一种基于线性CCD循迹的5G烟仓环境监测智能小车的制作方法

一种基于线性ccd循迹的5g烟仓环境监测智能小车
(一)技术领域
1.本实用新型涉及可移动烟仓环境监测装置，尤其涉及一种烟仓环境监测智能小车。
(二)

背景技术：

2.近年来，我国烟草行业不断壮大，但是烟草在存储过程中，因烟叶霉变而导致的损失非常大。有研究证明，引起烟叶霉变的主要原因是烟仓内温湿度及氧气浓度有关。为了监测烟仓环境的各项参数，通常利用物联网技术搭建传感器网络，检测各处的温湿度值，上传到电脑上，但是由于搭建传感器网络要耗费大量人力物力，而且不一定能够检测到每一处的温湿度变化。因此，如何经济有效地对烟叶存储环境进行监控和报警成为了一个亟待解决的问题。
3.中国实用新型专利《智能巡检小车》(专利号cn201721802233.9)，设计了一种果园智能巡检小车，但仍存在以下问题：(1)在循迹过程中可能存在一些障碍物阻挡预设路线，使得巡线检测任务无法完成。(2)烟仓为室内环境，在室内gps信号被屏蔽，无法在室内准确确定小车的运动轨迹和环境参数异常点位置。(3)在缺乏上位机的条件下，不能单独完成报警任务。(4)对于没有wifi的环境，无法向上位机传输数据。(5)对于影响烟叶存储的氧气浓度及可能发生火情的情况无法做出报警。
4.于洋的《基于arduino的自动避障及通信控制智能小车系统的研究与设计》于2017年提出一种基于arduino的循迹避障小车，虽然能够完成循迹任务，但在循迹过程中红外循迹模块的前瞻性不够好，易于在避障后偏离引导线，而且并未搭载相应传感器完成检测任务，也未给出小车的定位方法。王信乐，刘祚时的《基于线性ccd的智能小车循迹系统设计与研究》于2020年提出了一种基于stm32f103单片机的利用线性ccd循迹的智能小车，虽然有较好的循迹性能，但并未考虑循迹中的避障，以及检测，通讯，定位功能。杨氟的《基于arduino的烟叶仓库自动避障智能小车的研究》于2015年提出一种烟仓智能小车，虽然搭载相应传感器及通讯模块，但未给出采用循迹避障相结合到达烟仓各处检测的方案，而且传感器设置较为单一，无法进行全面的预警，也不能够在烟仓中实现定位，不便于工作人员查看。
(三)

技术实现要素：

5.根据上述检测技术存在的不足，本实用新型针对烟叶存储仓库设计了一种可靠，功能全面，方便使用，能实际应用的烟仓巡检智能小车，可实现对于烟叶存储仓库环境的实时监测。
6.本实用新型的目的是这样实现的：包括带有万向轮和两个前轮的小车车体、stm32主控制器模块、树莓派从控制器模块、稳压电源模块、线性ccd循迹模块、超声波避障模块、舵机、电机驱动模块、电机、温湿度传感器模块、火焰检测模块、烟雾传感器、氧气浓度传感器、tft触摸屏模块、报警模块、5g通讯模块，uwb定位系统。
7.所述车体上搭载上述模块，所述稳压电源模块给各个模块供电；
8.所述线性ccd模块，超声波避障模块与控制器模块连接，控制器模块再与舵机，电机驱动模块连接，电机驱动模块连接两个直流电机，两个直流电机带动前轮，后轮为万向轮，经由循迹避障程序设计，构成小车的运动系统；
9.温湿度传感器模块、火焰检测模块、烟雾传感器、氧气浓度传感器连接到stm32控制器模块，stm32控制器模块连接到报警模块、显示模块，经由检测程序和报警程序设计构成小车的检测系统；
10.uwb定位系统以树莓派控制器为处理芯片，通过5g网络来进行定位，构成小车的定位系统；
11.树莓派控制器接收检测信息和位置信息，通过5g模块传输数据构成小车的通讯系统。
12.与现有的烟仓监测技术相比，本实用新型的有益效果是：(1)使用线性ccd循迹，前瞻性好，搭配超声波避障模块，经由循迹避障算法设计，可以实现在循迹过程中的避障。(2)搭配多种传感器，进行全面检测和预警。(3)使用基于5g网络的uwb定位技术，使得在室内也能精准定位。(4)使用5g通讯模块传输数据，速度更快，定位更准确，应用范围广。(5)搭配报警模块，显示模块，经由报警算法设计使小车能单独工作。
13.综上，本实用新型行设计了一种可靠的，全面的，实用性强的烟仓巡检智能小车。
(四)附图说明
14.图1为系统整体框图；
15.图2为循迹避障具体方案框图；
16.图3为在模拟环境中小车运动轨迹图；
17.图4为在模拟环境中小车所测温度曲线图；
18.图5为在模拟环境中小车所测湿度曲线图。
(五)具体实施方式
19.下面结合附图与具体实施方式对本实用新型作进一步详细描述。
20.本实用新型涉及一种适用于烟叶存储仓库环境监测的智能巡检小车。结合附图1介绍小车整体架构，整体系统包括带有两个前轮和一个万向轮的小车车体，stm32f103rct6主控器，树莓派从控制器，稳压电源模块，线性ccd循迹模块，舵机，超声波避障模块，电机驱动，电机，温湿度传感器模块，火焰检测模块，烟雾传感器，氧气浓度传感器，报警模块，显示模块，uwb定位系统，5g通讯模块。再将小车分为运动系统，检测系统，定位系统和通讯系统来具体说明。运动系统是线性ccd模块和超声波避障模块将所检测的道路信息输入到stm32f103rct6单片机上，单片机处理后将信息输出到电机，舵机，经过循迹避障程序设计，控制小车的行进。检测系统是将温湿度传感器，火焰检测模块，烟雾传感器，氧气浓度传感器检测的信息输入到单片机上，经由单片机处理交由显示模块显示，并且单片机将检测值与预设值比较，若检测值超出预设范围，则发出警报提醒工作人员注意，以上检测所得环境信息传入树莓派控制器，再由树莓派通过5g通讯模块上传到pc，便于监控和处理。定位系统是通过uwb定位系统结合5g网络来实现的。通讯系统是树莓派接受stm32控制器和uwb定位
标签检测所得信息，通过5g模块传输数据到上位机系统中。本实用新型相较其它方案循迹可靠性强，数据传输范围广，不受wifi布置限制，定位准确度高，既可以单独工作，发出警报，提醒工作人员注意，又可以搭配5g模块将数据传至上位机进行直观的环境监测，而且当有火情或者氧气浓度过高时，也能进行报警，功能更全面，普适性好，也可以进行其它环境的检测。
21.本实用新型经过仿真测试验证了该方案的可靠性和实用性。
22.循迹模块采用线性ccd模块在预设路线上进行循迹，其型号为tsl1401cl，该模块位于小车正前方，检测道路情况，其原理是线性ccd检测地面的不同颜色返回的灰度值不同，将数据传输到主控制器上，经由卡尔曼滤波，二值化处理后，可以得到黑色循迹线的位置，计算位置偏差后，经由pid控制，不断的改变小车左右轮电机的运转状态，实现期望的循迹效果。线性ccd模块相较红外循迹模块前瞻性好，在转弯或避障完成后回到循迹黑线处的循迹能力强，在循迹过程中可靠性强，稳定性高。
23.如图2，循迹避障程序设计是这样实现的，在小车进行循迹检测的过程中，可能会出现一些障碍物挡在循迹路线上，这时需要绕过障碍物，继续循迹检测。避障模块是由可旋转的舵机搭载超声波避障模块组合而成，结合附图2以向左避障为例具体说明：当超声波检测到前方有障碍物后，舵机左转，检测小车左方距离是否大于阈值，若大于阈值采取向左避障方案，若采取左避障方案，小车将左转，向前行驶，同时检测小车右方距离，若右方距离大于阈值，则向右转，向前行驶，同时检测小车右方距离，若大于阈值，小车右转前行，若线性ccd模块检测到黑线，回到正常循迹路径，继续循迹监测环境变化。右转方案同理，若都不满足阈值要求，则后退，重复左右方向的检测。该种方法所需设备简单，价格低廉，同时能够完成避障并返回原有路径，是一种性价比很高的方法。
24.温湿度传感器模块选用si7021，si7021是一款高精度的数字温湿度传感器，体积小巧，可靠性高，长期稳定性好的温湿度复合传感器。烟叶霉变与烟仓的温湿度状况关系密切，将其搭载于小车上，测量小车周围的温湿度变化，可以帮助我们更好的进行烟叶存储，该模块相较dhtt1有更短的测试转换时间，方便应用，精度更高。
25.烟雾传感器为mq
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2烟雾型传感器，由于烟叶易燃烧，而且烟仓中的烟叶在燃烧时会产生大量烟雾，所以采用此款传感器，可在火灾发生初期检测到烟雾发出警报，进行火灾报警。
26.火焰传感器为紫外线火焰检测模块，其工作原理为检测到火焰特有波长的紫外线产生警报。它与烟雾传感器搭配能提高烟仓内火灾报警系统的可靠性。
27.氧气浓度传感器高温氧化锆氧气传感器，由于烟仓中的含氧量对于烟叶的存储影响很大，所以进行氧气含量的测定，当氧气含量过高，霉变易发生，此时进行报警，采取措施调整氧气浓度，达到降低损耗的目的。
28.显示模块选用tftlcd触摸屏模块，它是一种2.8寸240
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320高清彩色液晶触摸屏模块。由于我们需要显示温湿度值，氧气浓度，可燃气体浓度，烟雾浓度，仅仅使用lcd1602显示模块是不够的，而且此款屏幕带有触摸功能，可以方便地进行与单片机的双向人机交互，方便我们设置其他功能，如进行低功耗待机模式和工作模式的选择。该模块功能强大，显示界面相对美观，带有触摸屏简化操作。
29.通讯模块选用5g无线网络模块，其型号为rm500q，与树莓派相连接，通过5g无线网
络可以将树莓派接收到的数据快速有效地传输到电脑或手机中，方便我们监测烟仓环境。我们使用uwb定位系统进行定位，采用速度更快的5g网络进行通讯，使得我们的定位准确度大大提高，5g无线网络相较wifi传输，蓝牙传输，其速度更快，独立工作能力更强，因此大大方便了烟仓监测系统布置。
30.uwb定位系统是基于5g网络进行通讯，结合小车所搭载的uwb标签和仓库四周安装的三个uwb基站来实现的。将小车所在位置看成二维平面上一点，采用tdoa技术进行定位，tdoa技术定位是一种利用时间差进行计算的方法。标签会向基站发出信号，基站收到信号，由于精准的绝对时间相对较难测量，所以通过比较信号到达各个uwb定位基站的时间差，计算出信号到各个定位基站的距离差，然后作出以定位基站为焦点，距离差为长轴的双曲线，最后确定三组双曲线的交点，交点就是定位标签的位置。由于烟仓是室内环境，gps信号会被屏蔽，wifi指纹定位精度往往达不到期望要求，而uwb定位系统搭配5g网络在室内定位精确度非常高，所以采取此种方案进行室内定位是一种较好的选择。
31.仿真测试结果见图3，图4，图5。
32.通过在模拟环境下的仿真测试证明，如图3在循迹过程中遭到障碍物阻挡，小车能够绕过障碍物并回到原有的路线上继续巡线检测，还证明利用uwb定位系统能够实现小车实时位置的确定，小车运动系统稳定可靠。同时，所检测数据传至上位机，经处理后的温湿度曲线如图4，图5所示，数据符合真实环境条件，证明检测任务完成，稳定可靠。实验仿真结果表明，在当时的条件下，靠近门和通风口处的温湿度会下降一些，有助于烟叶仓库的降温排湿，有助于烟叶的保存，而在中间位置没有通风口的情况下，温湿度会上升。由此可见，合理安排通风位置有助于烟叶的储存。