孫曉葉 毛紫荊 盧鈺均 鄭翔宇 施玥 崔靜

摘? 要：Searching-智能探人者下位機硬件是基于樹莓派3B+履帶坦克智能設(shè)備，以phython作為開發(fā)語言，硬件主要包含主控模塊、七彩燈模塊，電機模塊，超聲波模塊，紅外避障尋光模塊和USB攝像頭等模塊;上位機是基于安卓開發(fā)的APP，通過藍(lán)牙或WiFi方式無線連接到下位機智能終端，實現(xiàn)鳴笛，點燈，舵機控制，自動避障，巡線，探測等功能。本系統(tǒng)能協(xié)助救援者在人力所不能及的范圍內(nèi)進(jìn)行監(jiān)視、偵聽，為救援者采取正確行動提供現(xiàn)實有效的幫助。

關(guān)鍵詞：應(yīng)急處置;樹莓派;遠(yuǎn)程控制;移動智能終端

中圖分類號：TP393? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）30-0017-04

Abstract： Searching-Intelligent Detector lower-level computer hardware is based on the Raspberry Pi 3B+ crawler tank intelligent device， with Phython as the development language. The hardware mainly includes the main control module， colorful light module， motor module， ultrasonic module， infrared obstacle avoidance and light-finding module And USB camera and other modules; the host computer is based on the APP developed by Android， wirelessly connected to the lower computer intelligent terminal via Bluetooth or WiFi， to achieve whistle， lighting， servo control， automatic obstacle avoidance， line patrol， detection and other functions. The system can assist rescuers to monitor and intercept within the reach of human resources， and provide realistic and effective help for rescuers to take corrective actions.

Keywords： emergency handling; Raspberry Pi; remote control; mobile intelligent terminal

1 概述

“科技改變世界”自千禧之年后不再是一句口號，而是轉(zhuǎn)變成為了現(xiàn)實，我們正處于全世界第三次科技革命的浪潮當(dāng)中，隨處可見的智能化設(shè)備在實際生活中運用， 不僅能幫助人類去完成很多任務(wù)，而且這些任務(wù)中降低了人力成本，提升了工作效率，創(chuàng)造了更多的社會價值。盡管時代的變化日新月異，人工智能的更新?lián)Q代速度令人咋舌，但是在自然面前我們始終很渺小，自然的力量人類很難與之抗衡，與自然和諧相處才是人類長久生存的王道。在搶救因自然災(zāi)害被困的人員時，往往探查到的時間越早就能夠大幅度降低自然災(zāi)害的破壞[1]。一般來說，開展搜救的方法往往是通過一些儀器檢測環(huán)境，人力或者機械挖掘以及通過搜救犬的嗅覺尋找生命跡象，但在實施救援工作之前沒有對環(huán)境有正確的認(rèn)識與評估，非但不能完成救援工作，甚至可能造成更大的損失。而人工智能能更好地協(xié)助救援工作的進(jìn)行。災(zāi)后搜救是救助管理工作中的重要環(huán)節(jié)，現(xiàn)在的救援方式可以在傳統(tǒng)的基礎(chǔ)之上，增加對現(xiàn)代科技的運用。這不僅是一次全新的嘗試更能夠彌補當(dāng)下單一的救援方式所造成的各種信息不準(zhǔn)確的問題。

本系統(tǒng)產(chǎn)品旨在協(xié)助人類在人力所不能及的范圍進(jìn)行監(jiān)視、偵聽，為人類采取正確行動提供現(xiàn)實有效的信息，避免因信息的缺失而導(dǎo)致的“人間悲劇”。通過應(yīng)用于搜救、公安辦案系統(tǒng)方面，它可以充當(dāng)人類的“感官”，深入人所不能及的地域，為救助人員提供受害者的信息，為進(jìn)一步救援提供幫助，甚至代替救援人員進(jìn)行救援是勢在必行的。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

系統(tǒng)總體設(shè)計方案主要分為兩大部分來進(jìn)行開發(fā)， 第一個部分是對上位機部分進(jìn)行設(shè)計， 第二個部分是對下位機部分進(jìn)行設(shè)計。Searching-智能探人者總體方案設(shè)計如圖1所示。

2.1 上位機設(shè)計

Searching-智能探人者采用的是安卓的移動端來控制設(shè)備的運動，同時設(shè)備的傳感器將采集的信息發(fā)送給安卓的移動端顯示出來。系統(tǒng)的軟件開發(fā)是選用eclipse軟件編寫Android客戶端， 安裝APK在手機上， 經(jīng)過操作手機， Searching-智能探人者主控功能是通過藍(lán)牙和WiFi作為信息的載體，讓設(shè)備端的藍(lán)牙模塊和樹莓派配置成的路由器接收信號到樹莓派主板中進(jìn)行處理，樹莓派輸出相應(yīng)的信號使電機驅(qū)動模塊工作，并通過路串口發(fā)送給串口指令來控制設(shè)備的行進(jìn)，停止，鳴笛，加減速，亮燈，轉(zhuǎn)向以及舵機云臺控制，七彩探照燈，超聲波避障，巡線等功能。樹莓派視頻功能則是通過安卓的移動端連接樹莓派路由器來獲取到WiFi信號，USB攝像頭在連接到樹莓派的插口后采集的圖像信息數(shù)據(jù)，然后實時的通過WiFi發(fā)送給安卓的移動終端上。上位機設(shè)計流程圖，如圖2所示。

2.2 下位機設(shè)計

下位機 （Searching-智能探人者實體硬件簡稱下位機） 軟件用Python程序設(shè)計語言進(jìn)行編寫。Python相對于其他的一些編程語言有著簡潔明確的優(yōu)點。并且Python功能庫豐富，可移植性強， 非常適合本次設(shè)計。樹莓派控制端是通過硬件安裝的藍(lán)牙模塊接收Android端傳來的信息， 進(jìn)行字符串解析，得到想要的指令或者信息。通過電機驅(qū)動模塊進(jìn)行控制車的行進(jìn)或速度的調(diào)整，超聲避障模塊發(fā)射超聲波根據(jù)發(fā)回來的聲波判斷前方是否有障礙物，七彩燈模塊進(jìn)行探照。在解析到用戶的命令之后，硬件便執(zhí)行相應(yīng)的功能。下位機流程設(shè)計圖，如圖3所示。

3 系統(tǒng)功能實現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)硬件整體功能模塊

Searching-智能探人者硬件構(gòu)成包含主控模塊、七彩燈模塊，電機模塊，超聲波模塊，紅外避障尋光模塊和USB攝像頭等模塊組成。在系統(tǒng)開發(fā)的過程中考慮性能、成本、開發(fā)難度等客觀因素，此次經(jīng)過綜合考慮選取了最佳的方案。Searching-智能探人者硬件模塊如圖4所示。

3.2 主程序模塊設(shè)計

系統(tǒng)的主程序是通過對樹莓派主板的控制完成的，首先通過對APP連接到的藍(lán)牙模塊輸入的指令信息然后進(jìn)行解析，來控制電機驅(qū)動，從而達(dá)到控制硬件正常運行的目的。由于本次系統(tǒng)選用的樹莓派3B+開發(fā)板是沒有配置FLASE的，所以它是用SD卡的啟動，在SD卡插入樹莓派之前我們需要先下載相應(yīng)鏡像，并通過燒錄工具將其燒寫在SD上，完成之后插入SD卡啟動系統(tǒng)即可，本次系統(tǒng)當(dāng)中我們選用的是Raspbin操作系統(tǒng)。

樹莓派定時對藍(lán)牙模塊的串口讀數(shù)據(jù)，檢測串口是否有數(shù)據(jù)讀出，如果有數(shù)據(jù)讀出則對讀出的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，分別對應(yīng)設(shè)備的前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、停止的控制。系統(tǒng)選用的是雙路直流電機的控制Searching-智能探人者選用的是TB6612FNG驅(qū)動芯片系統(tǒng)的巡線功能主要是基于黑色線中心判斷，由于黑線在地板上，而顏色不同對光線的反射系數(shù)是不一樣的，因此系統(tǒng)是用紅外傳感器來幫助巡線功能的完成，巡線功能的基本原理是利用物體的反射性質(zhì)，硬件設(shè)備巡黑線行駛，然而當(dāng)紅外傳感器發(fā)射紅外線在黑顏色的線上時由于光的吸收原理紅外線就會被黑線吸收掉，但是如果紅外線是發(fā)射到其他的顏色上會重新反射到紅外的接受管上。這時樹莓派接收到反射回來的紅外光線，以紅外光線為依據(jù)來確定黑線的位置以及規(guī)劃Searching-智能探人者的行進(jìn)路線。根據(jù)上述不同特點通過相應(yīng)的代碼完成Searching-智能探人者的巡線功能。關(guān)鍵代碼如圖5所示。

本系統(tǒng)帶舵機超聲波避障用到的舵機是9G舵機SG90，這款舵機體積相對較小，雖然扭矩不算大，但對于系統(tǒng)要求的轉(zhuǎn)向已經(jīng)足夠。在舵機安裝之前要進(jìn)行校準(zhǔn)。

超聲波測距的原理是先通過超聲波模塊發(fā)出超聲波，然后再根據(jù)是接收器接到超聲波時的時間差。假設(shè)超聲波模塊的發(fā)射器在某一個方位發(fā)射了超聲波，模塊在超聲波發(fā)射以后邊開始計時，當(dāng)超聲波遇見障礙物之后就會被反射回來，此時超聲波模塊的接收器在接受到聲波后便停止計時。在程序的編寫中我們可以根據(jù)超聲波測距相應(yīng)的公式進(jìn)行計算來確定人員或者物體的位置。觸發(fā)超聲波模塊的測距功能如圖6所示。關(guān)鍵代碼如圖7所示。

3.3 APP系統(tǒng)設(shè)計

（1）主控界面

APP的連接到Searching-智能探人者藍(lán)牙之后，就進(jìn)入了APP主控界面，此時可點擊相應(yīng)的按鍵對硬件行進(jìn)加速，減速，舵機云臺的轉(zhuǎn)向，燈光顏色等對設(shè)備進(jìn)行控制。還可以在APP上顯示一些對應(yīng)的數(shù)據(jù)。APP使用的是按鍵控件根據(jù)邏輯設(shè)計的原理只需要對不同按鍵進(jìn)行按下和松開，藍(lán)牙通信發(fā)送控制設(shè)備的相應(yīng)代碼發(fā)送對應(yīng)設(shè)備控制代碼， 然后設(shè)備通過對接收到的代碼進(jìn)行解碼就會做出對應(yīng)的反應(yīng)。

APP主控界面圖，如圖8所示。

（2）用戶可通過主控界面進(jìn)入模式選擇頁面，可以在模式選擇頁面進(jìn)行相應(yīng)的操控，主要分為七彩探照、巡線模式、避障模式、樹莓派視頻四個模式，用戶可以選擇相應(yīng)的模式，Searching-智能探人者將會作出相應(yīng)的反應(yīng)。APP模式選擇圖，如圖9所示。

（3）樹莓派視頻功能

Searching-智能探人者這個基于樹莓派的WiFi智能設(shè)備的主控板已經(jīng)配置成路由器模式，開機時啟動mjpeg視頻服務(wù)器和bluetooth_control藍(lán)牙控制進(jìn)程。路由器IP地址為192.168.50.1。

系統(tǒng)在工作時，智能設(shè)備通過配置成功的樹莓派路由器與上位機建立無線連接。在進(jìn)入樹莓派視頻功能后，USB攝像頭捕捉到的圖像數(shù)據(jù)經(jīng)過樹莓派路由器內(nèi)部處理，然后通過無線網(wǎng)絡(luò)傳送到安卓的一等終端中顯示。[2-4]監(jiān)控人員在根據(jù)視頻圖像，將上位機的指令通過WiFi傳輸給樹莓派設(shè)備，從而實現(xiàn)Searching-智能探人者的行進(jìn)、舵機的轉(zhuǎn)向，攝像頭的角度的移動和燈光的控制。

4 結(jié)束語

Searching-智能探人者是基于樹莓派的智能設(shè)備搜救系統(tǒng)。通過反復(fù)的進(jìn)行代碼修改和調(diào)試，Searching-智能探人者這個基于樹莓派的智能設(shè)備搜救系統(tǒng)樹莓派的智能設(shè)備系統(tǒng)預(yù)設(shè)功能基本實現(xiàn)，能通過Android的移動終端設(shè)備控制設(shè)備的轉(zhuǎn)向及行走，通過舵機的轉(zhuǎn)向和拍攝的實時圖像獲取路況信息以及超聲波識別障礙物信息進(jìn)行自主避障，并通過平臺反饋給用戶。本系統(tǒng)設(shè)計的主要的意義在于將功能強大的樹莓派、藍(lán)牙和WiFi通信技術(shù)和安卓的智能終端進(jìn)行創(chuàng)新性的結(jié)合，簡化了傳統(tǒng)終端的復(fù)雜難操作的現(xiàn)況。這次設(shè)計的Android軟件以及藍(lán)牙和WiFi雙通訊的控制系統(tǒng)不但能夠用于災(zāi)害發(fā)生的應(yīng)急處理系統(tǒng)，還可以在經(jīng)過修改后還可以應(yīng)用于更多的智能控制場景，使其發(fā)揮更大更多的作用。

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