智能安全管家系统的研发

叶芮杏 李杰浩 王文升 区德浩 陈德文

摘 要：为了解决智能家居静态处理信息的窘境，实现智能家居动态化，提出一种管家机器人的智能化和网络化的设计。该设计采用了ZigBee无线网络技术平台，结合飞思卡尔MC9S12XS128处理器的S12环境，应用Java可扩展的Eclipse软件平台，实现了手机对机载微处理器进行监控。同时对DHT11温湿度监控模块、线性CCD和超声波测距模块、CMOS手机成像模块和LM324自动灯光模块进行设计，达到双向无线通信，实现人机交换，远程监控。该次设计实现的效果是通过Android手机可以显示挖掘机实时数据，测距和温湿度，并进行控制，手机通过摄像头监控作业环境，具备自动感应灯光系统。该设计解决了作业机器的人机交换和无人值守的问题。

关键词：管家机器人 物联网 智能家居 动态化

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2016）07（b）-0001-02

1 设计思路

随着计算机技术、通信技术、控制技术的迅猛发展，人们对居住环境提出了更高的要求，希望自己居住的生活空间更加安全、舒适，智能家居的概念在这种理念的驱动下应运而生。人们希望通过智能家居技术实现家庭设备与住宅环境的智能化管理与监控，使之和谐与协调，从而满足用户对居住环境的新的、更高的需求。

该作品为一种基于WCDMA+ZigBee技术的智能安全管家机器人，利用计算机技术和网络技术，将家居生活环境中与安全相关的各种子系统有机地结合在一起，通过统筹管理，为人们提供更安全、更舒适、更便利的居住环境。智能安全管家有灵活的运动系统；具备判断家中一些陈设位置的能力；能够实现对家中一些电器设备的控制；对温度、湿度等物理信息的测量能力；能将采集到的信息上传至家中的电脑。如果主人不在家，还能够通过网络将信息输送至互联网，主人可以利用移动数据，如WCDMA，实时远程查看家居安防监测情况。这样，机器人就可以自主地完成各种管家的工作，或者在主人的“指挥”下料理各种家务。最终实现对家居环境及安全的实时监测、预警及报警，而且用户可以实时远程查看家居安防监测情况、控制各类家电工作。在整个系统设计中，基于人们对智能家居的理解加入了更加人性化的设计元素。

2 智能环境信息采集系统

智能安全管家实现对家居实时环境物理信息的采集监测，包括温度、湿度、气体、人体红外等，并通过ZigBee模块中的CC2530作为主控芯片，对采集的物理信息进行实时监控，当信息异常时发出警报。

智能安全管家装备采用基于CC2530芯片的主控系统，是用于2.4-GHz IEEE 802.15.4、ZigBee和RF4CE应用的片上系统（SoC）解决方案。它能够以非常低的材料成本建立强大的网络节点。CC2530结合了领先的RF收发器的优良性能，同时具有不同的运行模式，尤其适应超低功耗要求的系统。运行模式之间的转换时间短进一步确保了低能源消耗。

通过搭载数字式温湿度传感器DHT11（如图1，是一种含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性和卓越的长期稳定性。实时监控家庭环境的温湿度），当家中发生火灾时，智能安全管家可以及时发现温度异常并作出一系列反馈动作，如发出警报、通过跨平台终端控制系统通知主人。

同时搭载有害气体传感器MQ-2、人体红外传感器LHi778等，实时监控家庭环境的情况，当发生意外，如发生火灾、煤气泄漏时，智能安全管家可以准确地发现家庭环境温度或气体浓度的异常，及时发出警报，当无人在家中时，智能安全管家可通过跨平台终端控制系统远程通知主人。

3 实时视频监测系统

智能安全管家通过摄像头实现对家庭环境的实时视频监测，并可在手机端呈现；同时带有自动亮灯功能，可在光线不好的环境下给摄像头进行补光，保证摄像头采集图像的清晰。

智能安全管家采用可变色720P高清摄像头进行实时的视频监控，同时需要支持在多种平台上进行数据展示。因此，在该模块中采用目前较为成熟的开源视频软件MJPEG-Stream，并把他移植到手机平台。摄像头连接路由器，手机端可直接连接路由器WIFI，从专用软件上获取实时图像信息，从而完成跨平台的实时视频监控。

同时，通过光敏电阻结合比较器芯片LM324，获取实时环境亮度信息，用光敏电阻D3和电阻R1构成分压电路，并采用双电压比较器LM324，D3两端的节点电压作为比较器的同向输入端，反向输入端信号作为基准电压，当接收的光线超过一定强度时，D3电阻减小到一定值，D3两端电压小于基准电压，比较器输出低电平，反之输出高电平。为了调节检测灵敏度，基准电压应实现可调，该系统中采用电位器进行可调分压（0～5 V）。当智能管家处在黑暗环境中时，自动点亮位于机器人平台周围的LED灯对摄像头进行补光，保证摄像头采集图像的质量。

4 智能管家控制系统

该系统主要包括两部分，一是智能管家的行走控制部分，包括自动避障行走和人为遥控行走两种模式；二是智能管家的机械手控制部分，主要由六自由度的机械手平台构成，可用于完成一些特定的任务。

底盘：智能管家的底盘采用一种多地形适应性履带式底盘，底盘主体部分是两条形状可变的履带，分别由两个主电动机驱动。当两条履带的速度相同时，机器人实现前进或后退移动；当两条履带的速度不同时，机器人实现转向运动。当主臂杆绕履带架上的轴旋转时，带动行星轮转动，从而实现履带的不同构形，以适应不同的运动和地形环境。

行走控制：智能管家的控制中心采用飞思卡尔半导体公司的MC9S12XS128芯片，芯片采用5 V电压供电，采用7.2 V可充电锂电池作为电源，通过LM2940稳压芯片得到5 V电压给芯片供电。

智能管家底盘两个主动电机的驱动采用4片BTS7970芯片驱动，每两片芯片分别控制一个电机的正转和反转，通过主芯片控制机器人行走的速度。

5 跨平台终端控制系统

该系统主要包括3部分：一为ZigBee平台模块对各种传感器信息的采集，组网并通过无线网关与路由器传输至互联网平台，用户的手机平台可通过移动数据（如WCDMA）对互联网进行访问，获得实时家庭情况并针对各种情况进行反馈措施；二为实时视频图像在手机Android平台的呈现；三为遥控器平台对智能管家的远程遥控控制。

智能安全管家通过Zigbee模块搭载温湿度传感器，同时可通过WIFI+路由器组建智能无线网关，使采集的数据可以随时上传至互联网。

当用户对家庭环境进行远程监控时，可直接通过登录网站或客户端，利用（WCDMA）移动数据访问互联网，结合移动数据（WCDMA）的先天兼容优势，使得该设备（移动设备—互联网—终端）能结合各种类型的设备和智能管家采集到的信息进行远程监控，主人发现到异常时，可以通过语音或者输入指令对智能管家进行控制，实现智能人机交换，使得用户在多种环境下都能实现监测、控制。

另外，可以通过ZigBee模块组网的方式将家庭中的各种设备，如电灯、电视、窗户等，将与家居生活中安全相关的各种子系统，有机地结合在一起，通过统筹管理，为人们提供更安全、更舒适、更便利的居住环境。

跨平台的终端控制克服了距离上的缺点，使主人可以远程监测和控制家庭的情况，并可以对紧急情况紧急处理，体现了智能家居的需求。

6 结语

采用飞思卡尔半导体公司的MC9S12XS128芯片作为智能管家核心控制中心，内核为CPU12 高速处理器，拥有丰富的片内资源，有16路AD转换，精度最高可设置为10位；有8路8位PWM并可两两级联为16位精度PWM，特别适合用于控制多电机系统。而且它的串行通信端口也非常丰富，有2路SCI，2路SPI此外还有IIC，CAN总线等端口，并且采用了引脚复用功能，使得这些功能引脚也可设置为普通的IO端口使用，此外，它内部还集成了完整的模糊逻辑指令，可大大简化程序设计。

参考文献

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