科创直通车
Science&Technology Vision科技视界DOI:10.19694/jki.issn2095-2457.2022.29.01
基于物联网的化学实验室移动巡检平台
轮胎101网的设计与实现
沈晨阳张嘉琪岳俊杰*
(天津理工大学环境科学与安全工程学院，天津300384)
【摘要】为降低化学实验室因安全管理人力不足、管理人员疏忽而造成安全事故的可能性，减少因此而导致的人员伤亡和财产损失，提出基于物联网技术设计实验室安全移动巡检平台，将日常巡检情况、室内温湿度、火灾和烟雾报警情况及时上报到管理人员的电脑终端；使用超宽带(UWB)技术与地标线定位方式准确定位各类试剂所在区域，以平台代替人工实现24小时安全巡检；同时，为机械结构、电控系统及PC端软件等模块功能提供了实现途径。
【关键词】物联网；实验室安全；巡检机器人；定位技术；传感器
0引言
高校化学实验室是高校师生教学、科研活动的重要基地，一旦发生安全事故，不仅危及人身安全，财产损失，还严重影响正常的教学、科研秩序，且对高校声誉产生不良影响。因此，对高校化学实验室安全状况的定期巡检非常必要。
实验室的安全管理耗时耗力，实验室内试剂的分类存放[1]、使用台账登记[2]也分散人力，长时间单纯的人力管理会降低执行力或存在疏忽。固定式的监测和摄像监控存在一定的检视死角。为实现实验室整体监控、室内环境条件监测及巡检功能的集成，设计能用于实验室24小时不间断巡检的移动巡检平台，旨在降低实验室安全管理的人力投入，及时发现和排除安全隐患。本文从巡检平台各功能需求及可行性分析入手，分别设计平台系统的硬件和软件模块，并利用物联网和自动控制技术提供各部分模块功能的实现途径。
1巡检平台的功能需求及可行性分析
巡检平台的核心部分拟采用移动机器人（AGV）技术[3]，具有基本功能和附加功能，如图1所示。
1.1自主导航功能
自主导航功能是AGV实现对实验室分类存放药品的快速定位而必须具备的功能，主要通过定位和避障功能辅助实现。
1.1.1定位功能
AGV导航需要对自身和分类存放的试剂位置实现更为精确的定位。
为提高定位精度，AGV导航拟采用地标线和超宽带（UWB）定位[4]相融合的方式，二者可互为补充。
作者简介：沈晨阳，本科。
*通信作者：岳俊杰，副教授，研究方向为安全管理与检测技术。
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1.1.2
避障功能
针对实验室空间特殊性，AGV 需要采用两轮差速转向的转向机构，并采用超声波测算障碍物距离，以达到避障效果，同时选配碰撞传感器以更好实现AGV 的避障功能。1.2监测功能
监测功能作为巡检平台的附加功能，包括实验室内温、湿度监测，火灾及泄漏监测与自动报警，主要通过选用各种适合的传感器加以实现。
2AGV 机械结构设计及实现
AGV 机械结构主要包括底盘和摄像头升降架。2.1底盘结构设计及实现2.1.1悬挂系统
悬挂系统包括避震器和轮毂支架。实验室地面较为平整，故考虑取消避震器的设计。2.1.2
驱动及转向系统
驱动系统主要针对两个轮毂进行，是AGV 行进的基础。如图2所示模型，底盘两个轮毂分别采用直流减速电机驱动，前端中间位置（红方框所示）附加万向轮。转向系统采用驱动轮差速转向设计。2.2摄像头升降架结构设计及实现
摄像头升降架采用升降滑轨设计方案。
3AGV 电控系统设计及实现
电路控制包括电路及其控制程序的设计。
3.1底盘电机
底盘电机采用直流有刷减速电机，“H 桥”驱动器[5]，同时实现电机正、反转和调速功能。3.2摄像头升降电机
摄像头升降电机采用步进电机[6]，带动摄像头升降结构的运行根据货架高度计算出步进电机需要旋转的步数即可使摄像头准确到达所需查看的货架层数。3.3传感器采集系统
AGV 上搭载的超声波传感器采用HC -SR04传感器模块，用于获得障碍物与传感器之间的距离；火焰传感器主要用于检测环境中的光照强度，利用光敏电阻的光电效应原理[7]，实现超限触发报警的功能；烟雾传感器采用消防设备中常用品类；温、湿度传感器采用具有高可靠性和长期稳定性的SHT20温湿度传感器芯片。
3.4定位系统3.
4.1
地标线定位
在实验室地面粘贴宽度为20cm 的黑地标线，并在货架旁用标线划分出停留检查的区域。采用灰度传感器检测地标线，并将其安装在AGV 底盘的左前、正前、右前三个位置。以不断调整行进方向从而使地标线保持在AGV 正前方。3.4.2
UWB 定位系统
UWB 定位系统[8]主要由和标签两部分构成，
需要至少三个定位来确定被定位物体的坐标。
并
图1巡检AGV
功能示意图
图2驱动及转向系统测试模型
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通过三边测量算法[9]
进行计算，以获取到标签的实际位置。3.5控制系统
控制系统核心元件—微处理器采用STM32F407ZGT6单片机，使用ARM -Cortex -M4，内核具有168MHz 主频，1MB Flash 和192KB RAM ，共有140个通用输入输出接口（GPIO ），单片机的外设框图如图3所示。
图3单片机外设框图
4AGV 的PC 端软件设计及实现
PC 端软件设计主要是实现人机交互[10]。PC 端图形用户界面（GUI ）设计拟采用QT 设计工具实现开发过程
的简化及程序在多平台的快速移植性。
基于一对多的控制考虑，将采用MQTT 协议栈简化管理流程。使用QT 编写MQTT 应用软件，成功连接到MQTT 服务器。
在设计完成的GUI 上，通过下发指令控制AGV 移动，同时接收AGV 端的各种传感器数据，进而实现人机交互功能，达成对实验室实时环境状况进行移动巡检的目标。
5结语
针对高校化学实验室安全隐患，设计移动巡检平台，得出以下结论：（1）AGV 采用地标线和超宽带定位融
合的方式提升定位精度，更好适应实验室空间狭小、地面情况复杂的情况；同时选用超声波传感器，碰撞传感器可辅助实现AGV 的灵活避障。（2）超声波、温湿度、烟雾、光敏传感器等各个模块符合AGV 对环境的感知需求。（3）AGV 的机械结构能满足实验室狭小空间的实际需求；电控系统符合电控功能需求。（4）MQTT 的通信方式能使信息传输效果符合AGV 的需求；PC 端软件设计思路为巡检平台的人机交互提出了构想。
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