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保全機器人與居家防護系統實作

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保全機器人可以透過WIFI將即時影像傳送致Server端,遠端可透過網頁或手機透過Server對保全機器人進行操作,此居家防護系統的架設不侷限於保全機器人,可透過MCU同時存取多種Sensor的即時狀態也可反向控制家電產品等設備,但本專題專注於保全機器人的設計與Server的架設。

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保全機器人與居家防護系統實作

  1. 1. 105 嵌入式韌體工程師菁英班 保全機器人與 居家防護系統實作 組長: 姚嘉祺 組員:朱桓霆、林威奇、張竑量、葉日豪 指導老師:Joseph 日期: 2016/7/15
  2. 2. Outline • 專題動機與目標 • 系統架構 • 保全機器人 • 居家防護系統 • 結論與未來展望 2
  3. 3. Outline • 專題動機與目標 • 系統架構 • 保全機器人 • 居家防護系統 • 結論與未來展望 3
  4. 4. 專題動機與目標 • 動機 – 居家防護安全存在漏洞 • 大部分的監控系統問題 – 竊盜或恐怖攻擊事件發生後,才調閱監視器畫面來確認歹徒 的樣貌,已經為時已晚(被動) • 在物聯網的時代,家中感測器(水位、溫度……)發出警訊 – 到底是不是false  alarm? • 解決方案(化被動為主動) – 保全機器人 • 目標 – 搭配物聯網的技術建構完善的居家防護系統 4
  5. 5. 專題動機與目標 • 欲達成目標 – 居家防護系統(Skynet) • Cloud  Server • 設備可透過網路,向雲端 Server  註冊,成為雲端裝置 • 具Web  操控顯示介面 • 透過 Web  Browser  檢視雲端裝置並遠端操控家中的設備 – 保全機器人(Terminator) • 即時影像 • 可控制前進、後退、轉彎 • 有武器發射功能 • …… 5 圖片來源:http://allnewspipeline.com/Going_After_Your_Children.php 圖片來源:  https://play.google.com/store/apps/details?id=com.glu.t5
  6. 6. Outline • 專題動機與目標 • 系統架構 • 保全機器人 • 居家防護系統 • 系統成果展示/實驗數據圖 • 結論與未來展望 6
  7. 7. 系統架構 7 Cloud  Server (Skynet) WIFI (MQTT) Router Internet (MQTT) internet Security  robot (Terminator) MCU WIFI (MQTT) …… Database  Server MQTT MQTT-­‐Broker MQTT MQTT option 伺服馬達 直流馬達 電池 Camera . . .
  8. 8. Outline • 專題動機與目標 • 系統架構 • 保全機器人 • 居家防護系統 • 系統成果展示/實驗數據圖 • 結論與未來展望 8
  9. 9. 保全機器人 • 保全機器人 – 基本功能 – 硬體方塊圖 – 即時影像(鏡頭旋轉) – 前進、後退、轉彎控制 – 電量偵測 – 無線充電 – 藍芽返航充電 – 巡跡 9
  10. 10. 基本功能 • 保全機器人的基本功能 – 無線Wi-­‐Fi – 即時影像 • Pan-­‐tilt  web  camera – 運動行為 • 前進、後退、轉彎 • 武器發射 – 自動返航充電 • 藍芽BLE4.0定位 • 循跡模式(彌補藍芽定位精準度不足) – 充電方式 • 無線充電 10
  11. 11. 保全機器人 • 保全機器人 – 基本功能 – 硬體方塊圖 – 即時影像(鏡頭旋轉) – 前進、後退、轉彎控制 – 電量偵測 – 無線充電 – 藍芽返航充電 – 巡跡 11
  12. 12. 硬體方塊圖 12
  13. 13. 保全機器人 • 保全機器人 – 基本功能 – 硬體方塊圖 – 即時影像(鏡頭旋轉) – 前進、後退、轉彎控制 – 電量偵測 – 無線充電 – 藍芽返航充電 – 巡跡 13
  14. 14. 即時影像 • 即時影像 機舵 Web  Camera 雲台 14
  15. 15. 0度之脈寬&Dutycycle 90度之脈寬&Dutycycle 180度之脈寬&Dutycycle 即時影像 Pan、Tilt :利用PWM控制伺服馬達 15 Angle計算: Dutycycle*18 -­‐ 45
  16. 16. 保全機器人 • 保全機器人 – 基本功能 – 硬體方塊圖 – 即時影像(鏡頭旋轉) – 前進、後退、轉彎控制 – 電量偵測 – 無線充電 – 藍芽返航充電 – 巡跡 16
  17. 17. 前進、後退、轉彎 伺服馬達 控制車身行進方向直流馬達 驅動車身前進後退 17
  18. 18. • 馬達驅動板 • 控制方式 本車使用IN1  IN2控制Motor  A IN1 IN2 功能 1 0 前進 0 1 後退 前進、後退、轉彎 18
  19. 19. 保全機器人 • 保全機器人 – 基本功能 – 硬體方塊圖 – 即時影像(鏡頭旋轉) – 前進、後退、轉彎控制 – 電量偵測 – 無線充電 – 藍芽返航充電 – 巡跡 19
  20. 20. 電量偵測 拆解行動電源 接到樹莓派上 讀取行動電源 4顆LED GPIO狀態 傳輸到網頁顯 示即時影像 20
  21. 21. 保全機器人 • 保全機器人 – 基本功能 – 硬體方塊圖 – 即時影像(鏡頭旋轉) – 前進、後退、轉彎控制 – 電量偵測 – 無線充電 – 藍芽返航充電 – 巡跡 21
  22. 22. 無線充電 無線接收模組 無線傳送模組 (資料來源:Autonet) 22
  23. 23. Outline • 保全機器人 – 基本功能 – 硬體方塊圖 – 即時影像(鏡頭旋轉) – 前進、後退、轉彎控制 – 電量偵測 – 無線充電 – 藍芽返航充電 – 巡跡 23
  24. 24. • 硬體設備 – 傳送模組 • CC2541 藍芽模組 – AT-­‐09藍牙 4.0 BLE – 工作頻率:2.4GHz  ISM  band   – 靈敏度::≤-­‐84dBm  at  0.1%  BER   – 傳輸速率:Asynchronous:  6  kbps  Synchronous:  6  kbps – 功耗:自度休眠模式下,待機電流400uA~1.5mA,傳輸時8.5mA – 供電電源:+3.3 VDC – 接收模組 (BT4-­‐CSR-­‐Dongle)     • 使用 CSR8510  晶片,符合藍牙 4.0  技術規範,雙模式傳輸 • 傳輸距離可達 20M(無阻隔),傳輸速率可達 3Mbps 藍芽返航充電 24
  25. 25. 蒐集RSSI,分析數據 機器人掃描beacon的RSSI 分析數據,計算距離 利用餘弦定理, 設定一個邊界角度, 並計算機器人方位 (  RSSI  /  txpower  )  ^  7.7095  * 0.89976  + 0.111 COSθ  =  (X^2  +  Y^2  –Z^2)  /  2XY 藍芽返航充電 25
  26. 26. 判斷&決定行進方向: 機器人前進兩秒後計算 與上一點差距 若偵測反方向 回轉180度 藍芽定位流程圖 藍芽返航充電 26 RSSI=  -­‐ 60 1m RSSI=  -­‐ 62 1.26m RSSI=  -­‐ 63 1.42m 1m 若偵測超出θ 轉向90度 若在設計範圍內持續前進
  27. 27. Outline • 保全機器人 – 基本功能 – 硬體方塊圖 – 即時影像(鏡頭旋轉) – 前進、後退、轉彎控制 – 電量偵測 – 無線充電 – 藍芽返航充電 – 巡跡 27
  28. 28. 光發射器發出紅外光 光接收器接收紅外光 一般距離下(d=0.2~30mm) 光接收器可接收到反射回來的紅 外光 並回傳邏輯1 當紅外光打在黑色膠帶時不易反 射 光接收器沒接收到訊息,並回傳邏 輯0 循跡模式 28
  29. 29. 左 中 右 判斷狀態 動作 0 0 0 在軌道上 正常運行 前進 1 0 1 在軌道上 正常運行 前進 0 1 0 在軌道上 正常運行 前進 0 0 1 偏右 左轉 0 1 1 偏右 左轉 1 0 0 偏左 右轉 1 1 0 偏左 右轉 1 1 1 超出軌道 後退 當此狀態持續三秒 循跡模式 STOP 循跡模式 29
  30. 30. 循跡模式 30
  31. 31. Outline • 專題動機與目標 • 系統架構 • 保全機器人 • 居家防護系統 • 結論與未來展望 31
  32. 32. 系統架構 WIFI (MQTT) Router Internet (MQTT) internet Cloud  Server Security  robot MCU WIFI (MQTT) …… Database  Server MQTT MQTT-­‐Broker MQTT MQTT option 伺服馬達 直流馬達 電池 Camera . . . 32
  33. 33. 居家防護系統 • MQTT – Publish/Subscribe的訊息傳送模式,來提供一對多的訊息分配 – 使用TCP/IP來提供基本的網路連結 – 三種訊息傳送服務的qualities(QoS=0,1,2) – header固定長度為2byte,減少封包傳送時的額外負載,並減少所需的網 路頻寬。 – 當異常斷線發生,最後遺囑(Last  Will  and  Testament)的機制,通知各個感 興趣的client。 資料來源: http://www.hivemq.com/blog/how-to-get-started-with-mqtt 33
  34. 34. • 雲端物聯網架構 居家防護系統 HTML5/CSS3/JavaScript/jQuery MQTT-­‐Broker Database  Server Device Device Device User MQTT MQTT MQTT MQTT workstation workstation PHP7.0/Maria  DB JSON/AJAX Web …… …… 34
  35. 35. 居家防護系統 • 資料庫介面 35
  36. 36. 居家防護系統 • 影像傳輸流程 Router Internet (MQTT) internet Cloud  Server Security  robot WIFI (MQTT) Database  Server MQTT MQTT-­‐Broker User 伺服馬達 直流馬達 電池 Camera . . . 開啟image server(ex:192.168.10.100:8000) CGI(Common  Gateway  Interface  ) 192.168.10.100:8000 36
  37. 37. 居家防護系統 • Common  Gateway  Interface  (CGI) – Printing  HTML  Output  with  Perl – Exchange  data  from  the  server  using  jQuery  with   AJAX – Exchange  data  from  the  client  using  Python  with   AJAX 37
  38. 38. 居家防護系統 • User  Interface 38
  39. 39. 結論與未來展望ˇ • 保全機器人配合居家防護系統 – 達造出物聯網時代更安全的防護網 – 可即時觀看影像且個感測裝置可以在網頁顯示 • 未來展望 – 藍牙定位更精準(畫出室內定位車子位置) 39
  40. 40. 40
  41. 41. 馬達控制 • 車底盤運作方式(一號車) 使用四顆馬達直接控制四顆輪子 41
  42. 42. 馬達控制 • L293d模組 42
  43. 43. L293D線路圖 • L293D線路圖 43
  44. 44. L293D 44
  45. 45. 74HC595 SER CLK LATCH 資料來源:http://openhome.cc/Gossip/CodeData/mBlockArduino/mBlockArduino18.html CLK 拉HIGH 設定SER(將要儲存的1或0) CLK 拉LOW 持續存入八位元 將LATCH拉HIGH 此時IC開始work 45
  46. 46. 無線充電 46

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