楼宇卫士智能服务监测机器人

张欢

摘 要：针对市面上功能齐全的智能服务检测机器人种类少，而市场需求旺盛的问题，文中设计了一款楼宇卫士智能服务监测机器人。利用红外单点避障与超声波双路避障相结合的模式，实现对障碍物的全方位有效躲避与自动巡回功能;将Arduino UNO单片机与WiFi703N模块连接，结合机身搭载的摄像头实时回传录像，通过手机APP对机器人进行控制。实验结果表明，该机器人性能稳定，功能齐全，具有较好的推广价值。

关键词：智能服务;实时监测;机器人

1 背景概述

国内智能建筑可以追溯到1986年，由我国国家计委与科委共同立项，由中国科学院计算技术研究所承担的软课题《智能化办公大楼可行性研究》立项并工作，受到政府的高度重视。之后智能建筑在主管部门的引导下得到初步发展。进入21世纪初，随着我国经济建设和房地产行业发展高峰的到来，智能建筑行业整体水平提高较快，一大批重点项目建成，形成了一个跨学科、跨专业、人才密集、技术密集的新型产业。由于楼宇智能化在低碳、节能方面优势突出，同时为人们的生活带来更多舒适体验，因此楼宇智能化的概念深入人心，鸟巢、水立方、上海金茂大厦、世博会、中国馆、环球金融中心等应用楼宇智能化的建筑不断出现。然而我国目前的智能建筑还存在着一定的局限性：

（1）建筑智能化水平逐步提高，但参差不齐，与国外相比仍有差距;

（2）智能化技术和产品依赖进口，缺少国产化系统集成产品;

（3）自主服务机器人在智能楼宇系统中的应用研究跟不上智能建筑的发展;

（4）智能建筑设计没有可依据的规范和标准，造成规划、设计和施工队伍技术能力不强。

综上所述，很有必要研发一种灵活、轻便，可应用于各个楼层的服务型机器人来填补国内智能建筑服务行业的空白，为今后智能建筑的发展指明方向。

本产品针对楼宇、仓库、医院、高校等环境监测和自助服务的缺陷，将单片机控制系统、实时监控摄像头、物联网、用电器、传感器、搬运机构等有机结合，实现楼宇智能检测服务机器人的开发测试，最终实现定时定点自动巡逻与实时监控、联网防盗预警、火灾报警功能，同时搭载传感器，实现收集环境检测数据，再把收集数据上传至物联网平台实现监控智能化，安保人员只需坐在保安室监控机器人实时传输回的楼宇情况即可，如若遇到突发情况及时处置，可以极大地减少安保工作人员的劳动量。同时，针对居民楼、办公楼、教学楼、图书馆等对搬运沉重物品有需求的环境，智能楼宇服务监测机器人可以协助用户实现短距离重物搬运，很大程度上为人们的生活和工作提供便利。

2 作品推广的可行性

目前市面上销售的针对楼宇的智能服务监测机器人少之又少，具有类似功能的机器人也仅仅在火车站、机场等人员密集的公共场所执行巡逻安保任务，在居民楼、医院、高校等具有很大发展潜力的地方并未投入使用。

楼宇卫士智能服务监测机器人将看似遥不可及的高精度、高品质巡逻机器人带进寻常百姓的生活，为住户的生活提供便利。综合单片机通信、无线数据传输、传感器、微控制技术实现机器人自动巡检、环境数据收集并上传互联网等功能。通过物联网平台实时监测机器人工作环境的视频信息及相关数据，不仅能够有效降低安保人员的劳动成本和劳动量，提升楼宇的安全系数，还能为住户提供一定的重物运输服务，提高安保和服务系统的效率和业务水平，大大提升人类的生活质量。

3 作品概况

3.1 作品目的

（1）在楼内进行定时定点或者遥控巡逻，为楼宇管理人员提供楼宇环境的实时监控数据，工作人员掌控楼内环境;

（2）以服务楼宇用户为目标，用户可以通过手机端APP预约，提供自助搬运服务，减轻住户负担，提高住户的生活质量;

（3）连接公共场所的安保系统，降低安保人员的劳动强度，减少公共场所的监控盲区，提升楼宇的安全系数;

（4）发生特殊状况时发出警报，争分夺秒降低损失，挽救生命。

3.2 作品样机实物

图1所示为第一代样机，为了适应楼宇中可能出现的狭小工况以及后续升级的搬运功能，在第一代样机的基础上对机器人的硬件进行了升级，并优化了小车结构。

说明：目前作品只完成了自动巡逻、环境监测和环境视频数据实时回传功能，受团队时间及单片机能力限制，目前暂时不能实现自动巡线和WiFi手动遥控两种模式的一键切换。同时，通过改良结构，机器人已初步具备搬运重物的条件。

4 系统设计

4.1 轮式机器人移动控制设计

4.1.1 三路寻迹模块寻迹模式

利用红外单点避障与超声波双路避障相结合的模式，实现对障碍物的全方位有效躲避与自动巡回功能。为此，在前端中央设置一组紅外避障传感器，用于探测轮式机器人前方障碍物，再在机器人前端设置一个安装舵机云台超声波避障传感器，分别探测轮式机器人前方左右两侧障碍物，有效扩大探测范围，实现了轮式机器人在寻迹过程中的有效避障。

4.1.2 WiFi手动控制模式

将Arduino UNO单片机与WiFi703N模块连接，结合机身搭载的摄像头实时回传录像，通过手机APP对机器人进行控制。由于WiFi具有高穿透性和稳定性等特点，及时无线遥控范围可达200 m2。

本系统利用多模块协调配合，使机器人具有较高的自适应能力。硬件以需求为基础，选择合适的模块。驱动模块包含电源模块、寻迹模块、红外传感模块、超声波传感模块、电机驱动模块、Arduino模块、WiFi703N、摄像头等。

移动模块系统原理如图2所示。驱动模块主控为Arduino UNO板，外加传感器扩展板，由两块L298N驱动芯片驱动四个直流电机为轮式机器人提供动力，寻迹模块自主巡线，辅助模块—红外传感器和超声波传感器实现障碍物监测，安装光敏灯模块，使机器人在光源不充足区域的自主寻迹更稳定，电压表模块可实时监测电源电量，通过TL-WR703NWiFi模块实现视频上传，由PC端WiFi控制机器人运动。各模块组合起来实现了轮式机器人的驱动、自主寻迹、实时监测、避障等功能。

4.2 环境数据采集模块设计

移动监测机器人的环境数据采集模块由温湿度传感器、烟雾报警装置、人体红外传感器组成。由ESP8266串口WiFi模块上传环境数据，针对上传网络物联网数据按照以太网数据传输的格式和规则进行编码。同时针对物联网平台配置好系统的API后，可以通过因特网使用物联网远程实时查看环境数据，实现物联网环境监测。环境数据采集原理如图3所示。

温湿度传感器、人体红外传感器均为数字传感器，数字信号通过ESP8266WiFi模块CPIO2端口上传。需要对ESP8266进行串行端口调试，使用AT指令进行参数配置，8266使用AT命令进行参数配置，命令详细使用方法可查阅《Espressif AT指令集》，参照《ESP8266新手入门调试指导（补全）》的内容进行调试。

火焰傳感器、烟雾传感器与Arduino主控板直接相连，输出口接蜂鸣器，当两个传感器同时检测到有火情发生时，蜂鸣器报警，提醒附近人员以及安保人员采取对应措施，提升楼宇安全系数。

4.3 硬件设计

4.3.1 Arduino UNO控制板

控制板采用Arduino平台，它是基于Atmel AVR和ARM微控制开发的开源软硬平台，近年来发展迅速，应用广泛，在各种基于传感器的系统原型设计方面得到了广泛应用，其硬件设计采用CC BY-SA3.0协议，软件采用类C++的高级语言。

Arduino UNO是Arduino USB接口系列的最新版本，可作为Arduino平台的参考标准模板。UNO的处理器核心为ATmega328，其具有14路数字输入/输出口（其中6路可作为PWM输出），6路模拟输入，一个16 MHz晶体振荡器，一个USB口，一个电源插座，一个ICSP header和一个复位按钮。

Arduino是一个拥有众多用户的开源平台，编程简单，运行稳定，具有一般单片机的所有功能。选用Arduino单片机能够大大缩短设计、调试过程及开发所用时间，降低设计成本。

4.3.2 电机模块

轮式机器人采用直流电机驱动方式，通过控制左右四个直流电机来控制小车转动转向，电机模块如图4所示。直流电机采用两片直流电机驱动芯片L293进行控制。

L298N是一款单片集成的高电压、高电流、4通道电机驱动芯片，设计用于连接标准DTL或TTL逻辑电平，驱动电感负载（如继电线圈、DC和步进电机）和开关功率晶体管等。为了简化为双桥应用，L298N每个通道都配备了一个使能输入端，其逻辑电路具有独立的供电输入，可在更低的电压下工作。此外，L298N还内置有二极管，适用于频率达5 kHz的开关应用。

由于芯片L298N并未限制对电机转速的控制方式，因此可通过Arduino程序控制调节驱动电机的PWM信号，改变电机输出功率，从而控制左右电机的转速。

4.3.3 麦克纳姆轮（Mecanum Wheel）

麦克纳姆轮是瑞典麦克纳姆公司的专利。麦克纳姆轮的全方位移动方式基于一个有许多位于机轮周边轮轴的中心轮原理，这些成角度的周边轮轴把一部分机轮转向力转化到一个机轮法向力上，依靠各自机轮的方向和速度，这些力最终合成在任何要求的方向，形成合力矢量，从而保证该平台在最终的合力矢量方向上能自由移动，而不改变机轮自身的方向。在其轮缘上斜向分布着许多小滚子，故轮子可以横向滑移。小滚子的母线很特殊，当轮子绕着固定的轮心轴转动时，各个小滚子的包络线为圆柱面，所以该轮能够连续向前滚动。麦克纳姆轮结构紧凑，运动灵活，将4个新型轮子进行组合，可以更灵活、方便地实现全方位移动功能。麦克纳姆轮如图5所示，麦克纳姆轮移动方式如图6所示。

4.3.4 寻迹模块

TCRT5000传感器的红外发射二极管不断发射红外线，当发射出的红外线没有被反射回来或被反射回来但强度不够大时，红外接收管一直处于关断状态，此时模块的输出端为高电平，指示二极管一直处于熄灭状态;被检测物体出现在检测范围内时，红外线被反射回来且强度足够大，红外接收管饱和，此时模块的输出端为低电平，指示二极管被点亮。

寻迹模式采用三路寻迹，若左边TCRT5000传感器检测黑线存在，则右边电机启动左转;若右边TCRT5000传感器检测黑线存在，则左边电机启动右转;若中间TCRT5000传感器检测黑线存在，则左右电机直线运动。寻迹模块如图7所示。

4.3.5 红外传感器模块

红外测距模块采用夏普GP2Y0A21红外测距传感器，夏普GP2Y0A21型红外测距传感器是基于位置敏感传感器PSD（Position Sensitive Device，PSD）的微距传感器，捕捉的是光信号并且有着基于Lucovusky方程的电路设计，其有效的测量距离为80 cm。红外测距的优点是无盲区、测量精度高、反应速度快，但其缺点是受环境影响较大、探测距离较近。采用红外传感器与超声波传感器互补，使机器人具有精确的感测范围。

4.3.6 超声波传感器模块

超声波模块由发射电路和接收电路组成。其中发射电路由Em78p153单片机、MAX232及超声波发射头T40等组成，接收电路由 TL074运算放大器及超声波接收器R40等组成。探测时，超声波发射器发射出长约6 mm，频率为40 kHz的超声波信号。此信号被物体反射回来由超声波接收器接收，接收器实质上是一种压电效应的换能器。它接收到信号后产生mV级微弱电压信号，电压信号再在核心控制模块中转换为数字信号。设超声波脉冲由传感器发出到接收所经历的时间为t，超声波在空气中的传播速度为c，则从传感器到目标物体的距离D可通过D=ct/2求出。

4.3.7 TL-704N WiFi模块和摄像头

系统所用WiFi模块为高通 AR9331芯片，这是一个高度集成的WLAN解决方案。JS9331 基于Atheros AR9331 SOC方案的WiFi模块，系统频率达400 MHz，板载64 MB DDR2 RAM，8 MB FLASH，对外引出USB，GPIO，UART，I2S，以太网接口，WiFi天线接口。本模块体积小、功耗低、发热量小，WiFi、网口传输性能稳定。

运行OpenWrt（Linux）系统，可长期稳定运行。模块外围电路非常简单，仅需加上33 V DC 电源，即可让系统启动，并可通过WiFi控制。采用2个1×19 2.0 mm镀金排针接口，可非常稳定地固定在底板上。该模块预置OpenWrt固件，适配工作室各系列驱动板，实现视频传输及指令双向传输功能。

符合国际标准的802.11 b/g/n协议采用DSSS，OFDM，BPSK，QPSK，CCK和QAM基带调制技术，能自适应路由器等设备的无线热点。最大连接速率达150 Mbps，可用于智能家居，IP camera，VOIP，遥控拍摄飞行器、远程监控系统、便携式3G/4G 路由器、简单的Web网络服务器、FTP服务器、远程下载。TL-704N WiFi模块如图8所示，摄像头实物如图9所示。

4.3.8 温湿度传感器

DHT11数字温湿度传感器是一款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。传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。每个DHT11传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准。校准系数以程序的形式存在OTP内存中，传感器内部在检测信号的处理过程中要调用这些校准系数。单线制串行接口使系统集成变得简易快捷。超小的体积、极低的功耗，使其成为该类应用中，在苛刻应用场合的最佳选择。产品为4针单排引脚封装，连接方便。温湿度传感器接线，VCC-3.3 V，CH_PD-3.3 V，GND-GND，GPIO2-DHT11 data脚。

4.3.9 烟雾传感器MQ-2

MQ-2气体传感器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡（SnO2）。当传感器所处环境中存在可燃气体时，传感器的电导率随空气中可燃气体浓度的增加而增大。使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。MQ-2气体传感器对液化气、丙烷、氢气的灵敏度高，对天然气和其他可燃蒸汽的检测也很理想。这种传感器可检测多种可燃性气体，是一款适合多种应用的低成本传感器。

4.3.10 火焰传感器

火焰传感器能够探测到波长在700～1 000 nm范围内的红外光，探测角度为60°，其中红外光波长在880 nm附近时，其灵敏度达到最大。远红外火焰探头将外界红外光的强弱变化转化为电流的变化，通过A/D转换器反映0～255范围内数值的变化。外界红外光越强，数值越小;红外光越弱，数值越大。

4.3.11 人体红外传感器

人体都有恒定的体温，一般在37 ℃，所以会发出特定波长约10 μm的红外线，被动式红外探头依靠探测人体发射的10 μm红外线工作。人体发射的约10 μm的红外线通过菲涅尔滤光片增强后聚集到红外感应源上。红外感应源通常选用热释电元件，该类元件在接收到人体红外辐射温度发生变化时就会失去电荷平衡，向外释放电荷，后续电路经检测处理后会产生报警信号。

热释电效应：当一些晶体受热时，在晶体两端将会产生数量相等而符号相反的电荷，这种由于热变化而产生的电极化现象称为热释电效应。

菲涅尔透镜：根据菲涅尔原理制成，菲涅尔透镜分为折射式和反射式两种，其作用一是聚焦，将热释红外信号折射（反射）在热释电人体红外传感器（PIR）上;二是将检测区分为若干个明区和暗区，使进入检测区的移动物体能以温度变化的形式在PIR上产生变化热释红外信号，之后PIR产生变化电信号，使热释电人体红外传感器灵敏度大大增加。菲涅尔透镜如图10所示。

4.4 控制模式

机器人有两个模式，即自主寻迹与特殊情况WiFi控制。运行测试项目为自主寻迹、避障、舵机云台操作、实时监控、WiFi控制、温湿度和人体红外数据上传物联网、烟雾传感器和火焰传感器报警。WiFi模式如图11所示。自主寻迹模式如图12所示。

4.5 楼宇环境情况实时回传

楼宇卫士智能服务监测机器人运行情况以及巡逻期间楼宇内的环境情况通过机器人上搭载的摄像头以视频形式展现，从而实现对楼宇进行360°无死角监测。回传情况可以通过电脑端接收，将来还会开发与楼宇卫士智能服务监测机器人配套的APP，使安保人员和管理人员能够随时随地掌握建筑物内的情况，便于处理突发事件。环境情况实时回传界面如图13所示。

4.6 环境温湿度监测

对于楼宇内环境的监测，温湿度无法被忽视，特别是对于一些特定仓库环境，掌握实时温湿度数据，并采取相应措施是管理人员十分重要的责任之一。传统执行方式是通过仓库内安装的定点温湿度计等传感器，由管理人员读取特定数值，进而判断仓库内的温湿度情况。我们的楼宇卫士智能服务监测机器人可以将监测范围进一步扩大，通过巡逻和实时回传，使管理人员能够获得楼宇内每一处的实时温湿度情况，大大降低管理人员的劳动强度。图14所示为机器人电脑端控制界面，通过利用现有创客物联网平台连接机器人上的ESP8266WiFi芯片模块实时传输环境信息。温湿度监测界面如图15所示。

4.7 外来人员入侵监测

对于仓库、居民楼等特定时间内不会有人员进入的建筑，需要安保人员彻夜巡查，极大地增加了安保人员的工作量，同时监控设施往往存在一些监控盲区，而不法分子往往通过抓住这些漏洞实施犯罪活动。因此，通过机器人的红外传感器搭配视频情况实时回传，安保人员只需在值班室内对回传的视频画面和数据进行实时比对和监控即可，一旦出现异常立刻采取相关措施，以有效提升建筑的监控水平，减少建筑的监控盲区，提升监控效率。人员入侵监测如图16所示。

4.8 烟雾火警监测与报警

对于楼宇安全来说，火灾预防往往排在首位，很多火灾的发生通常是由一些不易被发现的隐患引起的，因此预防火灾难度较高。除了做好相关隐患的排除和配备灭火工具外，对于环境烟雾的实时监测和火灾第一时间报警也是降低火灾损失的重要措施之一。楼宇卫士智能服务监测机器人可以通过搭載的烟雾传感器和报警装置实现对环境烟雾的实时监测，如果出现异常情况，立即通过报警装置报警，做到第一时间发现并处理，将火灾的损失降至最低。

4.9 自助搬运服务

对于楼宇内住户来说，某些情况下需要借助一些工具实现搬运功能，如图书馆需要搬运图书，仓库需要搬运货物，居民楼业主需要搬运蔬菜等，办公楼人员需要频繁传递办公用品及文件资料，因此针对随叫随到的搬运机器人的需求十分旺盛。目前小车已经具备实现搬运功能的结构，软件及搬运前端正在开发中。

5 智能服务监测类机器人现实优势

随着机器人行业的发展和高层楼宇的大量出现，越来越多的地方对于楼宇服务机器人的需求开始增大。仓库、医院、高校、小区住宅、大型办公楼等都对服务类的机器人存在迫切需求。同时由于人们对于安全要求的提高，也会对安保类机器人存在大量需求，楼宇卫士智能服务监测机器人会大大降低安保和管理人员的劳动强度。

6 智能服务监测类机器人未来发展趋势

李克强总理2016年的政府工作报告中首次提到了“大众创业，万众创新”的概念，楼宇卫士智能服务监测机器人便是大学生自主创新的产物，该机器人采用模块化设计，顺应未来发展潮流。随着电子技术的发展，越来越多的岗位将会由智能服务监测类机器人胜任，取代传统劳动人员，实现全天候、全方位监测与服务，大大提高监测范围与服务质量，是我国服务業发展的有力助推器。

随着电子元器件的发展和技术的进步，机器人的制作成本正在逐渐降低，承担监测、巡逻的机器人正逐步走向人们的生活。在各种楼宇环境中投入大量类似的楼宇服务机器人，实现环境监测、定点巡逻，通过摄像头与楼宇互联网及时回传环境图像，并对一些突发情况作出相应处理，以有效减少楼宇监控盲区，与楼宇的安保人员形成优势互补，极大地节省人力。同时，机器人所具备的搬运功能也能够为楼宇住户提供一些运输服务，大大减少用户负担，对提升小区居民生活质量，提高楼宇安全系数，以及增加住户对楼宇的满意程度有很大贡献。这款产品的潜在用户为小区物业、医院、学校的安保系统，以及仓库管理部门等，推广价值巨大。

7 市场需求分析

随着高档小区的发展，以及大型公司、高校、物流仓储的需求，智能监测机器人将会占据很高的市场份额，投入各行各业的生产生活中，与管理人员协作，提供更好的管理和服务。

8 独特性与创新点

楼宇卫士智能服务监测机器人将看似遥不可及的高精度、高品质巡逻机器人带进寻常百姓的生活，为住户生活提供便利。同时，该作品基于Arduino UNO硬件平台研发，扩展性好。

轮式机器人驱动模块由红外传感器、超声波测距传感器、舵机、寻迹模块TCRT5000、WiFi模块703N、摄像头等组成;环境采集模块由温湿度传感器DHT11、烟雾报警装置MQ2、火焰传感器、人体红外感应模块HC-SR501、ESP8266WiFi模块组成。

软件方面，Arduino IDE开发环境，类似C/C++后端使用贝壳物联平台。两者均为开源平台，产品开发设计成本较低，具备较大的开发升级空间，可以针对不同需求的用户做出不同的改进，大大拓宽楼宇服务机器人的推广范围。

楼宇卫士智能服务监测机器人可以填补智能楼宇目前发展过程中的空白，提高楼宇的智能性。该作品可以在仓库、居民楼、医院、办公楼、教学楼、图书馆等众多建筑中投入使用。在环境监测过程中，机器人可以通过实现定时定点自动巡逻进行环境检测，由高清摄像头回传实时监控的视频，并具备联网防盗预警功能。搭载传感器后可使机器人实时收集环境检测数据，并将收集到的数据上传至物联网平台实现智能化，安保人员只需坐在保安室监控机器人实时传输回的楼宇情况即可。

针对居民楼、办公楼、教学楼、图书馆等人流量较大的环境，智能楼宇服务监测机器人可以帮助用户搬运一定重物，在很大程度上为人们的生活和工作提供便利。