应对疫情期间防止居民外出的智能巡检系统

2022-03-24宋辰玥

科技创新与应用 2022年6期

宋辰玥

（上海电力大学，上海 200120）

Abstract:For the current epidemic situation, in order to scientifically and accurately do a good job in epidemic prevention and control, it is very important to carry out closed management of residents in communities with cases in mediumand high-risk areas in China. The system uses Beidou navigation technology to achieve autonomous cruise function, in the implementation of intelligent patrol function, timely record the relevant data of travel personnel and upload to the computer control side, the administrator can carry out follow-up processing. The system can replace the staff to carry out round-theclock patrol and monitoring, has made a breakthrough in innovative ideas and technical means, reduced the work pressure of the staff engaged in prevention and control, and has certain social benefits.

Keywords:Beidou navigation; intelligent patrol inspection; image data processing; computer control terminal

1 研究背景与意义

2020 年1 月，新型冠状病毒席卷全国。针对疫情防控，对外来人员、密切接触者进行实时地追踪和管理，深入到社区和家庭，这是当前社区防控的重点，也是避免疫情蔓延的基本手段。但仍有部分居民抱有侥幸心理，不配合社区防控工作，且社区也无法保证24 h 的全面监控，这导致防控工作存在一定的疏漏和感染风险。

本系统应用北斗卫星导航系统，实现了自主导航以及智能化监控，为今后的防疫工作提供了新的方案措施。

2 系统简介

2.1 总体结构

本系统的智能小车是以意法半导体公司的STM32F40 5GRT6 为核心驱动的，以北斗定位模块、超声波模块、OpenMV4 H7 PLUS 摄像头、红外测温模块所组成的系统。系统整体框图如图1 所示。

由图1 的总体框图可知，智能小车是以STM32 单片机为控制核心，利用北斗卫星模块实时获得小车的经纬度位置坐标并完成自主巡检。在行驶过程中，应用超声波模块检测路况；通过红外测温模块判断是否为居民并获得其体温数据，利用OpenMV 拍照上传其高清人物图像；通过LoRa 通信模块，将所获得的数据上传至电脑控制端。

图1 智能巡检系统总体框图

2.2 总体流程

本文中展示的智能巡检系统工作流程如图2 所示。

图2 智能巡检系统工作流程

3 硬件设计方案

3.1 处理器模块

STM32 系列处理器是意法半导体ST 公司生产的一种基于ARMv7 架构的32 位、支持实时仿真和跟踪的微控制器。该系统采用F405RGT6 作为主控芯片，基于高性能ARMRCortexTM-M4 32 位RISC 内核，工作频率高达168 MHz。新Cortex-M4 核心特性浮点单元单精度，支持所有ARM 单核精确的数据处理指令和数据类型，它也实现了一套完整的DSP 指令和一个增强应用程序安全性的内存保护单元。STM32F4 系列相关参数见表1。

表1 STM32F4 系列相关参数

3.2 ATK-S1216F8-BD GPS/北斗模块

ATK-S1216F8-BD GPS/北斗模块：模块核心采用SkyTraq 公司的S1216F8-BD 模组，具有167 个通道，追踪灵敏度高达-165 dBm，测量输出频率最高可达20 Hz。

3.3 超声波模块

本系统采用的超声波模块是HC-SR04，利用超声测距，方便计算且容易实现实时控制，其最大射程为4 m，最小射程为2 cm，测距精度可达3 mm，在测量距离、精度等方面能达到实际使用的要求；具有实时性、精确性、体积小和功耗低等一系列优点，目前已广泛应用于测距、医疗、交通和勘测等领域。超声波模块主要参数见表2。

表2 超声波模块主要参数

3.4 图像数据处理

3.4.1 红外测温

本系统所采用的是GY-906 MLX90614 DCI 长远距离红外测温传感器。其具有体积小、成本低及易集成等优点；Ta 和To 工作在0～50°C 温度范围内，其精度可达0.5°C。因其高精度校准的特性，应用广泛。

3.4.2 摄像头模块

采用OpenMV H7 PLUS，可用SD 卡取代内置的Flash 文件系统，扩大可存储代码量，具有480 MHz，1 MB RAM，2 MB flash，能够实现色块识别，人脸识别等多种功能。所有的I/O 引脚输出3.3 V 并且5 V 耐受，其有以下的IO 接口：

（1）全速USB（12 Mbs）接口，连接到电脑。当插入OpenMV 摄像头后电脑会出现一个虚拟COM 端口和一个“U 盘”。

（2）一个SPI 总线高达100 Mbs 速度，可把图像流数据传给LCD 扩展板、WiFi 扩展板或者其他控制器。

（3）2 个I/O 引脚用于舵机控制。

（4）全部的IO 口都可以用于PWM 和中断。

（5）32 MB 外置的32-bitSDRAM，100 MHz 的时钟，达到400 MB/s 的带宽。

（6）32 MB 外置的quadspi flash，100 MHz 的时钟，4-bitDDR 模式达到100 MB/s 的带宽。

3.5 LoRa 模块

LoRa 是LPWAN 通信技术中的一种，基于LoRa 物联网技术，将智能小车实时定位作为LoRa 物联网的一个节点，再结合LoRa 集中器，组建了一个无线网络；实现上位机、中控系统与小车数据交流一体系统。图3 为LoRa通信架构框图。

图3 LoRa 通信架构框图

4 核心功能实现

4.1 坐标转换

将北斗模块获得的经纬度坐标转换成三维坐标，然后将三维坐标结合北斗模块地图数据，便可以在地形图上显示小车运动轨迹。北斗模块中经纬度转化三维坐标几何模型如图4 所示。

假设经度角AOB 用Lng 表示，纬度角用DOB 用Lat 表示，半径OD 用R 表示，坐标点D 用（x，y，z），并且R 已知。其中，车载北斗模块实时卫星定位电脑端配置如图5 所示。

图5 车载北斗模块实时卫星定位电脑端配置

4.2 路线规划

根据巡检智能车通过北斗定位获得的位置坐标，通过LoRa 通信模块将坐标信息发送到终端控制，与电子地图上的点一一映射。因此，只需要根据北斗坐标，将车的位置作为点描绘到电子地图上，便可以在地图上显示车的位置，方便操作人员监视和检查。

操作员事先在终端地图上规划好一条路线，只需要取几个离散的坐标点，便可以代表路径方向。坐标点传输给智能小车，智能小车通过北斗定位获得自己的坐标，实时进行校正，然后移动到下一个坐标点。

4.3 自主巡航

通过北斗定位获得智能小车运动过程中实时的经纬度坐标，与已知设定好的目标点坐标比对，计算出下一步运动应走的方向和粗略的路程。当实时坐标与规划路径产生偏差时，能够及时纠正路径偏差，实现机器人按照规定路线自主巡航。

4.4 数据传输

为了实现智能物流小车的定时定位的信息交换，可以将LoRa 通信模块与STM32 开发板相结合，根据通过LoRa 模块将接收到的智能物流小车的位置坐标上传到上位机，依据地面基站的数字地图相结合通过信息处理技术在上位机上显示出小车目前所在位置。

4.5 电脑端监控

为实时了解智能巡检系统的工作状态，电脑监控端设置了3 个界面用以获取和传输信息。图6 为电脑监控端功能图。

图6 电脑监控端功能图

5 创新点和应用拓展

5.1 创新点

本设计将LoRa 物联网技术与我国自主研制开发北斗芯片ATK-S1216F8-BD 定位技术相结合，将智能物流小车实时定位作为LoRa 物联网的一个节点，再结合LoRa 集中器，组建了一个无线网络；设计中控系统，先通过上位机向小车发送信息数据以及对小车采集实时数据，构建数据信息，进行分析处理，再进行智能优化处理，实现上位机、中控系统与小车数据交流一体系统。使上位机能随时监测小车的运行状态，实行对人员的实时定位与监测管控。同时，在新冠肺炎疫情的背景下，通过对居民小区的封闭，能有效地减少人员外出，抑制疫情发展，因此将基于北斗的智能巡检小车应用于新冠肺炎疫情防控期间的管控，代替人员监测，对封闭小区进行全天候实时巡检，采用较为完善和严谨的系统，可以有效防止居民无故外出。同时，也减轻了防控工作人员的工作压力，具有一定的社会效益。