【IoT畢業(yè)設(shè)計】樹莓派開發(fā)板+機智云IoT+監(jiān)測機器人

摘要:以小車為基底，以樹莓派開發(fā)板為中心，搭載攝像頭、傳感器等數(shù)據(jù)采集設(shè)備，采用CC2530為傳感器處理器、ZigBee技術(shù)為無線傳輸，實現(xiàn)了各節(jié)點間的通信。以ItChat微信機器人框架為基礎(chǔ)，二次開發(fā)植入百度AI開放平臺的語音技術(shù)、圖靈機器人的中文環(huán)境對話技術(shù)和機智云技術(shù)，以達到使用微信客戶端文本或語音輸入控制與管理設(shè)備的效果，解決了家電設(shè)備之間的互聯(lián)互控互通問題，同時具備一次性或周期性定時功能，使人們在享受舒適生活環(huán)境的同時實現(xiàn)節(jié)能。

前言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，智能家居的理念已經(jīng)深入人心。按鍵、紅外遙控器等傳統(tǒng)控制方式易受環(huán)境的影響，且不能實現(xiàn)遠程控制[1]。若使用產(chǎn)品專用App進行控制，雖然高效便捷、靈活性高，但兼容性差，不同廠家的智能家電無法實現(xiàn)互聯(lián)互通，不便于統(tǒng)一管理。

機智云開發(fā)者本次研究中設(shè)計了一個基于ItChat和樹莓派的環(huán)境監(jiān)測機器人。在硬件層面，機器人可以通過樹莓派小車進行實時、可移動的環(huán)境監(jiān)測；在軟件層面，機器人可以根據(jù)環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過微信客戶端靈活地控制各個設(shè)備[2]。該系統(tǒng)不僅能實現(xiàn)智能設(shè)備之間的互聯(lián)互通，而且具有定時任務(wù)功能，可以根據(jù)工作需要進行定時設(shè)置，以達到節(jié)能效果。

1系統(tǒng)組成

樹莓派機器人主要采用小車底盤作為基底，搭載樹莓派作為ARM主控板，攜帶攝像頭和WiFi模塊實現(xiàn)視頻通信，配備ZigBee協(xié)調(diào)器實現(xiàn)無線傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)采集和傳輸，結(jié)合遠程控制程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)互通和遠程控制[3]。系統(tǒng)整體框架如圖1所示。

圖1系統(tǒng)整體框架

遠程控制端主要包括云服務(wù)、用戶和網(wǎng)絡(luò)端三大部分。

云服務(wù)：提供設(shè)備接入的服務(wù)器，App和終端所發(fā)送的數(shù)據(jù)都將通過服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)至設(shè)備，以實現(xiàn)用戶設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸。

用戶：包括App和微信客戶端，用戶可以通過App或微信客戶端進行系統(tǒng)管理，如設(shè)備綁定、控制使用等。

網(wǎng)絡(luò)端：一臺路由器或AP分享網(wǎng)絡(luò)連接的聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，終端通過聯(lián)網(wǎng)設(shè)備接入到Internet中。

2硬件系統(tǒng)設(shè)計

2.1樹莓派機器人硬件系統(tǒng)設(shè)計

本次研究以雙層小車搭載樹莓派B+作為主硬件系統(tǒng)，樹莓派體積小，搭載使用方便，基于Linux系統(tǒng)開源的特性使其具有多元性。ARM主控板一方面實現(xiàn)了傳感器節(jié)點模塊之間的數(shù)據(jù)傳輸和匯集，另一方面還搭載了攝像頭和電機驅(qū)動模塊，利用L298N電機驅(qū)動電路控制小車運動，達到移動監(jiān)控的目的，能夠擴大數(shù)據(jù)采集的范圍[4]。另外，在底板的前部和后部分別安裝了超聲波傳感器，能夠避免碰撞。

2.2傳感器節(jié)點硬件系統(tǒng)設(shè)計

采用CC2530作為硬件系統(tǒng)的核心板，兩層板的設(shè)計保證了ZigBee終端通信數(shù)據(jù)的準確性。該電路能在無遮擋的情況下，實現(xiàn)100m的有效傳輸距離，以滿足系統(tǒng)需求。為了適應(yīng)不同傳感器的接口需求，系統(tǒng)參考arduino系列的管腳分布電路設(shè)計，適配常用的傳感器，以提高系統(tǒng)的兼容性。同時，系統(tǒng)將CC2530引腳通過排線接出，以便后期靈活添加和調(diào)整[5]。

系統(tǒng)配置DHT11溫濕度傳感器、SW-420震動傳感器、MQ-2煙霧氣敏傳感器和HC-SR501熱釋電紅外傳感器等采集家居環(huán)境參數(shù)，以便作出相應(yīng)操作[6-7]。系統(tǒng)將CC2530的IO口通過排針的方式引出，以便后期擴展使用。

2.3輸出控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

基于傳感器節(jié)點系統(tǒng)所采集的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)可以通過輸出照明設(shè)備或者排插開關(guān)控制設(shè)備。照明設(shè)備或者排插開關(guān)的功能單一，僅需操作GPIO,在GPIO上外接一個高電平驅(qū)動的繼電器，用于控制設(shè)備。

2.4硬件系統(tǒng)整合

將上述各部分進行整合，每個部分主要通過GPIO接口和USB接口與ARM主控板連接。機器人硬件連接圖如圖2所示。

3軟件系統(tǒng)設(shè)計

3.1微信框架ItChat設(shè)計

微信框架ItChat既可以捕獲來自系統(tǒng)、好友和群聊的信息，又可以返回信息，能夠?qū)崿F(xiàn)信息交互。系統(tǒng)融入了機智云AIoT的設(shè)備控制技術(shù)、百度AI開放平臺的語音技術(shù)和圖靈機器人的中文對話技術(shù)等，搭建了一個簡單的中文對話系統(tǒng)[8]。

微信框架ItChat設(shè)計流程如圖3所示，導入所需的庫，進行個性化的參數(shù)設(shè)置，掃描二維碼啟動微信，通過微信監(jiān)聽，等待有效信息并進行處理。

圖3微信框架ItChat設(shè)計流程

3.1.1百度AI語音信息匹配技術(shù)

現(xiàn)在的手機基本都有語音助手，可以先將用戶說的話轉(zhuǎn)換為文本信息，再分析文本信息所表達的含義。使用ItChat將收到的語音消息下載并保存為MP3格式文件。由于百度AI的語音接口不支持MP3格式文件，所以使用Pydub庫和FFmpeg對語音文件作WAV合成處理，最后將合成后的WAV格式文件提交至百度AI。若服務(wù)器成功識別語音文件，則返回識別結(jié)果；反之，則返回錯誤信息。若ItChat收到的是文本消息，則不進行以上處理。

當語音消息轉(zhuǎn)換為文本消息后，可利用百度AI開放平臺提供的Python的相關(guān)SDK進行信息匹配。信息匹配的方法包括利用字符串內(nèi)建方法對簡單文本信息進行檢索、利用正則表達式對復雜文本信息進行匹配等。實現(xiàn)信息匹配后就可以進行定時開關(guān)的控制操作。

3.1.2調(diào)用平臺API

機智云和圖靈機器人僅提供RESTfulAPI風格調(diào)用接口，調(diào)用API時需要向服務(wù)器發(fā)送HTTP請求。Python有Urllib、Urllib2、Requests等網(wǎng)絡(luò)通信庫，既可以用來獲取網(wǎng)站內(nèi)容，又可以用來向Host提交數(shù)據(jù)。Requests庫訪問HTTP的方法有Get、Post、Put、Delete等[9]。

3.1.3設(shè)備聯(lián)動、定時及遠程控制

智能設(shè)備的遠程控制、數(shù)據(jù)獲取、設(shè)備綁定等基本功能和定時、聯(lián)動等高級功能都是通過機智云的WebAPI實現(xiàn)的。WebAPI有豐富的功能接口，如用戶管理、消息中心、綁定管理等。在開發(fā)過程中將它們封裝成一個類，以簡化代碼，方便使用。

3.2照明設(shè)備軟件設(shè)計

系統(tǒng)可使用機智云平臺提供的自助式軟硬件開發(fā)工具，即代碼自動生成工具。只需在“.＼app＼user”文件夾目錄下“user_main.c”文件里面的user_init()函數(shù)下添加外設(shè)初始化代碼，將GPIO4設(shè)為輸出模式。生成代碼前，在數(shù)據(jù)點中添加一個名為“Switch”的數(shù)據(jù)點，機智云事件處理函數(shù)內(nèi)的Switch語句就會有相應(yīng)的開關(guān)事件，當設(shè)備收到來自App的數(shù)據(jù)后便會作出處理。

設(shè)置函數(shù)控制輸出電平的高低，從而控制繼電器的開關(guān)。修改代碼后，將整個源代碼在裝好Tensilica相關(guān)GCC編譯器的Linux環(huán)境下，利用“sudo./gen_misc.sh”編譯生成二進制文件，再采用樂鑫官方下載軟件將其燒寫固件到ESP12-N中。

3.3網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊程序設(shè)計

與Iw-Tools不同，Wpa_Supplicant軟件支持WPA和WPA2加密，能夠較好地保障通訊的安全性[10]。軟件在ArchLinuxARM發(fā)行版上的安裝步驟如下：

(1) 運行“pacman-Sywpa_supplicant”進行軟件安裝。

(2) 運行“nano/etc/wpa_supplicant-wlan0.conf”配置文件。

當機器人與電腦或手機連接的不是同一個WiFi時，就會面臨路由器穿透問題，因為機器人和主控端都在內(nèi)網(wǎng)，沒有公網(wǎng)地址。這時，必須經(jīng)由路由器訪問公網(wǎng)連接機器人網(wǎng)絡(luò)中的路由器，再經(jīng)由機器人網(wǎng)絡(luò)中的路由器訪問機器人。這種轉(zhuǎn)發(fā)顯然不能由安裝在機器人或主控端上的軟件直接完成，因此，需要考慮一種解決方案。

目前市場上的路由器多數(shù)使用的是UPnP技術(shù)，該技術(shù)允許內(nèi)網(wǎng)向特定地址群發(fā)送一個廣播包進行通訊，指示路由器為特定端口放行，即所有公網(wǎng)發(fā)往該端口的數(shù)據(jù)包都將轉(zhuǎn)發(fā)給指示發(fā)起人，進而完成雙端的直接連接。

雖然UPnP技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)雙端轉(zhuǎn)發(fā)，但雙方并不知道對方地址，無法直接建立連接。此時，需要公網(wǎng)上有一臺服務(wù)器提供協(xié)商服務(wù)，可以使用Google開放平臺提供的STUN服務(wù)[11]。

3.4視頻傳輸程序設(shè)計

研究發(fā)現(xiàn)，當攝像頭獲取的圖像靜止時，單位時間內(nèi)的差異非常小，即使有物體運動，背景圖像通常也沒有變化，因此，應(yīng)在傳輸時只傳送變化的部分以節(jié)省帶寬。顯然，對于需要適應(yīng)工作環(huán)境的機器人而言，圖像數(shù)據(jù)的傳輸應(yīng)當是最低優(yōu)先級且允許丟包，但H264壓縮算法若丟失了關(guān)鍵幀(I幀),將導致P幀和B幀無法還原，且每次建立連接都需要再傳輸參數(shù)數(shù)據(jù)(如圖像的尺寸、壓縮算法、幀率等)。

基于以上分析，本次研究采用了常用于機器人的人臉識別或物體移動偵測的跨平臺計算機視覺庫OpenCV。OpenCV經(jīng)由UVC獲取攝像頭圖像，并采用OpenCV的Absdiff方法找尋其與上一幀的差異，將差異塊傳輸至主控端進行覆蓋還原。差異幀是節(jié)省帶寬的關(guān)鍵，但考慮到丟包或擁擠時應(yīng)出讓帶寬給控制指令和傳感器數(shù)據(jù)，因此差異幀只存在2s,每隔2s傳輸一次完整圖像，圖像經(jīng)由JPEG算法壓縮。視頻傳輸時序圖如圖4所示。

4系統(tǒng)測試

4.1傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸測試

為了保證數(shù)據(jù)采集的正確性，首先進行單個傳感器的連接測試，然后將CC2530通過串口與計算機連接，調(diào)試、設(shè)置參數(shù)，觀察PC機接受到的數(shù)據(jù)信息?；谙到y(tǒng)的需求和功耗，將傳感器的采集周期設(shè)定為5s,而對于震動傳感器和紅外傳感器，一旦發(fā)生狀態(tài)變化就立即發(fā)送數(shù)據(jù)。

圖4視頻傳輸時序圖

4.2機器人移動及視頻監(jiān)控性能測試

利用ListView在客戶端底部設(shè)計了小車移動、攝像頭、采集節(jié)點、溫濕度曲線圖等4個圖標，點擊按鈕即可打開相應(yīng)功能并高亮顯示。進入機器人移動控制界面時，實時視頻采集功能便會同時開啟，此時，通過方向按鍵可發(fā)出移動控制指令。機器人移動控制和視頻傳輸演示圖如圖5所示。測試表明，客戶端可以順利控制機器人移動，視頻傳輸正常。

圖5機器人移動控制和視頻傳輸演示圖

4.3微信客戶端的功能實現(xiàn)驗證

4.3.1掃碼綁定設(shè)備及配網(wǎng)

進入主界面后，點擊“掃碼綁定設(shè)備”按鈕，系統(tǒng)開啟攝像頭掃描設(shè)備二維碼，掃碼完成后主界面就會出現(xiàn)該設(shè)備名稱，此時的設(shè)備圖標呈灰色狀態(tài)，說明還未進行配網(wǎng)。點擊“添加設(shè)備”,系統(tǒng)會要求輸入WiFi密碼，完成配網(wǎng)工作之后就會顯示設(shè)備名稱。點開設(shè)備的開關(guān)按鈕，即可控制設(shè)備狀態(tài)。掃碼綁定設(shè)備界面如圖6所示。

圖6掃碼綁定設(shè)備界面

4.3.2語音識別功能驗證

打開微信客戶端機器人，在聊天對話框中發(fā)送一條“打開照明”的語音信息。機器人將識別語音信息，并將信息返回給用戶確認，若沒有接收到錯誤信息，則機器人完成打開照明的操作，并發(fā)送“操作成功”。語音識別驗證如圖7所示。

圖7語音識別驗證

5結(jié)語

本次研究以ARM嵌入式技術(shù)為基礎(chǔ)，設(shè)計了一個可移動的監(jiān)測機器人。從最初的芯片選擇、傳感器配置、網(wǎng)絡(luò)連接和客戶端設(shè)計都是根據(jù)需求靈活定制的，以確保性能最優(yōu)化。通過測試可知，機器人工作性能穩(wěn)定，能夠在靈活監(jiān)測、采集環(huán)境數(shù)據(jù)的同時與樹莓派和客戶端很好地進行數(shù)據(jù)傳輸。

傳感器工作正常，客戶端方便易懂，若投入使用將會有很好的社會應(yīng)用價值。智能機器人的發(fā)展空間巨大，未來可以考慮添加位置記憶的功能，結(jié)合自動尋路算法來完成路線繪制，并用于自動充電，以解決續(xù)航問題，還可以搭載更多的傳感器，使系統(tǒng)更加智能化。