机器狗——基于物联网技术的可移动智能监测装置

机器狗——基于物联网技术的可移动智能监测装置

林姿妤 林佳怡 倪伟龙 陈贵玲 胡佳欣 龙春晓 戴家兴

绍兴文理学院 浙江 绍兴 312000

摘 要：在我国已全面决胜小康社会的背景下，人们不仅追求物质富裕，更渴望高质量的生活享受，而伴随着家电设备待机引起严重电力资源浪费、室内空气污染危害健康、陌生人私闯民宅、家庭安全得不到充分保障等现象的浮现，家庭环境状态令人堪忧。本装置以狗为原型设计，凭借“一物操控万物”的创新方式，自由移动地进行高度集成化管理，实现无死角监测，从而打造安全、舒适、健康的家庭环境，弥补市场相关产品缺陷，服务未来智慧家庭数字经济微生态。

关键词：物联网；环境监测；人脸识别；实时交互；智慧家庭

智慧家庭被认为是下一个蓝海市场，并且随着人工智能科技化、现代化高速发展，为迎合居民对家庭环境的个性化需求，已有不少智能产品进入家庭，帮助人们提高生活质量，改善家庭环境。然而，当前市场已推出的诸多产品存在价格昂贵、安装操作复杂、安装位置固定化、互联问题严重等缺陷，导致发展脚步停滞，无法普及大众生活，并且设计功能无法满足人群真正的生理和心理需求。而本装置以狗为原型，创新应用狗独特的功能特点，设计成有敏锐洞察能力、快速反应能力、高度警惕能力及高效执行能力的高度集成化管理的物联网智能监测装置，由机器狗与配套APP组成，两者基于物联网交互信息，机器狗根据用户指令监控、操作家庭环境及家用电器。

1 家庭安全卫士机器狗设计

1.1 系统总体方案

机器狗以物联网技术与用户信息互通及操控家居，以人脸识别技术分辨外来人，匹配数据库信息，并检测家居待机状态，以环境检测技术收集空气质量信息，以循迹避障技术获取道路巡逻信息。

1.2 硬件设计

1.2.1 物联网模块

此模块包括G510物联网模块和HC-05蓝牙模块，前者连接网络，获取服务端口信息，同时访问服务器读写数据，实现机器狗与APP数据互传。后者连接多设备，有命令响应模式与自动连接工作模式，通过命令响应模式中的AT指令集实现机器狗与家电设备通讯。

G510物联网模块供应机智云固件(GAgent)版本，外挂MCU与模组通信即可使模组、APP、云服务相联通，以实时传输家庭情况数据至APP的数据库中。HC-05蓝牙模块作为一款低功耗短距离通讯设备，当处于自动连接工作模式时，会根据预设自动连接数据传输；当处于命令响应模式时，会向模块发送各种AT指令，以设置控制参数或发出控制命令。

1.2.2 人脸识别模块

此模块兼有openmv与云台，装置接收CPU发送的信号后，openmv开始扫描人脸，云台追踪检测人脸，避免摄像头死角问题，并通过其中已内置的Haar-like特征反映图像的灰度变化情况和LBP算子描述图像局部纹理特征，从而识别人脸特征，并最终将相应数据及openmv拍摄到的画面反馈至APP中。

1.2.3 环境监测模块

此模块集成MQ-7一氧化碳传感器、CCS811 HDC1080传感器^[3][4]，将环境的多项指标以数据形式采集至MCU中，经单片机对数据快速处理后，再在物联网模块支持下，实时传送至APP中，监控家庭环境空气质量。

CCS811 HDC1080传感器通过滤除杂质和干扰气体的功能调理气体样品，并直接接触气体检测气体浓度，进而将温湿度、二氧化碳气体体积分数转化成对应电信号。MQ-7一氧化碳传感器的模拟量输出电压的范围为0~5V，且随浓度的升高而升高。当其未检测到被测气体时AOUT端电压约1V；当检测到被测气体时，电压每升高0.1V，实际被测气体的浓度增加200ppm，其单片机按照该参数将测得的模拟量电压值转换为浓度值。

1.2.4 循迹避障模块

此模块包括RPR220红外传感模块、LM393红外模块及HC-SR04超声波模块。机器狗在红外循迹模块检测轨迹的帮助下按设定轨迹巡逻，结合使用红外避障与超声波避障，更高效判断道路上是否遇到障碍物。

循迹电路由RPR220红外光电传感器检测和循迹，以AT24C02单片机作为核心控制器件，依据红外反射式光电传感器的循迹原理检测路面信息，由单片机获取、分析、处理路面信息后，再操控步进电机调整转向与转速。

LM393红外避障模块具有强环境光线适应能力，由其电位器旋钮调节探测距离，依据三角测距原理主动实行红外线反射，并通过目标的反射率及形状计算目标距离。同时为实现检测透明事物，采用了距离精准、盲区范围小、测距稳定的HC-SR04模块进行超声波避障，其工作原理与雷达测距原理相似^[2]。

2 APP客户端

APP客户端内容丰富完善，包括数据显示、指令下达、画面投放、机器狗设置等页面，同时配备热点话题、产品更新、积分商城、售后服务等附加功能，从而实现与机器狗维持实时人机交互状态，合力打造满意的家庭环境。其前台总体设计结构模块如图5所示。

图 1前台总体结构模块设计图

3 结语

现代人对生活质量的要求随着科学技术的发展在不断提升，智慧家庭现有产品存在的问题亟待解决。因此，为提升人们生活质量，必须打造出功能更为强大的智能家居产品。本装置从用户对家庭环境的真实需求出发，不仅解决人们需要自己管理家庭环境的烦恼，还为用户量身打造一个舒适健康安全的家庭环境。

参考文献：

[1]吕闪,金巳婷,沈巍.基于STM32的循迹避障智能小车的设计[J].计算机与数字工程,2017(3).

[2]王力,彭云,雷国强,等.基于HT32F1656单片机的云智能家庭管家机器人[J].集成电路应用,2019,v.36;No.310(07):128-130.

[3]李云强.基于智能手机的厨房环境监测系统的设计[J].昆明理工大学学报(自然科学版),2019,44(04):55-63.DOI:10.16112/j.cnki.53-1223/n.2019.04.009.

[4]张艳秋,李达,陈琦,等.智能家居产品综述[J].传感器世界,2011,17(008):13-17.