故将其伪装成室内凳子产品外形，具有伪装潜伏的效果，摄取入侵者的全身特征图像；固定安防机器人嵌入在保险柜中，摄取其面部特征图像；
2、本系统图像资料存储机器人本地SD卡且传至远端服务器，避免了机器人在遭受破坏而致使图像资料的毁坏，为警方提供关键证据促进后期案件的侦破工作；
3、本系统能够控制移动安防机器人的运动，实现跟踪的功能；
4、本安防系统操作简单可靠，稳定性、实时性、推广性较强；
附图说明
图1为移动安防机器人系统硬件结构示意图；
图2为固定安防机器人系统硬件结构示意图；
图3为移动安防机器人系统流程示意图；
图4为固定安防机器人系统主流程示意图；
图5为固定安防机器人系统中断流程示意图；
图6为MCU芯片结构示意图；
图7为OV7670摄像头连接示意图；
图8为SCCB主从机连接示意图；
图9为SD卡接口连接示意图；
图10为SDIO控制器功能框图；
图11为TFTLCD流程图；
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种基于STM32安防机器人的系统，所述系统硬件包括STM32MCU、SD卡、按键、LCD显示屏、WIFI、电机驱动模块、摄像头、SCCB总线、电源与复位电路、上行端；
所述摄像头用于采集安防数据信息；
所述STM32MCU用于控制系统运行，STM32MCU与摄像头连接并接受摄像头采集的安防数据信息；
所述SD卡用于储存STM32MCU接受的安防数据信息；
所述WIFI用于STM32MCU将接受的安防数据信息传递到上行端；
所述上行端用于用户实时查看安防信息数据；
所述按键用于对系统输入信息数据；
所述LCD显示屏用于显示按键对系统输入的信息；
所述电机驱动模块用于驱动系统运动；
所述SCCB总线用于连接摄像头与STM32MCU；
所述电源与复位电路为系统提供电源。
优选的，所述STM32MCU为STM32F103ZET6处理器，STM32F103ZET6上有标准的SD卡接口，所述LCD显示屏为TFTLCD显示屏，所述WIFI为ESP8266串口WIFI，所述摄像头为OV7670摄像头。
优选的，所述SD卡接口与SD卡配合连接。
优选的，所述上行端为PC端。
优选的，如图2所示，所述STM32MCU、SD卡、按键、LCD显示屏、WIFI、摄像头、SCCB总线、电源与复位电路组成固定安防机器人子系统。
优选的，所述固定安防机器人子系统置于柜体内部。
优选的，如图1所示，所述STM32MCU、SD卡、按键、LCD显示屏、WIFI、电机驱动模块、摄像头、SCCB总线、电源与复位电路组成移动安防机器人子系统。
优选的，所述移动安防机器人子系统伪装为凳子，置于柜体附近。
优选的，所述系统设有安防模式、低功耗模式，所述安防模式为系统处于正常运行状态，所述低功耗模式为系统处于睡眠状态。
优选的，所述安防模式、低功耗模式通过上行端切换。
实施例一
移动安防机器人子系统，伪装成一个凳子的样子，放置于柜体的一侧，不易于发现。当财务室有入侵情况时，通过摄像头能实现跟踪，并悄悄摄取入侵者的全身特征图像，存于本地和后台服务器中。
移动安防机器人子系统在启动后，先进行初始化工作，包括系统的时钟配置、定时器、延时函数、GPIO(General Purpose Input Output)通用输入输出端口、内部内存池、摄像头、LCD显示、驱动电机以及WIFI模块的初始化。然后OV7670摄像头将摄取到的首帧图像作为背景对比图，往后摄取到的图像分别与背景图比对，记录像素点差异值且其差异值的数量，当差异数量达到阈值时，则认为检测到动态。此时机器人拍下图像，存储于本地SD卡中。若存储成功，能检测到SD卡有新图像，并将其通过WIFI传输到服务器端。再次进入到摄像头动态检测的循环当中，如果在上次循环中成功执行拍照并传输图像，此次循环不再检测到动态，则认为入侵者已离开摄像范围，此时机器人驱动电机，开启跟踪模式，调整摄像位置，重新将入侵者放入摄像范围。移动安防机器人子系统的主流程如图3所示。
固定安防机器人子系统嵌入于柜体中。机器人通过摄像头动态检测，当检测到入侵现象时，开启LCD(Liquid Crystal Display)液晶显示器上的密码输入框，诱导入侵者在摄像头面前输入密码，而所有的密码输入都会提示密码错误。此时，机器人偷偷拍摄入侵者的面部特征图像，不仅存于本地SD卡(Secure Digital Memory Card)，还通过WIFI(Wireless Fidelity)，以传输控制协议TCP(Transmission Control Protocol)的形式传输到后台服务器。
固定安防机器人子系统在启动后，同样进行一系列的初始化操作，包括系统时钟配置、中断等初始化。OV7670摄像头动态检测，当达到设定阈值时，判断是否为首次执行该动作，如若是，则开启LCD密码输入框；密码输入框一旦开启，以后不再执行该操作。自动拍摄入侵者图像，不仅将其图像数据存于本地SD卡，还传输至远方服务器。再继续执行摄像头动态检测的循环，主流程如图4所示。主程序执行期间，该安防机器人上的按键被按下会触发外部中断，即LCD显示屏上实时显示输入结果，中断流程如图5所示。
主控MCU(Micro Control Unit)微控制单元均以基于ARM公司的Cortex-M3内核的STM32F103ZET6处理器为核心，配合OV7670摄像头、TFT(Thin Film Transistor)显示屏和SD卡输出输入设备，电源与复位电路则为处理器和L298N电机驱动模块提供电源输入，L298N模块驱动两个电机运转，ESP8266串口Wi-Fi作为STM32的无线输出模块，负责图像数据的传输。按键触发输入输出I/O(Input/Output)外部中断，主控芯片跳转到中断流程执行中断处理，将结果输出到LCD显示屏上。
本系统用的是32位的Cortex-M3内核的STM32芯片STM32F103ZET6，主频最高可以达到72MHZ，支持Thumb2指令集，采用哈佛架构，拥有独立的指令总线和数据总线，且内部的总线是并行的。STM32F103ZET6内部的Flash存储器有512KB，SRAM大小为64KB，拥有112个通用I/O口、8个定时器、一个SDIO(Secure Digital Input/Output)安全数字输入输出接口、一个FSMC(Flexible Static Memory Controller)可变静态存储控制器接口、2个DMA(Direct Memory Access)直接内存存取控制器(共12个通道)、3个SPI(Serial PeripheralInterface)串行外设接口、2个IIC(Inter-Integrated Circuit)集成电路总线、5个串口、3个12位的ADC(Analog-to-Digital Converter)模数转换器以及一个12位的DAC(Digital-to-Analog Converter)数模转换器。它的供电电压为2.0～3.6V，在省电模式下，可以保证低功耗需求。MCU芯片结构组成如图6所示。
OV7670摄像头体积小，工作电压低，是1/6寸的CMOS(Complementary Metal OxideSemiconductor)VGA(Video Graphics Array)图像传感器。通过SCCB(Serial CameraControl Bus)串行摄像机控制总线控制，兼容IIC接口，支持RawRGB、RGB(GBR4:2:2，RGB565/RGB555/RGB444)，YUV(4:2:2)和YCbCr(4:2:2)输出格式。VGA图像最高可达30帧/秒，其图像质量、数据格式和传输方式也可以完全由编程者控制。而图像数据输出格式有分辨率为640×480的VGA、分辨率为320×240的QVGA(Quarter VGA)以及分辨率为160×120的QQVGA(Quarter Quarter VGA)。OV7670的高灵敏度适合低照度应用，且低电压的性质适合嵌入式应用，摄像头数据口连接CPU的示意图如图7所示。
OV7670的外设时钟PCLK(Peripheral Clock)最高可以达到24MHz，用STM32F103ZET6的I/O口直接抓取不仅非常困难，而且十分占耗CPU。OV7670自带的FIFO(First Input First Output)芯片(AL244B)，容量为384KB，足以存储2帧QVGA的图像数据，是用于暂存图像数据，很好地解决了上述问题，不再需要单片机拥有高速I/O，可以很方便地获取到图像数据。
SCCB总线(OmniVision Serial Camera Contril Bus)与IIC总线协议类似，是一种双向二进制同步串行总线，串行时钟线SIO_C，串行数据线SIO_D分别相当于IIC协议的时钟信号线SCL(Serial Clock)和数据线SDA(Serial Data)。
在SCCB操作过程中，OV7670摄像头作为Slave从机，2线模式下，一个Master主机端，只能连接一个Slave从机设备，如图8所示。
STM32F103自带了标准的SD卡接口，使用SDIO(Secure Digital Input andOutput,即安全数字输入输出接口)接口驱动，是在SD卡接口的基础上发展而来，可兼容之前的SD卡，并可以连接SDIO接口设备，SD卡接口连接如图9所示。
SDIO为4位数据总线模式，最高通信速度可达24MHz，最高每秒可传输数据12MB。SDIO控制器支持多媒体卡(MMC卡)、SD存储卡、SD I/O卡和CE-ATA设备等，包含2个部分：SDIO适配器模块和AHB(Advanced High Performance Bus)高级高性能总线接口，其功能框图如图10所示。
TFTLCD显示屏的使用流程如图11所示。其中，硬复位和初始化序列只需要执行一次即可。画点流程就是：设置坐标→写GRAM(Graphic RAM)指令→写入颜色数据，然后再LCD上就可以看到对应的点显示我们写入的颜色了；而读点流程为：设置坐标→读GRAM指令→读取颜色数据，这样就可以获取到对应点的颜色数据了。
借助于电机驱动模块，移动安防机器人才能成功驱动电机转动，从而控制机器人的运动；在本系统中，主控MCU STM32通过L298N电机驱动模块,驱动两路直流电机转动，左轮电机1与右轮电机2的正转、反转和停止决定着小车的运动模式。而STM32单片机4根电机控制信号线连接着L298N的IN1～IN4，另外两根PWM调速信号线连着ENA和ENB。使能端ENA、ENB为高电平时有效，控制方式及直流电机状态表如表1所示。当使能信号为0时，电机处于自由停止状态；当使能信号为1，且IN1和IN2为00或11时，电机处于制动状态，阻止电机转动。如若对直流电机进行PWM(Pulse Width Modulation)脉冲宽度调制，设置IN1和IN2，确定电机的转动方向，再对使能端输出PWM脉冲，即可实现调速的功能。
表1直流电机状态表
本系统选用的ESP8266模块是一款高性能的UART-WiFi(串口-无线)模块，通过串口(LVTTL)与MCU(或其他串口设备)通信，内置TCP/IP(Transmission Control Protocol/Internet Protocol)协议栈，能够实现串口与WiFI之间的转换，也就是传统的串口设备通过ESP8266模块，即可通过网络(WiFi)传输数据。模块支持串口转WIFI STA、串口转AP和WIFI STA+WIFI AP的模式，方便快速灵活地构建串口-WIFI数据传输方案。本系统采用ESP8266模块的WIFI STA的模式，模块各引脚的详细描述如表2所示。
表2 ESP8266模块各引脚说明
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种基于STM32安防机器人的系统，其特征在于，所述系统硬件包括STM32MCU、SD卡、按键、LCD显示屏、WIFI、电机驱动模块、摄像头、SCCB总线、电源与复位电路、上行端；
所述摄像头用于采集安防数据信息；
所述STM32MCU用于控制系统运行，STM32MCU与摄像头连接并接受摄像头采集的安防数据信息；
所述SD卡用于储存STM32MCU接受的安防数据信息；
所述WIFI用于STM32MCU将接受的安防数据信息传递到上行端；
所述上行端用于用户实时查看安防信息数据；
所述按键用于对系统输入信息数据；
所述LCD显示屏用于显示按键对系统输入的信息；
所述电机驱动模块用于驱动系统运动；
所述SCCB总线用于连接摄像头与STM32MCU；
所述电源与复位电路为系统提供电源。
2.根据权利要求1所述的一种基于STM32安防机器人的系统，其特征在于，所述STM32MCU为STM32F103ZET6处理器，STM32F103ZET6上有标准的SD卡接口，所述LCD显示屏为TFTLCD显示屏，所述WIFI为ESP8266串口WIFI，所述摄像头为OV7670摄像头。
3.根据权利要求2所述的一种基于STM32安防机器人的系统，其特征在于，所述SD卡接口与SD卡配合连接。
4.根据权利要求1所述的一种基于STM32安防机器人的系统，其特征在于，所述上行端为PC端。
5.根据权利要求1所述的一种基于STM32安防机器人的系统，其特征在于，所述STM32MCU、SD卡、按键、LCD显示屏、WIFI、摄像头、SCCB总线、电源与复位电路组成固定安防机器人子系统。
6.根据权利要求5所述的一种基于STM32安防机器人的系统，其特征在于，所述固定安防机器人子系统置于柜体内部。
7.根据权利要求1所述的一种基于STM32安防机器人的系统，其特征在于，所述STM32MCU、SD卡、WIFI、电机驱动模块、摄像头、SCCB总线、电源与复位电路组成移动安防机器人子系统。
8.根据权利要求7所述的一种基于STM32安防机器人的系统，其特征在于，所述移动安防机器人子系统伪装为凳子，置于柜体附近。
9.根据权利要求1所述的一种基于STM32安防机器人的系统，其特征在于，所述系统设有安防模式、低功耗模式，所述安防模式为系统处于正常运行状态，所述低功耗模式为系统处于睡眠状态。
10.根据权利要求9所述的一种基于STM32安防机器人的系统，其特征在于，所述安防模式、低功耗模式通过上行端切换。
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2020
- 2020-05-13 CN CN202010403507.7A patent/CN111580432A/zh active Pending
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