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[OneNet 大赛一等奖作品]基于ONENET云的机器人家庭管理系统

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  本作品融合了机器人技术与智能家居技术,以ONENET为纽带组成机器人家庭管理系统。机器人搭载摄像头与机械臂作业,对家庭环境进行远程监控、拍照,挂载传感器如:温湿度传感器,火焰传感器,空气质量传感器等,实时地对家庭环境参数进行采集并上传到ONENET云应用上,整个家庭采用Zigbee技术将家庭门禁监测系统,家电系统,传感器系统,指纹解锁上位机系统,机器人系统组成局域网,Zigbee的每个节点的数据都上传到ONENET云应用上,对有价值的数据进行采集分析并生成曲线图,从而达到对家庭系统的监测与管理。

 

1、研究背景和意义:
      物联网是指通过各种信息传感设备,实时采集任何需要监控、连接、互动的物体或过程等各种需要的信息,与互联网结合形成的一个巨大网络。其目的是实现物与物、物与人,所有的物品与网络的连接,方便识别、管理和控制。近年来,物联网智能家居、机器人AI和云端技术迅速发展,越来越多地出现在市场上,构成物联网产业五个层级的支撑层、感知层、传输层、平台层;我们可以相信未来这些技术将进入工业、家电、汽车等等领域。目前,中国移动开发出一个专为物联网开发者提供的云端服务,是基于无线局域网和移动云的机器人智能家庭系统项目,正是我们对物联网和云技术的探索。在这个系统里,我们不仅可以像传统的智能家居系统一样实现对电器和传感器的控制,还结合了机器人和云计算技术,从而可以通过云连接局域网,实现远程数据的上传和监视,远程遥控机器人去完成人们在智能家居方面一些未完善的工作。

 

2、国内外研究现状和发展动态:
     目前,在国内外已经有相当强大的机器人了,像百度公司的小度、狗尾草公司的公子小白等等,也可以实现远程监控采集数据,但是并未见机器人与家庭局域网融合成为一个整体。在智能家居领域,虽然有一些公司已经做得很不错,但是,其产品终究没有大规模地流入市场,又因为其协议不统一,各个公司的产品都不相兼容。所以,我们采用ONENET平台,不但可以增强系统的实时性与人性化管理功能,而且可以大大降低成本,项目组开发的统一的云平台使各种传感器终端,机器人系统有机组成智慧家庭网络,从而可以实现远程对家庭系统的管理。
 
3、总体设计方案:
3.1硬件设计部分:

 

      ①机器人系统节点部分,机器人拥有三自由度的机械爪用于机械拾取,两自由度的机械臂+云台载摄像头用于灵活地实现对室内环境进行观测与拍照,两部分的组合可以确保机器人完成任务的灵活性。行驶驱动部分采用履带轮驱动形式,增大与地面的接触面积,从而提高稳定性和运动时的通过能力。机器人上面搭载的传感器,例如空气有害气体检测传感器、火焰报警器、温湿度传感器、光照强度传感器等,可清晰地显示在机器人上面的OLED屏上,同时也可以实时对环境参数进行收集并通过Zigbee广播发射,通过wifi上传至ONENET,实现ONENET云监测。
机器人传感器反馈的环境变量

 

机器人抓取物品工作状态下

 

机器人抓取物品工作状态下

火焰报警触发的短信

 

机器人采集的数据流

    ②在门禁监测节点部分,通过刷卡系统可识别何时有何人进入,通过红外传感器可以计算出进入屋内的人数,分析得出数据以后通过Zigbee广播发射,再通过wifi上传至ONENET云平台,在ONENET云应用上可以实时地产生门禁系统终端的数据并产生曲线图,从而实现实时ONENET云监控。

Zigbee门禁监测系统


门禁监测产生的数据

      ③模拟家电节点部分,模拟有风扇、加湿器、LED灯光、窗帘、收/晾衣服装置和抽风机等一些家庭常用电器,用户可在ONENET云应用上根据室内参数的反馈,控制这些电器的开关,并实时查看其开关数据流的变化,实现ONENET云控制。
模拟家居风扇

 

模拟家居加湿器

 

模拟室内LED

 

家居衣服收/晾装置

 

模拟家居窗帘

 

模拟家居抽风机

家电节点数据流

 

       ④室外传感器节点部分,为了提高用户的体验性,更大地发挥产品的转化价值,我们一致决定在家居室外添加采集数据的Zigbee节点,有采集室外光照强度,用以辨别黑夜或者清晨从而自动实现窗帘的拉开与关闭,有雨水强度的监测,用以辨别是否下雨从而实现雨水一来便自动把晾衣装置收起规避雨水。最终,其详细的数据参数亦会通过zigbee局域网与wifi的交互传输到ONENET云应用上。
光敏电阻

 

雨水传感器

 

室内光强数据流

 

雨水强度数据流

 

3.2上位机设计方案:
      考虑到家居监控的安全问题,本上位机采用指纹识别模组对上位机进行加密,只有录入家居主人的指纹方可解锁上位机从而实现对家居系统进行控制。当登录上位机以后,可以利用上位机上强大的功能来对家居进行系统化地管理。例如机械臂的夹取作业、机器人的运动、利用摄像头对环境进行实时监控、拍照、录制视频等。此外,一键登录ONENET云应用的功能便可实现实时在ONENET上面查看数据流,实现室内与室外参数的监测,室内家电的远程控制等等,具体如下图:
指纹解锁登录界面
指纹登录后的上位机界面
一键登录ONENET云应用界面

 

3.3总系统设计方案:
       在该系统中,物联网智能家庭局域网部分负责了家庭的电器的控制和局域网的建立,把家庭里面的电器和传感器通过无线网络连成一个整体,我们可以通过上位机监视和控制整个家庭网络。机器人部分也通过无线局域网和智能家庭系统结合在一起,我们可以通过同一个上位机同时控制家庭电器和机器人的行为;同时,机器人和智能家庭局域网部分会通过路由器与云进行连接。所以,我们不仅可以在上位机上面便可以第一视觉的状态对家庭进行视频监控,对家庭环境进行拍照观察,录制视频,而且,我们可以观察到家庭局域网里面传感器采集的温湿度,光照等数据并通过ONENET绘制成曲线图,进而远程对家庭环境进行调控,进行对各种电器的控制。
      移动的ONENET云是一个专为物联网远程控制提供解决方案的平台,为各种跨平台物联网应用、行业解决方案提供简单的海量连接、云端存储、消息分发和大数据分析等,从而降低物联网企业和个人的研发、运营和运维成本。其具有开放的API接口,可快速生成应用;支持多种行业标准协议的解析和转换,适配多种网络接入方式,多种语言开发环境等等,因此我们可以更方便的接入从而通过云进行远程监视家庭传感器数据状态和控制家庭电器以及机器人的行为,当环境变化超过一定阈值时,机器人首先会自我报警,然后再通过wifi将报警信号发送到ONENET平台上,ONENET平台再通过短信的形式直接发送报警信息到主人手机上,提醒主人。
联网机器人系统工作模型图
4、创新点与项目特色:
      ZigBee是低速的,低功耗无线控制协议,特色是可以自动组成网络,网络的每个节点可以借力传输数据,网络中需要一个集中节点来管理整个网络,也就意味着ZigBee网络中必须有一个类似路由器的角色,完成ZigBee协议到互联网协议的转换,它本身没有额外的用处,但是可以将其他的灯整合为一个网络,并连接到互联网上。我们通过Wifi可以让Zigbee设备连接到互联网上,从而具备了更多的远程访问和控制能力。一般家用路由器可接入8~10个Wifi设备,如果这时家里通过wifi互联的产品节点过多,显然会对路由器造成负担,从而导致全网崩溃。而Zigbee是采用星状、片状和网状网络结构,由一个主节点管理若干子节点,最多一个主节点可管理254个子节点;同时主节点还可由上一层网络节点管理,最多可组成65000个节点的大网。
      在市面上的很多物联网产品都还是局限于局域网状态,因为搭建一个远程网络的成本太大了,很多企业负担不起,我们作品很好地利用了ONENET云这个平台,实现智能家居的远程化。另外在家庭里,各种零碎的事情还是挺多的,有很多地方智能家居的产品还不能很好覆盖,所以我们打算在系统里加进机器人,让机器人去完成那些我们力还不能及的事情。以及我们提供的机器人远程监控和控制,那么我们不在家也可以通过控制家里的机器人来处理一些事务。
5、结论
      物联网的发展代表了整个社会信息化的发展方向,广泛应用于绿色农业、工业监控、公共安全、城市管理、远程医疗、智能家居、智能交通、环境检测等领域。而无论是农业、工业生产、公共安全,还是交通监控,都存在很多控制信息及过程信息,需要通过各种接入设备接入到物联网网络层面,以实现各种信息的汇总及处理。我们的基于ONENET云的机器人家庭管理系统,融合Zigbee组网技术与机器人技术,以ONENET云应用为枢纽,有机地将机器人将智能家居结合在一起,使其成为一个便利、有条理的远程家庭管理系统,从而使用户得到一个更好的远程家居管理体验。
     感谢ONENET提供了一个如此便利的云服务,为我们对于机器人、智能家居、云技术的研究提供了如此丰富的资源,让我们为物联网时代的到来贡献出一份力量!

整个系统图

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