家庭巡视机器人环境感知系统设计

摘要:结合物联网和传感器技术,以STM32F103系列单片机为控制中心,设计家用机器人环境感知系统。该系统通过各类传感器模块(主要包括烟雾气敏传感器模块、超声波测距传感器模块、温度传感器模块)对家庭环境进行感知,将感知到的信息传输至控制中心,后者发出指令,控制家庭巡视机器人的相应动作。

关键词:家庭巡视机器人;环境感知系统;STM32F103

1机器人系统整体设计

机器人系统整体设计:由中央处理器、环境感知系统、运动系统共同组成家庭巡视机器人。中央处理器是整个机器人的核心,它对接收的信息进行处理,然后转换为指令信号;环境感知系统是机器人的感官部分,它对家庭内部环境信息进行数据信息采集,然后将信息传送到中央处理器;运动系统是机器人的执行机构,它将中央处理器发出的指令转换为动作,实现机器人所需要的功能。

2环境感知系统方案设计

环境感知系统帮助机器人对家庭环境进行实时数据信息采集,处理器接受到信息后,完成对障碍物的躲避、火灾烟雾报警反馈、家庭环境温度实时显示等功能,将家庭内部环境情况实时呈现出来。系统以STM32F103系列单片机为主控芯片,驱动MQ-2烟雾气敏传感器模块、HC-SR04超声波测距传感器模块和DS18B20温度传感器。模块感知家庭环境,将数据和报警显示在LED屏上[3]。

3环境感知系统硬件设计

环境感知系统设计是家用机器人实现家庭巡视功能的重要组成部分,是实现对家庭环境监控与报警的中心环节。硬件电路以STM32F103为控制中心,将感知家庭环境的各个传感器串联组合在一起,形成一个反馈系统[4]。主要由烟雾气敏传感器感应电路、超声波测距传感器电路、温度传感器检测电路、LED显示电路、电源电路、报警电路等组成[5]。

3.1CPU芯片电路设计

设计过程中采用的STM32F103系列单片机芯片是包括7个定时器、9个通信接口、2个12位模数转换器、80个快速I/O端口的低功耗微型单片机[6]。工作电压为2.0~3.6V,CPU最高频率为72MHz。内嵌复位和电源控制模块,内置嵌套的向量式中断控制器,能够处理43个可屏蔽中断通道和16个优先级。在定时器和看门狗功能方面,每个定时器都有独立的DMA请求机制,通过选项字节可以配置硬件或软件启动看门狗。相对于较为简单的51单片机而言,STM32F103系列单片机程序为模块化设计,接口简单,自身附带功能强,采用库函数开发。单片机核心为高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用设计的ARMCortex-M3内核,这些功能都是51系列单片机所不能比的[7]。

3.2电源电路设计

系统设计为接入式12V直流电,通过MP4560芯片配置相对应的电容、电感,将12V电压降到5V直流电。因电压较低,无需适配5V的电源。通过电路来替代电源电压转换,能节省空间和成本。通过稳压电路得到3.3V电压,提供给主控单元电路。在5~3.3V的过程中加入稳压电路,保证电路正常稳定的工作[8]。

3.3烟雾气敏传感器模块电路设计

用于家庭防火的MQ-2烟雾气敏传感器模块通过二氧化锡(SnO2)气敏材料电导率的变化实现对可燃气体浓度的检测,并将转换信号发送给CPU,CPU控制器件发出报警信息,其工作电压为5V,采用两路信号输出(DO/AO)[9]。阻值R与空气中被测气体浓度c的计算公式为:LogR=mLogc+n(m、n均为常数)

3.4超声波测距传感器模块电路设计

家庭巡视机器人室内障碍物躲避功能通过HC-SR04超声波测距传感器模块实现。HC-SR04超声波传感器以总线的方式与CPU之间通信,实时反馈数据信息,其工作电压为3.3~5.0V,采用I/O触发测距[9],探测距离为2~400cm,精度可达0.3cm。其测距公式为(声速=340m/s):

3.5温度传感器模块电路设计

温度传感器模块以单总线通信,将数据传输到主控单元,经程序化后将数据发送到液晶显示屏上,显示室内温度。此过程以DS18B20芯片完成电路设计。芯片工作电压为3.0~5.0V,有一个单线接口,主要应用于数字信息采集和温度传感。电路设计如图6所示。

4环境感知系统软件设计

系统在研发过程中,软件设计分为两部分:传感器数据采集发送部分和单片机处理接收部分。传感器数据采集发送部分采用烟雾气敏传感器模块、超声波测距传感器模块、温度传感器模块进行支持,利用C程序语言编写各个模块的信息采集程序,然后依据各个模块的时序图写出控制程序[10]。当测量浓度大于设定的浓度时,烟雾气敏传感器模块单片机的I/O输出为低电平,LED灯亮起报警。在超声波测距传感器模块中,一个10μs以上的脉冲触发信号,传感器内部就会发出8个40kHz周期电平并检测回波。当检测到回波信号时,会输出回响信号。回响信号的脉冲宽度与所测的距离成正比。通过发射信号到收到回响信号的时间间隔可以计算出实际的距离[11]。在温度传感器模块中,总线控制器会拉低总线并保持一定时间,然后发出一个复位脉冲,接着释放总线,单总线利用上拉电阻拉到高电平。当DS18B20探测到I/O引脚的上升沿后,等待一定时间后以拉低总线的方式发出存在脉冲,实现初始化。主机写时隙向DS18B20写入数据,其中分为写“0”时隙和写“1”时隙,所有的写时隙必须至少有60μs的持续时间,相邻两个写时隙必须要有最少1μs的恢复时间。所有的写时隙(写0和写1)都由拉低总线产生,以实现写相应的控制指令。当总线控制器把数据线从高电平拉到低电平时,读时序开始,数据线必须至少保持1μs,然后总线才会被释放。DS18B20通过拉高或拉低总线上来传输“1”或“0”。当传输逻辑“0”结束后,总线将被释放,通过上拉电阻回到上升沿状态。从DS18B20输出的数据在读时序下降沿出现后15μs内有效,完成读取DS18B20所采集到的数据后,把采集到的数据转化为实际的温度,展现在LED显示屏上。

5结论

通过对家庭巡视机器人环境感知系统的设计,深入理解了环境感知系统整体结构。对烟雾气敏传感器模块、超声波测距传感器模块、温度传感器模块,从工作原理到硬件设计均进行了深入研究。在软件设计中详细介绍了编程原理,对后来研究者针对嵌入式系统编程具有较好的借鉴意义。

参考文献:

[1]尹玉平,林霏,陈红.基于中继传输的车载无线通信终端[J].齐鲁工业大学学报,2018,32(1):65-68.

[2]韩鑫,王博,郭青青,等.智能温室环境感知系统设计[J].智能计算机与应用,2016,6(5):85-87.

[3]张泽建,王晓东,晏芳.基于物联网技术的仓储环境感知系统设计[J].物流技术,2016,35(8):119-121,125.

[4]刘威,张小军,陈海燕,等.基于FBG的分布感知家居环境监测系统设计[J].光通信技术,2014,38(3):44-46

[5]鄢秋荣,马耀中,柏欢,等.基于STM32单片机和移动通信模块的门户智能锁网络[J].实验室研究与探索.2016,35(3):115-118,146.

[6]谭淑梅.简析STM32单片机原理及硬件电路设计[J].大庆师范学院学报,2014,34(6):21-23.

[7]周江.STM32单片机原理及硬件电路设计研究[J].数字技术与应用,2015(11):1.

[10]张鲲,陈美伊,李壮,等.基于单片机的家庭智能火灾报警系统的设计[J].软件,2014,35(4):87-89,96

[11]沈燕,高晓蓉,孙增友,等.基于单片机的超声波测距仪设计[J].现代电子技术,2012,35(7):126-129.

作者：潘光良 李军 单位：齐鲁工业大学