CN207115108U - 基于单片机和物联网的智能楼宇安防服务机器人 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于单片机和物联网的智能楼宇安防服务机器人，包括多个四轮驱动轮、单片机芯片、多个驱动电机、多个直流电机驱动装置、多个增量式光电编码器、CAN总线高速接收芯片、三色灯、粉尘传感器、雨量传感器、温湿度传感器、光电传感器、串口型触摸屏及无线通信接收装置；本实用新型摒弃了现有的监控系统的固定模式，不仅提高了监控系统的灵活性，而且不存在监控死角。机器人在自动巡逻模式下可以把数据发送到智能终端设备以实现实时监控及安防功能。此外，本实用新型不需要另外架设监控线路，适应性强，即投即用，简单、方便、经济、可靠。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种机器人设备，尤其涉及一种基于单片机和物联网的智能楼宇安防服务机器人。
背景技术
随着科学技术的发展，楼宇安防系统开始广泛的应用到高校办公大楼、公司楼宇、写字楼和机关办公大楼等公共楼宇，取代了传统的人工监控和摄像头监控的方式，大大提升了公共楼宇的安全性，随着生活水平的提高，人们对人身安全和财产保护也越来越看重，居住楼宇的安全、环境等也成了入住的关键考量指标，现有技术的楼宇安防系统结构功能单一，不够智能化，无法远程控制和互动。
实用新型内容
本实用新型的目的：提供一种基于单片机和物联网的智能楼宇安防服务机器人，具有安防功能，能给外来办事人员和楼宇内人员提供帮助，可以直接应用到高校办公大楼、公司楼宇、写字楼和机关办公大楼等，具有很好的实际意义。
为了实现上述目的，本实用新型的技术方案是：
一种基于单片机和物联网的智能楼宇安防服务机器人，包括多个四轮驱动轮、单片机芯片、多个驱动电机、多个直流电机驱动装置、多个增量式光电编码器、CAN总线高速接收芯片、三色灯、粉尘传感器、雨量传感器、温湿度传感器、光电传感器、串口型触摸屏及无线通信接收装置；所述的多个四轮驱动轮分别间隔安装在机器人底盘上，所述的多个驱动电机的输出轴分别与所述的多个四轮驱动轮的轮轴同轴连接且同步转动，所述的多个驱动电机分别通过所述的多个直流电机驱动装置与所述的单片机芯片连接；所述的多个增量式光电编码器分别间隔安装在机器人底盘上，所述的多个增量式光电编码器分别与所述的多个驱动电机对应连接；所述的单片机芯片上设有控制局域网通信接口，CAN中线通过所述的CAN总线高速接收芯片连接在所述的单片机芯片的控制局域网通信接口上；所述的三色灯、粉尘传感器、雨量传感器、温湿度传感器及光电传感器分别与所述的单片机芯片连接，所述的单片机芯片通过所述的无线通信接收装置外接智能终端。
上述的基于单片机和物联网的智能楼宇安防服务机器人，其中，所述的四轮驱动轮为麦克纳姆轮，且所述的麦克纳姆轮的滚子与地面呈45°依次排列。
上述的基于单片机和物联网的智能楼宇安防服务机器人，其中，所述的单片机芯片的型号为STM32F405RGT6。
上述的基于单片机和物联网的智能楼宇安防服务机器人，其中，所述的直流电机驱动装置的型号为AQMH3615NS。
上述的基于单片机和物联网的智能楼宇安防服务机器人，其中，所述的CAN总线高速接收芯片的型号为TJA1050。
上述的基于单片机和物联网的智能楼宇安防服务机器人，其中，所述的温湿度传感器的型号为DHT11。
上述的基于单片机和物联网的智能楼宇安防服务机器人，其中，所述的光电传感器的型号为TCRT5000。
上述的基于单片机和物联网的智能楼宇安防服务机器人，其中，所述的无线通信接收装置的型号为ESP8266。
本实用新型摒弃了现有的监控系统的固定模式，不仅提高了监控系统的灵活性，而且不存在监控死角。机器人在自动巡逻模式下可以把数据发送到智能终端设备以实现实时监控及安防功能。此外，本实用新型不需要另外架设监控线路，适应性强，即投即用，简单、方便、经济、可靠。
附图说明
图1是本实用新型基于单片机和物联网的智能楼宇安防服务机器人的原理框图。
图2是本实用新型基于单片机和物联网的智能楼宇安防服务机器人的四个增量式光电编码器的接口图。
图3是本实用新型基于单片机和物联网的智能楼宇安防服务机器人的CAN总线高速接收芯片的接口图。
图4是本实用新型基于单片机和物联网的智能楼宇安防服务机器人的无线通信接收装置的串口接口图。
图5是本实用新型基于单片机和物联网的智能楼宇安防服务机器人的单片机芯片的原理图。
图6是本实用新型基于单片机和物联网的智能楼宇安防服务机器人的无线通信接收装置的原理图。
图7是本实用新型基于单片机和物联网的智能楼宇安防服务机器人的温湿度传感器10的电路图。
图8是本实用新型基于单片机和物联网的智能楼宇安防服务机器人的光电传感器的电路图。
具体实施方式
以下结合附图进一步说明本实用新型的实施例。
请参见附图1所示，一种基于单片机和物联网的智能楼宇安防服务机器人，包括多个四轮驱动轮1、单片机芯片2、多个驱动电机3、多个直流电机驱动装置4、多个增量式光电编码器5、CAN总线高速接收芯片6、三色灯7、粉尘传感器8、雨量传感器9、温湿度传感器10、光电传感器11、串口型触摸屏12及无线通信接收装置13；所述的多个四轮驱动轮1分别间隔安装在机器人底盘上，所述的多个驱动电机3的输出轴分别与所述的多个四轮驱动轮1的轮轴同轴连接且同步转动，所述的多个驱动电机3分别通过所述的多个直流电机驱动装置4与所述的单片机芯片2连接；所述的多个增量式光电编码器5分别间隔安装在机器人底盘上，所述的多个增量式光电编码器5分别与所述的多个驱动电机3对应连接；所述的单片机芯片2上设有控制局域网通信接口bxCAN，CAN中线通过所述的CAN总线高速接收芯片6连接在所述的单片机芯片2的控制局域网通信接口bxCAN上；所述的三色灯7、粉尘传感器8、雨量传感器9、温湿度传感器10及光电传感器11分别与所述的单片机芯片2连接，所述的单片机芯片2通过所述的无线通信接收装置13外接智能终端。
所述的四轮驱动轮1可采用现有技术的麦克纳姆轮，且所述的麦克纳姆轮的滚子与地面呈45°依次排列，与地面接触时，地面会给予四轮驱动轮与转轴夹45度的摩擦力，此摩擦力可分为X分量与Y分量，通过车轮的正反转或停止，改变XY分量力的方向，可以调整底盘做各种方式的移动。采用麦克纳姆轮的优点是可以实现底盘前行、横移、斜行、旋转及其组合等运动方式。因此，此底盘非常适合转运空间有限、作业通道狭窄的楼宇、船舱以及机舱等环境。
所述的单片机芯片2的型号为STM32F405RGT6，选用STM32F405RGT6芯片作为底盘移动平台的中央控制器，完成传感器信息收集、电机控制、外部通信扩展等任务，该芯片工作最高频率可达84MHz，能实现高速运算。处理器具有三种低功耗模式和灵活的时钟控制机制，可根据系统设计要求对其进行合理的优化。工作电压可以在2.0-3.3V之间，在3.3V的供电电压下，其典型的小号电流仅为1.4μA；采用的电机驱动方式是电枢控制方式，通过输出PWM脉宽调制PWM电平来控制驱动电机3的电枢电压，实现调速功能。
所述的直流电机驱动装置4的型号为AQMH3615NS，AQMH3615NS直流电机驱动装置4的控制情况如下：在PWM为100％时需要先刹车0.1S以上再给反转信号，否则驱动电机3的反向电动势可能导致电源电压突变使驱动芯片进入保护状态而导致错误运行，对于非满PWM状态，如果要改变电机的转动方向，最好也先刹车0.1S以上再给反转信号，以免导致电源电压有较大波动；对于增量式光电编码器而言，设光电码盘每转一圈输出P个脉冲，在T1(单位为S)时间内，编码器输入m1脉冲，则电机的转速Ns(单位为r/min)。
在T2(T2＝T1+ΔT，单位为S)时间内，设此时单片机芯片2内部计数频率为fc，计数值为m2，使用周期法计算T2，
最终即可得到移动平台各个驱动电机的实时转速。
所述的CAN总线高速接收芯片6的型号为TJA1050。
所述的粉尘传感器8可采用夏普PM2.5粉尘传感器。
所述的温湿度传感器10的型号为DHT11。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储存在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，信号传输距离可达20米以上，使其成为各类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选则。产品为4针单排引脚封装，连接方便。DHT11传感器的电路如附图7所示，可从DOUT引脚读出温度和湿度信息。
所述的光电传感器11的型号为TCRT5000。TCRT5000光电传感器传感器用来判断是否有人来了，它的电路图如附图8所示。
所述的串口型触摸屏可采用威纶通的触摸屏。
所述的无线通信接收装置13的型号为ESP8266。选择无线遥控方式，可以更加方便灵活的对机器人进行操控，不需要人为的活动就可以实现对来访者进行盘查或者方便来访者获知信息，增加了系统的可靠性。
由于光电式测速系统具有低惯量、低噪声、高分辨率和高精度等优点，常用于高精度力矩电机的转速测量与反馈。光电式编码器是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。光电编码器根据其刻度方法及信号输出形式，可分为增量式光电编码器、绝对式光电编码器，本实用新型选用的增量式光电编码器5具有结构简单、机械平均寿命可达几万小时以上、抗干扰能力强、可靠性高、适合长距离传输等优点。请参见附图2所示，增量式光电编码器5作为驱动电机3的转速测量装置，测速原理是通过对单位时间脉冲进行计数。但实际中用于测量的方法，分为以下三种：第一种方法是测量在规定时间内的脉冲个数，即测量频率来计算得到转速值，此方法称为法测频法，它在转速为高速的情况下精度较高。第二种是测量连续二个脉冲之间的时间差从来计算得到实时转速，此方法被称为法周期法，此方法在转速为低速情况下精度较高。第三种是同时测量时间和此时间内脉冲个数来计算得到转速，此方法被称为法频率周期法。此方法结合了以上测频法和测周期法的优点，在实际中较为常用。而本实用新型正是采用第三种测速方法。
请参见附图3所示，控制局域网通信接口bxCAN是指基本扩展CAN，可以很小的CPU负荷来高效传输和处理大量报文。同时还支持报文发送的优先级请求，即优先级可通过软件进行配置。对于安全性要求严格的实际应用，其还可以提供支持时间触发信息功能的所有通信功能。鉴于CAN总线具有的以上优势，本实用新型中CAN总线主要用来进行驱动电机3的控制，由于主控芯片内嵌CAN总线控制器，可通过CAN总线高速接收芯片6TJA1050与CAN总线连接，这为移动平台的控制提供了可靠的有线通信。
请参见附图4所示，操作人员可通过无线通信接收装置13通过上位机发出相关运动指令，可在复杂环境中保证其行进的安全性。而在通信时无线数据传输的高速性、稳定性和准确性，直接关系到整个控制系统在远程无线控制下的工作可靠性，故无线模块的选择尤为重要。
请参见附图5及附图6所示，主控部分采用STM32103c8t6+ESP8266构成，传感器部分有三色灯7、粉尘传感器8、雨量传感器9、温湿度传感器10及光电传感器11构成。通过单片机芯片2把采集到的传感器信息上传到云端，然后云端将信息发送到楼宇内人员的手机端，供保安和楼宇内工作人员查询信息。STM32将设备的信息通过USART2传给ESP8266，然后将控制设备和可读传感器进行处理，把处理后的结果传递给结构体设备变量，通过定时器，一直定时向云端上报信息。
本实用新型通过添加7寸触摸屏实现外来人员找人和咨询事情的查询服务功能，同时当有人在查询信息时获得一个反馈信息，实现简单的安防功能。楼宇内的工作人员和保安可以通过连接WiFi，使用手机APP实时获取室外环境信息，从而完成一个为整个楼宇人员服务的一个智能楼宇安防机器人。
保安通过无线遥控器的摇杆可以直接控制机器人前进、后退、左平移、右平移、向左旋转和向右旋转，安保人员坐在室内即可轻松地控制机器人完成安防工作，减轻了安保人员的工作负担，增加了工作乐趣，同时降低了安防工作的成本。
保安和楼宇内工作人员通过手机APP即可实时获取楼宇外的温湿度、空气质量和雨量。能够判断是否下雨和是否有人在机器人旁通过屏幕查询信息。通过这些信息可以方便楼宇内工作人员的出行。显示部分使用串口屏显示传感器的信息，并且给来找人和咨询事情的人提供查询信息。通触摸屏设计的多级式菜单设定外来人员的需求信息，增进了人机交互的灵活性。
本实用新型创造性地将一些常用的环境信息通过WiFi发送到手机APP上，将这项功能融入到安防服务机器人中，可以更好地服务楼宇内的人员，为人们出行提供方便。
综上所述，本实用新型摒弃了现有的监控系统的固定模式，不仅提高了监控系统的灵活性，而且不存在监控死角。机器人在自动巡逻模式下可以把数据发送到智能终端设备以实现实时监控及安防功能。此外，本实用新型不需要另外架设监控线路，适应性强，即投即用，简单、方便、经济、可靠。
以上所述仅为本实用新型的优选实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用附属在其他相关产品的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。
Claims (8)
1.一种基于单片机和物联网的智能楼宇安防服务机器人，其特征在于：包括多个四轮驱动轮、单片机芯片、多个驱动电机、多个直流电机驱动装置、多个增量式光电编码器、CAN总线高速接收芯片、三色灯、粉尘传感器、雨量传感器、温湿度传感器、光电传感器、串口型触摸屏及无线通信接收装置；所述的多个四轮驱动轮分别间隔安装在机器人底盘上，所述的多个驱动电机的输出轴分别与所述的多个四轮驱动轮的轮轴同轴连接且同步转动，所述的多个驱动电机分别通过所述的多个直流电机驱动装置与所述的单片机芯片连接；所述的多个增量式光电编码器分别间隔安装在机器人底盘上，所述的多个增量式光电编码器分别与所述的多个驱动电机对应连接；所述的单片机芯片上设有控制局域网通信接口，CAN总线通过所述的CAN总线高速接收芯片连接在所述的单片机芯片的控制局域网通信接口上；所述的三色灯、粉尘传感器、雨量传感器、温湿度传感器及光电传感器分别与所述的单片机芯片连接，所述的单片机芯片通过所述的无线通信接收装置外接智能终端。
2.根据权利要求1所述的基于单片机和物联网的智能楼宇安防服务机器人，其特征在于：所述的四轮驱动轮为麦克纳姆轮，且所述的麦克纳姆轮的滚子与地面呈45°依次排列。
3.根据权利要求1所述的基于单片机和物联网的智能楼宇安防服务机器人，其特征在于：所述的单片机芯片的型号为STM32F405RGT6。
4.根据权利要求1所述的基于单片机和物联网的智能楼宇安防服务机器人，其特征在于：所述的直流电机驱动装置的型号为AQMH3615NS。
5.根据权利要求1所述的基于单片机和物联网的智能楼宇安防服务机器人，其特征在于：所述的CAN总线高速接收芯片的型号为TJA1050。
6.根据权利要求1所述的基于单片机和物联网的智能楼宇安防服务机器人，其特征在于：所述的温湿度传感器的型号为DHT11。
7.根据权利要求1所述的基于单片机和物联网的智能楼宇安防服务机器人，其特征在于：所述的光电传感器的型号为TCRT5000。
8.根据权利要求1所述的基于单片机和物联网的智能楼宇安防服务机器人，其特征在于：所述的无线通信接收装置的型号为ESP8266。
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| CN114689052A (zh) * | 2021-10-19 | 2022-07-01 | 江苏理工学院 | 一种室内安防机器人系统及其自主导航方法 |
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