千承輝，綦振偉，張 楠，張興宇，劉鴻石

(吉林大學儀器科學與電氣工程學院，長春130026)

0 引 言

隨著城市規(guī)模的不斷擴大，安防工作在當今社會發(fā)揮著越來越重要的作用。長期以來，安防工作一直沿用傳統(tǒng)的人工巡邏體制，巡邏的路線、時間、頻率以及密度都不盡合理。所以難免出現(xiàn)人力浪費，事倍功半以及由于巡邏人員責任心不強而造成消極怠工玩忽職守的現(xiàn)象。以至于企業(yè)和單位常常投入大量的人力、物力、財力卻依然難以起到理想的安防效果［1］。

智能安防巡邏小車集多種傳感器于一體，能實時監(jiān)測巡邏地的各項環(huán)境指標參數(shù)，并可以在緊急情況，如:火災、外來人員入侵等事件突發(fā)時進行自動報警。巡邏車通過攝像頭進行循跡和避障，使用光強傳感器采集光強并為其提供照明，通過無線收發(fā)模塊傳輸視頻，并通過上位機實現(xiàn)遠程檢測控制。巡邏車還可以實現(xiàn)智能充電。智能安防巡邏車的自主巡邏和遠程監(jiān)控具有靈活便利，穩(wěn)定性強等優(yōu)點，能在人少值守的情況下實現(xiàn)全方位監(jiān)控巡邏地以保障安全，節(jié)約了人力物力并提高了巡邏效率［2］。

智能安防巡邏車的研發(fā)克服了傳統(tǒng)巡邏體制的不足，是一種能自主巡邏、采集信息、智能充電、精確定位的先進設備。巡邏車采用先進的控制系統(tǒng)和算法，不僅能出色完成巡邏任務，而且對智能化控制系統(tǒng)的研究更進一層，對汽車工業(yè)也有很大的推廣作用［3］。

1 系統(tǒng)設計

智能安防巡邏小車采用飛思卡爾主控芯片K60與外加單片機MSP430相互協(xié)調(diào)控制整個系統(tǒng)穩(wěn)定運行。其中主控制器主要控制小車的正常行駛、速度調(diào)節(jié)和無線傳輸?shù)裙δ埽o助控制器主要執(zhí)行煙霧報警、溫度檢測、光強檢測、電量管理和語音提示等多種傳感功能。

在巡邏時，小車通過攝像頭檢測前方路況，在空曠路面巡邏時，小車行駛較快，一旦進入易發(fā)事故地點，小車將放慢速度仔細巡邏。其多種傳感器可以感知環(huán)境變化，一旦檢測到煙霧和火焰，小車將發(fā)出報警信號。小車通過超聲波實時進行動態(tài)監(jiān)測，當外來人員入侵時，小車會發(fā)出語音警告并向終端報警。一旦小車的電量低于設定值，小車便會停止巡邏自動返回出發(fā)地點等待充電。此外，為克服傳統(tǒng)GPS定位的不精準性，設計了有效的定位算法對小車進行實時定位，這樣一旦有情況發(fā)生，便能及時趕到事發(fā)地點，提高巡邏效率。

2 巡邏車的硬件設計

巡邏車具有完善的傳感器系統(tǒng)［4］、運動控制算法、實時通信的能力以及可靠的執(zhí)行機構［5］。系統(tǒng)整體結(jié)構圖如圖1所示。

首先小車裝有溫度傳感器、煙霧傳感器、光強傳感器和超聲波等多種傳感器，實時采集環(huán)境信息。

1)采用熱敏電阻加A/D轉(zhuǎn)換的方式進行溫度監(jiān)測，熱敏電阻具有靈敏可靠的優(yōu)點［6］，A/D轉(zhuǎn)換器兼有抑制串模干擾能力強、分辨力高、線性度好、成本低等優(yōu)點［7］，解決了DS18B20精度不高測溫范圍較低的問題。

2)煙霧傳感器利用火災發(fā)生初期，燃料急劇氧化釋放的氣溶膠粒子及煙霧進入檢測電離室后，吸附并中和正負離子，使電離電流急劇減少，改變了離子電流平衡狀態(tài)，在中間電極產(chǎn)生一個與被測煙霧濃度呈正比的電壓增量，通過分析電壓增量的變化進行火災的預警［8］。

3)攝像頭采集圖像受光強影響，采用光強傳感器BH1750采集光強并為其提供不同程度的照明。該芯片具有I2C總線接口、對應大范圍輸入光、功率低、內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換器和無需外接部件等優(yōu)點［9］。

4)對入侵人員的檢測依靠超聲波傳感器實現(xiàn)，超聲波測距是一種有效的非接觸式測距方法，其原理是超聲波傳感器可以發(fā)生一定頻率的超聲波并借助空氣媒質(zhì)傳播，到達測量目標或障礙物后反射回來，通過計算傳輸時間得出距離［10］。將其與360°旋轉(zhuǎn)舵機連接實現(xiàn)對四周的監(jiān)測，超聲波模塊將在每個方位上連續(xù)掃描，將超聲波掃描到的前一周期的位置信息與后一周期的位置信息相比較，實現(xiàn)對動態(tài)物體的檢測。根據(jù)舵機轉(zhuǎn)角確定目標位置信息，CPU控制攝像頭轉(zhuǎn)向?qū)δ繕诉M行監(jiān)控并發(fā)出語音提示，成功地解決了熱釋電傳感器識別距離短和靈敏度低的問題［11］。

其次，智能安防巡邏小車通過攝像頭循跡完成正常行駛，通過無線通訊實現(xiàn)遠程監(jiān)控［12］。采用攝像頭進行路徑識別，其工作原理是用攝像頭提取小車前方道路的圖像，獲得小車前方的路況信息［13］(見圖2)，再將采集到的圖像通過軟件進行二值化［14］(攝像頭采集灰度圖像的閥值大于預設值時將其置1，相反則置0)(見圖3)。根據(jù)二值化圖像采用PID(Proportional Integral Differential)算法對舵機和電機控制［15］，最終使小車沿著預定的道路前進［16］。采用攝像頭提高了軌道信息采集速度，解決了高速狀態(tài)下紅外對管循跡穩(wěn)定性差的問題。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構圖Fig.1 The structure of the system

圖2 路況信息圖Fig.2 Traffic information graph

圖3 二值化圖像Fig.3 The two value image

攝像頭將采集到的圖像通過無線模塊傳送給在Windows系統(tǒng)平臺下搭建的上位機，進而實現(xiàn)對巡邏車的遠程控制［17］，上位機界面如圖4所示。在自主巡邏的基礎上，可以在既定路線對小車的速度進行設定，在走廊等空曠安全的路面巡邏時，小車的行駛設定為快速，以節(jié)約時間、提高巡邏效率，一旦進入巡邏地點，小車將放慢巡邏速度，以全面細致巡邏，保障巡邏質(zhì)量。

再次，巡邏車在工作中一旦檢測到突發(fā)情況會發(fā)生報警，需要實時了解小車的具體位置，以便及時采取措施，保證巡邏地點的安全。通過測速碼盤將速度信息經(jīng)過計算轉(zhuǎn)換成距離信息，并計算與初始點的距離，通過Windows平臺呈現(xiàn)出當前位置，并在每個巡邏周期重新初始化定位原點，避免因多次巡邏的誤差累計造成的定位誤差較高的問題。

最后，智能安防巡邏車通過輔助控制器進行AD采集轉(zhuǎn)換實現(xiàn)對小車電量的檢測，當小車電池的電量低于預定值時，小車將停止巡邏，自動返回到出發(fā)位置，等待充電。

智能安防巡邏小車完善的傳感功能能全面檢測巡邏地點的各項環(huán)境指標，在第一時間檢測到火災、盜竊等潛在的威脅安全的因素。智能的循跡避障、電量管理、速度調(diào)節(jié)和實時定位等功能讓小車可以暢通無阻地進行巡邏，保障巡邏效率，大大節(jié)省了人力和物力，具備很強的開發(fā)潛力和市場競爭力。

圖4 上位機軟件界面Fig.4 PC software interface

3 巡邏車的軟件設計

該系統(tǒng)選用K60與MSP430單片機進行數(shù)據(jù)處理，采用C語言對軟件部分進行開發(fā)，使軟件具有可讀性好，可移植性好等特點［18］。整個系統(tǒng)的程序采用子程序調(diào)用的模塊化設計方式，各個子程序塊設計相對獨立，便于后期的修改和調(diào)整。程序的流程如圖5所示。

圖5 程序流程圖Fig.5 Program flow chart

4 測試與分析

由于定位算法是在巡邏車行駛距離的基礎上完成的，為了保證定位準確，對巡邏車真正行使距離X和處理器測得數(shù)據(jù)Y進行多次測試，測試結(jié)果如表1所示。

表1 行駛距離與測量距離測試結(jié)果Tab.1 The travel distance and distance measurement test

同時又測試了超聲波檢測入侵人員的準確程度，其中A表示有物體靠近，B表示有物體遠離，C表示有物體不動，測試結(jié)果如表2所示。

表2 超聲波檢測入侵人員測試結(jié)果Tab.2 Test results of ultrasonic intrusion detection

巡邏車能否在光線較暗的地方行駛?cè)Q照明系統(tǒng)，于是對照明系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性進行測試，測試結(jié)果如表3所示。

表3 照明系統(tǒng)穩(wěn)定性測試結(jié)果Tab.3 Lighting system stability test

誤差分析:1)行駛距離是通過光電碼盤測量的，其原理是記錄脈沖的個數(shù)最后轉(zhuǎn)化為距離，因為小車行駛與計數(shù)不能做到完全同步，由此會引發(fā)±1誤差，從測試結(jié)果可看出，最大相對誤差為3%，隨著行駛距離的不斷增大，其相對誤差在不斷減小，因此分析在實際巡邏過程中，行駛距離和測量距離差距不大;2)小車在行駛過程中晃動會影響計數(shù)的準確性，對實驗結(jié)果影響較大，但從測試結(jié)果可以看出，最終測試誤差不大，可對行駛距離數(shù)據(jù)進行處理，完成對巡邏車的定位。超聲波測距的原理與此類似，由測試結(jié)果可以看出，超聲波能正確檢測出是否有入侵人員，在巡邏過程中基本不會產(chǎn)生錯誤報警，從而保障了巡邏的有效性。

5 結(jié)語

智能安防巡邏小車完善的傳感功能、精準的運動控制算法、實時通信的能力以及可靠的執(zhí)行機構無一不顯示了其廣闊的應用前景。其自主巡邏功能配合安防人員共同完成巡邏工作，很大程度上減輕了人工強度和物力投資，有效地避免由于人為因素造成的安全疏忽和經(jīng)濟損失。另一方面，智能安防巡邏小車的多種傳感檢測功能，可以實時檢測被巡邏場所的各項環(huán)境參數(shù)，從而及時全面地排除了多種隱患，有力地保障了被巡邏場所能時刻處于良好的安全狀態(tài)。智能安防巡邏小車作為新時期人類運用科技，解決生活問題的創(chuàng)新產(chǎn)物，還具有靈活高效、方便實用、易于普及推廣的優(yōu)點，可廣泛應用于社區(qū)、學校等多種場所，有著良好的應用前景和發(fā)展空間。

［1］陳志華，謝存禧，曾懷德.巡邏機器人的研究現(xiàn)狀與應用前景［J］.機械工程技術，2003，32(6):19-21.CHEN Zhihua，XIE Cunxi，ZENG Huaide.Patrol Robot Research Status and Application Prospect ［J］.Mechanical Engineering Technology，2003，32(6):19-21.

［2］姜悅悅，王宏華.基于多傳感器信息融合的智能安保巡邏小車［J］.電氣技術與自動化，2012，41(6):203-205.JIANG Yueyue，WANG Honghua.Intelligent Security Based on Multi Sensor Information Fusion Patrol Car［J］.Electric Technology and Automation，2012，41(6):203-205.

［3］應翔，雷鵬飛，高坎貸，等.智能巡邏車的系統(tǒng)分析與實現(xiàn)［J］.福建電腦，2010，26(3):11-16.YING Xiang，LEI Pengfei，GAO Kandai，et al.Analysis and Implementation of the System of Intelligent Patrol Car［J］.Fujian Computer，2012(1):203-205.

［4］蔡自興.機器人學的發(fā)展趨勢和發(fā)展戰(zhàn)略［J］.機器人技術與應用，2001(4):188-216.CAI Zixing.Robotics Trends and Development Strategy［J］.Robot Technique and Application，2001(4):188-216.

［5］祝宏，曾祥進.多傳感器信息融合研究綜述［J］.計算機與數(shù)字工程，2007(12):46-48.ZHU Hong，ZENG Xiangjin.Multi-Sensor Information Fusion Research ［J］.Computer and Digital Engineering，2007(12):46-48.

［6］胡潤鋒.NTC熱敏電阻溫度傳感器［J］.技術與應用，2001(7):26-29.HU Runfeng.NTC Thermistor Temperature Sensor［J］.Technology and Applications，2001(7):26-29.

［7］馬凈，李曉光，寧偉.幾種常用溫度傳感器的原理及發(fā)展［J］.中國儀器儀表，2004(6):1，46.MA Jing，LI Xiaoguang，NING Wei.The Principle of Some Temperature Transducer in Common Use and Development［J］.Several Commonly Used Temperature Sensor China Instrumentation，2004(6):1，46.

［8］陳章其，吳沖若.火災傳感器［J］.電子器件，1995(3):55-58.CHEN Zhangqi，WU Chongruo.Fire Sensor［J］.Electronics，1995(3):55-58.

［9］何安科.基于STM32與光強傳感器BH1750的無線路燈控制系統(tǒng)［J］.企業(yè)科技與發(fā)展，2011(20):15-17.HE Anke.Based on the STM32 and Light Intensity Sensor BH1750 Wireless Street Lamp Control System［J］.Development of Science and Technology Enterprises，2011(20):15-17.

［10］沙愛軍.基于單片機的超聲波測距系統(tǒng)的研究與設計［J］.電子科技，2009(11):57-61.SHA Aijun.Research and Design of Ultrasonic Ranging System Based on Single Chip Microcomputer［J］.Electronic Technology，2009(11):57-61.

［11］吳傳貴，劉興釗，張萬里，等.熱釋電薄膜在紅外探測器中的應用［J］.紅外，2004(3):5-10.WU Chuangui，LIU Xingzhao，ZHANG Wanli，et al.Application of Pyroelectric Thin Films in Infrared Detector ［J］.Infrared，2004(3):5-10.

［12］王勝源，張洪武，趙凱，等.無線收發(fā)模塊在多機通信中的設計與實現(xiàn)［J］.吉林大學學報:理學版，2006，44(3):470-472.WANG Shengyuan，ZHANG Hongwu，ZHAO Kai，et al.Design and Realization of Wireless Transceiver Module in Communication of Many Machines［J］.Journal of Jilin University:Science Edition，2006，44(3):470-472.

［13］孫寶法，張曉玲.用攝像頭循跡的智能車的硬件設計系統(tǒng)［J］.Value Engineering，2013(30):201-202.SUN Baofa，ZHANG Xiaoling.Use Camera Tracking the Hardware Design of a Smart Car System ［J］.Value Engineering，2013(30):201-202.

［14］李旭東，廖中浩，孟嬌.基于CMOS攝像頭的智能車控制系統(tǒng)設計及實現(xiàn)［J］.吉林大學學報:信息科學版，2013，31(4):414-418.LI Xudong，LIAO Zhonghao，MENG Jiao.Intelligent Vehicle Control System Design Realization Based on CMOS Camera［J］.Journal of Jilin University:Information Science Edition，2013，31(4):414-418.

［15］韻卓，陳龍冬，劉富.基于飛思卡爾單片機的智能電動小車設計［J］.吉林大學學報:信息科學版，2013，31(3):272-278.YUN Zhuo，CHEN Longdong，LIU Fu.Design of Intelligent Electric Vehicle Based on Freescale Microcontroller［J］.Journal of Jilin University:Information Science Edition，2013，31(3):272-278.

［16］李興澤，王福平.基于CCD攝像頭的小區(qū)自動循跡停車系統(tǒng)［J］.計算機應用，2013，33(S1):321-323.LI Xingze，WANG Fuping.Automatic Tracking the Parking System Cell Based on CCD Camera ［J］.Computer Application，2013，33(S1):321-323.

［17］蔣學潤，李中華，毛宗源.基于VB的數(shù)據(jù)采集智能模塊與上位機串行通信的實現(xiàn)［J］.自動化與儀表，2003(6):61-63.JIANG Xuerun，LI Zhonghua，MAO Zongyuan.Realization of Serial Communication between Intelligent Module and Host Computer in VB Environment［J］.Automation and Instrumentation，2003(6):61-63.

［18］詹新生，張江偉.基于AT89S51的無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計［J］.實驗室研究與探索，2011，30(4):199-202.ZHAN Xinsheng，ZHANG Jiangwei.Design of Wireless Data Acquisition System Based on AT89S51 ［J］.Research and Exploration in Laboratory，2011，30(4):199-202.