基于Arduino的校园巡逻远程监控小车

2023-01-09湖南省邵阳市第十六中学周之童周粮恒

发明与创新 2023年2期

关键词：主控板循迹端口

◎湖南省邵阳市第十六中学周之童周粮恒

为更好地监测学生的体温状况，我们设计了一款校园巡逻远程监控小车。

一、系统总体设计

校园巡逻远程监控小车主要包括Arduino主控器、循迹避障模块、电机驱动模块、红外测温模块、拍照远程监测模块、语音播报和电话通信模块等，要实现的功能为：避开障碍物；及时检测体温异常的人员。

系统总体结构框架图如图1所示。

图1 系统总体结构框架图

二、系统硬件设计

1.主控器

选取Arduino UNO R3板作为校园巡逻远程监控小车的主控器。该主控器可对红外循线传感器、超声波传感器、红外测温传感器检测到的数据进行采集与信息处理，进而通过输出PWM信号和控制各引脚的高低电平来实现小车的循迹避障、拍照上传、语音播报和电话通信等功能。

2.拍照远程监测模块

选取ESP32-CAM模块（如图2）对校园体温异常者进行拍照并将照片上传，实现远程监控。该模块的VCC引脚接主控板VCC引脚，GND引脚接主控板GND引脚，端口IO16连接主控板的端口3。

图2 ESP32-CAM模块

3.红外测温模块

选取MLX90614系列红外温度计进行校内人员的非接触式测温。该模块的GND引脚接地，VCC引脚接主控板5 V电源。SCL引脚为两线通信协议的串行时钟信号，接主控板的端口A4。SDA引脚为数字信号输入/输出，正常模式下，该引脚以脉宽调制方式输出被测量物体的温度，接主控板的端口A5。

4.电机驱动模块

选取智能小车底板和两个强磁碳刷减速电机，并配以2个3.7 V的电池对电机进行供电，实现电机的驱动。Arduino主控器的5、6、9和10端口分别驱动电机的左正转、右正转、左反转和右反转。

5.循迹避障模块

选取3个红外循线传感器和1个超声波传感器构成小车的循迹避障模块。Arduino主控器的7、8、11端口分别从左、中、右三个方向获取3个红外循线传感器检测到的数据。Arduino主控器的12、13端口连接超声波传感器的trig、echo引脚，通过小车与物体的距离判断前方是否有障碍物。

6.语音播报和电话通信模块

选取BY8001-16P语音播报模块进行不同情形下的播报与警示，Arduino主控器的2、4端口连接语音播报模块的IO1、IO2端口，分别控制第一段、第二段的语音播报。

选取GSM 通信模块进行电话语音通信，实现远程交流，主控器的0（RX）、1（TX）端口分别连接GSM通信模块的TX、RX端口。

三、系统程序设计

1.总程序设计

利用Mixly、Arduino IDE两种软件对校园巡逻远程监控小车系统进行设计。

首先对系统进行初始化配置，各传感器正常运行，检测周围环境参数，接着将传感器检测到的数据与设定阈值进行比较，超出设定阈值则调用对应子程序。子程序包括循迹避障语音播报提醒子程序、红外测温拍照语音播报电话通信子程序。

系统总程序流程图如图3所示。

2.循迹避障语音播报提醒子程序设计

循迹小车的运动状态有左转、直走、右转、停止四种，而运动状态的选取取决于3个红外循线传感器。红外循线传感器遇黑线时Arduino主控器输入高电平，遇白线时输入低电平。当左边或左边与中间的红外循线传感器同时检测到黑线时，表示左轮胎压线，此时应该左转，反之右转。只有当中间的传感器独自检测到黑线时才直走，这就是循迹算法。

当超声波传感器检测到的距离低于设定值时，Arduino主控器的端口4输出低电平，控制语音模块进行播报。循迹避障语音播报提醒子程序流程图如图4所示。

3.红外测温拍照语音播报电话通信子程序设计

校园巡逻远程监控小车在校园内行驶时，红外测温传感器检测到有人体温超过设定阈值后，小车停车，Arduino主控板的端口3输出低电平，以一个低电平信号为触发源，进行一次拍照。端口2输出低电平，语音模块进行第二段语音播报。同时，Arduino主控板与通信模块进行串行口通信，可拨打预设电话。红外测温拍照语音播报电话通信子程序流程图如图5所示。

图5 红外测温拍照语音播报电话通信子程序流程图

四、系统调试

系统调试过程如下：将小车放入校园地图跑道，小车运行正常。当前方10 cm处有障碍物时，小车停止循迹，并播报语音：“请避开，让我通行。”一段时间后再次检测，无障碍物后继续进行校园循迹。当校内有温度超过设定阈值的人员时，小车停止循迹，并进行语音播报：“请站在原地，不要走动。”ESP32-CAM摄像头能对体温异常者拍照并将照片上传，实现远程监测，GSM通信模块能拨打校园护卫队相关责任人的电话，让他们来进行更加细致的鉴定。

搭建好的校园巡逻远程监控小车如图6所示。