【IoT畢業(yè)設(shè)計(jì)】樹莓派開發(fā)板+機(jī)智云IoT+監(jiān)測(cè)機(jī)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(shí)現(xiàn)了各節(jié)點(diǎn)間的通信。以ItChat微信機(jī)器人框架為基礎(chǔ)，二次開發(fā)植入百度AI開放平臺(tái)的語(yǔ)音技術(shù)、圖靈機(jī)器人的中文環(huán)境對(duì)話技術(shù)和機(jī)智云技術(shù)，以達(dá)到使用微信客戶端文本或語(yǔ)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(shí)具備一次性或周期性定時(shí)功能，使人們?cè)谙硎苁孢m生活環(huán)境的同時(shí)實(shí)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(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制[1]。若使用產(chǎn)品專用App進(jìn)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(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，不便于統(tǒng)一管理。

機(jī)智云開發(fā)者本次研究中設(shè)計(jì)了一個(gè)基于ItChat和樹莓派的環(huán)境監(jiān)測(cè)機(jī)器人。在硬件層面，機(jī)器人可以通過樹莓派小車進(jìn)行實(shí)時(shí)、可移動(dòng)的環(huán)境監(jiān)測(cè)；在軟件層面，機(jī)器人可以根據(jù)環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，通過微信客戶端靈活地控制各個(gè)設(shè)備[2]。該系統(tǒng)不僅能實(shí)現(xiàn)智能設(shè)備之間的互聯(lián)互通，而且具有定時(shí)任務(wù)功能，可以根據(jù)工作需要進(jìn)行定時(shí)設(shè)置，以達(dá)到節(jié)能效果。

1系統(tǒng)組成

樹莓派機(jī)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(shí)現(xiàn)視頻通信，配備ZigBee協(xié)調(diào)器實(shí)現(xiàn)無線傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集和傳輸，結(jié)合遠(yuǎn)程控制程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)互通和遠(yuǎn)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(yuǎn)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(shí)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(jìn)行系統(tǒng)管理，如設(shè)備綁定、控制使用等。

網(wǎng)絡(luò)端：一臺(tái)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(jì)

2.1樹莓派機(jī)器人硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(shí)現(xiàn)了傳感器節(jié)點(diǎn)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(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，利用L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路控制小車運(yùn)動(dòng)，達(dá)到移動(dòng)監(jiān)控的目的，能夠擴(kuò)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(diǎn)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

采用CC2530作為硬件系統(tǒng)的核心板，兩層板的設(shè)計(jì)保證了ZigBee終端通信數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。該電路能在無遮擋的情況下，實(shí)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(jì)，適配常用的傳感器，以提高系統(tǒng)的兼容性。同時(shí)，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(dòng)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(kuò)展使用。

2.3輸出控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

基于傳感器節(jié)點(diǎn)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(gè)高電平驅(qū)動(dòng)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(jìn)行整合，每個(gè)部分主要通過GPIO接口和USB接口與ARM主控板連接。機(jī)器人硬件連接圖如圖2所示。

3軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1微信框架ItChat設(shè)計(jì)

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(jī)智云AIoT的設(shè)備控制技術(shù)、百度AI開放平臺(tái)的語(yǔ)音技術(shù)和圖靈機(jī)器人的中文對(duì)話技術(shù)等，搭建了一個(gè)簡(jiǎn)單的中文對(duì)話系統(tǒng)[8]。

微信框架ItChat設(shè)計(jì)流程如圖3所示，導(dǎo)入所需的庫(kù)，進(jìn)行個(gè)性化的參數(shù)設(shè)置，掃描二維碼啟動(dòng)微信，通過微信監(jiān)聽，等待有效信息并進(jìn)行處理。

圖3微信框架ItChat設(shè)計(jì)流程

3.1.1百度AI語(yǔ)音信息匹配技術(shù)

現(xiàn)在的手機(jī)基本都有語(yǔ)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(dá)的含義。使用ItChat將收到的語(yǔ)音消息下載并保存為MP3格式文件。由于百度AI的語(yǔ)音接口不支持MP3格式文件，所以使用Pydub庫(kù)和FFmpeg對(duì)語(yǔ)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(shí)別語(yǔ)音文件，則返回識(shí)別結(jié)果；反之，則返回錯(cuò)誤信息。若ItChat收到的是文本消息，則不進(jìn)行以上處理。

當(dāng)語(yǔ)音消息轉(zhuǎn)換為文本消息后，可利用百度AI開放平臺(tái)提供的Python的相關(guān)SDK進(jìn)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(duì)簡(jiǎn)單文本信息進(jìn)行檢索、利用正則表達(dá)式對(duì)復(fù)雜文本信息進(jìn)行匹配等。實(shí)現(xiàn)信息匹配后就可以進(jìn)行定時(shí)開關(guān)的控制操作。

3.1.2調(diào)用平臺(tái)API

機(jī)智云和圖靈機(jī)器人僅提供RESTfulAPI風(fēng)格調(diào)用接口，調(diào)用API時(shí)需要向服務(wù)器發(fā)送HTTP請(qǐng)求。Python有Urllib、Urllib2、Requests等網(wǎng)絡(luò)通信庫(kù)，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(kù)訪問HTTP的方法有Get、Post、Put、Delete等[9]。

3.1.3設(shè)備聯(lián)動(dòng)、定時(shí)及遠(yuǎn)程控制

智能設(shè)備的遠(yuǎn)程控制、數(shù)據(jù)獲取、設(shè)備綁定等基本功能和定時(shí)、聯(lián)動(dòng)等高級(jí)功能都是通過機(jī)智云的WebAPI實(shí)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(gè)類，以簡(jiǎn)化代碼，方便使用。

3.2照明設(shè)備軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)可使用機(jī)智云平臺(tái)提供的自助式軟硬件開發(fā)工具，即代碼自動(dòng)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(diǎn)中添加一個(gè)名為“Switch”的數(shù)據(jù)點(diǎn)，機(jī)智云事件處理函數(shù)內(nèi)的Switch語(yǔ)句就會(huì)有相應(yīng)的開關(guān)事件，當(dāng)設(shè)備收到來自App的數(shù)據(jù)后便會(huì)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(gè)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(jìn)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(jì)

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(yùn)行“pacman-Sywpa_supplicant”進(jìn)行軟件安裝。

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

當(dāng)機(jī)器人與電腦或手機(jī)連接的不是同一個(gè)WiFi時(shí)，就會(huì)面臨路由器穿透問題，因?yàn)闄C(jī)器人和主控端都在內(nèi)網(wǎng)，沒有公網(wǎng)地址。這時(shí)，必須經(jīng)由路由器訪問公網(wǎng)連接機(jī)器人網(wǎng)絡(luò)中的路由器，再經(jīng)由機(jī)器人網(wǎng)絡(luò)中的路由器訪問機(jī)器人。這種轉(zhuǎn)發(fā)顯然不能由安裝在機(jī)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(chǎng)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(gè)廣播包進(jìn)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(jìn)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(duì)方地址，無法直接建立連接。此時(shí)，需要公網(wǎng)上有一臺(tái)服務(wù)器提供協(xié)商服務(wù)，可以使用Google開放平臺(tái)提供的STUN服務(wù)[11]。

3.4視頻傳輸程序設(shè)計(jì)

研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)攝像頭獲取的圖像靜止時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)的差異非常小，即使有物體運(yùn)動(dòng)，背景圖像通常也沒有變化，因此，應(yīng)在傳輸時(shí)只傳送變化的部分以節(jié)省帶寬。顯然，對(duì)于需要適應(yīng)工作環(huán)境的機(jī)器人而言，圖像數(shù)據(jù)的傳輸應(yīng)當(dāng)是最低優(yōu)先級(jí)且允許丟包，但H264壓縮算法若丟失了關(guān)鍵幀(I幀),將導(dǎo)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(jī)器人的人臉識(shí)別或物體移動(dòng)偵測(cè)的跨平臺(tái)計(jì)算機(jī)視覺庫(kù)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(jìn)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(shí)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(shí)序圖如圖4所示。

4系統(tǒng)測(cè)試

4.1傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸測(cè)試

為了保證數(shù)據(jù)采集的正確性，首先進(jìn)行單個(gè)傳感器的連接測(cè)試，然后將CC2530通過串口與計(jì)算機(jī)連接，調(diào)試、設(shè)置參數(shù)，觀察PC機(jī)接受到的數(shù)據(jù)信息。基于系統(tǒng)的需求和功耗，將傳感器的采集周期設(shè)定為5s,而對(duì)于震動(dòng)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(shí)序圖

4.2機(jī)器人移動(dòng)及視頻監(jiān)控性能測(cè)試

利用ListView在客戶端底部設(shè)計(jì)了小車移動(dòng)、攝像頭、采集節(jié)點(diǎn)、溫濕度曲線圖等4個(gè)圖標(biāo)，點(diǎn)擊按鈕即可打開相應(yīng)功能并高亮顯示。進(jìn)入機(jī)器人移動(dòng)控制界面時(shí)，實(shí)時(shí)視頻采集功能便會(huì)同時(shí)開啟，此時(shí)，通過方向按鍵可發(fā)出移動(dòng)控制指令。機(jī)器人移動(dòng)控制和視頻傳輸演示圖如圖5所示。測(cè)試表明，客戶端可以順利控制機(jī)器人移動(dòng)，視頻傳輸正常。

圖5機(jī)器人移動(dòng)控制和視頻傳輸演示圖

4.3微信客戶端的功能實(shí)現(xiàn)驗(yàn)證

4.3.1掃碼綁定設(shè)備及配網(wǎng)

進(jìn)入主界面后，點(diǎn)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(huì)出現(xiàn)該設(shè)備名稱，此時(shí)的設(shè)備圖標(biāo)呈灰色狀態(tài)，說明還未進(jìn)行配網(wǎng)。點(diǎn)擊“添加設(shè)備”,系統(tǒng)會(huì)要求輸入WiFi密碼，完成配網(wǎng)工作之后就會(huì)顯示設(shè)備名稱。點(diǎn)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(yǔ)音識(shí)別功能驗(yàn)證

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

圖7語(yǔ)音識(shí)別驗(yàn)證

5結(jié)語(yǔ)

本次研究以ARM嵌入式技術(shù)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了一個(gè)可移動(dòng)的監(jiān)測(cè)機(jī)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(jì)都是根據(jù)需求靈活定制的，以確保性能最優(yōu)化。通過測(cè)試可知，機(jī)器人工作性能穩(wěn)定，能夠在靈活監(jiān)測(cè)、采集環(huán)境數(shù)據(jù)的同時(shí)與樹莓派和客戶端很好地進(jìn)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(huì)有很好的社會(huì)應(yīng)用價(jià)值。智能機(jī)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(dòng)尋路算法來完成路線繪制，并用于自動(dòng)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。