自然保護區巡邏機器人設計

高文浩，董慶軒，尉天樂

唐山學院 智能與信息工程學院，河北唐山，063000

0 引言

我國廣闊的疆域包含了多種多樣的地形地貌，其中包含多種多樣、功能綜合的自然保護區。近年來，我國大力加強生態重要區域（尤其是自然保護區）的保護與管理，維護我國生態系統的多樣性。隨著工作的進行，暴露出人力投入大以及野生動物保護存在漏洞等多種問題，影響了自然保護區的建設。我們的研究主要針對目前自然保護區存在的問題而設計自然保護區巡邏機器人，通過現代化、自動化的手段來解決目前面臨的問題。相較于其他領域，自然保護區的智能化、機械化建設一直處于空白階段，科學地聯合現代化技術是解決諸多問題的有效手段[1]。

1 自然保護區問題分析

1.1 地形復雜

在我國，自然保護區主要地形包含山地、丘陵、濕地等，復雜的地理地勢限制了人工的活動，阻礙了對自然保護區的科研與調查，對其建設與發展造成嚴重影響。

1.2 人類活動因素

我國的自然保護區遍布全國，大多遠離人們的生活范圍，這就給不法分子可乘之機，他們在自然保護區從事違法活動，嚴重損害了公眾利益，阻礙了我國環境保護事業的建設與發展。

1.2.1 非法占用自然保護區

部分地區因為種種原因，存在非法侵占自然保護區進行養殖、耕種的情況，嚴重違背建立自然保護區的初衷，一定程度上阻礙自然保護區的恢復。

1.2.2 偷獵野生動物

在我國，許多自然保護區屬于野生動物保護區。許多偷獵者為了利益不惜鋌而走險，對保護動物進行捕殺，影響了生態結構。

1.2.3 污染自然保護區

在三江源、黃河三角洲等自然保護區，因為開設礦產、石油等工業，對自然保護區的環境造成嚴重破壞，相關政策進行管控后仍有不法分子私自開設污染企業。同時，其他開展生態旅游的自然保護區，受人為因素的影響，也受到不同程度的污染，對自然保護區造成嚴重破壞。

2 針對性解決辦法

2.1 技術描述

2.1.1 產品技術概要

本團隊研發的“自然保護區巡邏機器人”采用STM32F103系列單片機作為控制核心，搭載履帶式底盤，包含兩個XR25-370驅動電機，可以通過PS2手柄進行控制，用以應對各種復雜的地勢地形。采用FPV超清攝像頭并裝載于云臺上，通過Arduino板結合PS2手柄對2自由度云臺進行旋轉控制，攝像頭裝有舵機，結合云臺可實現全方位可視化，可連接手機或電腦進行查看，以此獲取周圍環境實況，滿足各種科研需求。以ZPH01、DHT11、MQ-135傳感器收集粉塵數據、溫濕度數據以及空氣質量數據，通過WIFI通信模塊ESP8266可將檢測到的數據上傳至OneNET云端，并由GPS-NEO-6M全球定位鎖定其方位，進行位置反饋，可以實時看到生態數據及位置信息，有關人員可通過定位信息獲取生態環境的有關數據，同時還搭載有6自由度的機械臂，可實現清障、樣本采集等多種工作，為工作人員提供更為人性化、便捷的用戶體驗[2]。

2.1.2 產品工作流程

本產品的運行主要面向野外的復雜環境，工作人員可將本產品放置在自然保護區，通過手柄控制行進，通過防抖動云臺搭載的攝像頭可實時獲取周圍環境，可用來觀察野生動物、監測動物群落動態，可以做到觀察火源，及時反饋，同時可以對違法犯罪行為進行記錄。搭載的機械臂可以實現清除、跨越障礙，并能破壞捕獸夾、坑洞、捕獸網、電子誘捕器等不法分子設置的陷阱，還能采集樣本供科研工作研究使用。配置的環境傳感器將會檢測采集到的環境信息等，通過WIFI模塊上傳至云端供工作人員查看數據，通過GPS了解數據的位置，當數據不達標時可協助工作人員進行藥劑投放。機器人功能圖如圖1所示。

圖1 機器人功能圖

2.2 分區介紹

2.2.1 中央微控制器數據處理分區

以STM32F103系列單片機作為中央處理器，充當控制核心，是數據的中轉站，是實現原始數據的處理以及數據的調配、發送、接收的區域，保證了產品的正常運轉。

2.2.2 環境檢測報警器

將ESP8266模塊作為數據發送站，將中央處理器處理后的粉塵、溫濕度、空氣質量、定位數據以WIFI通信協議發送到OneNET云端。輸出速率高達54Mb/s，保證了通信功能的正常運行。

2.2.3 OneNET云端

從OneNET云端數據存儲中心獲取環境檢測結果以及定位信息，工作人員及科研人員可以通過手機或電腦連接的FPV攝像頭隨時查看周圍環境，獲取實時資料。

2.2.4 履帶式底盤

通過兩個XR25-370驅動電機驅動履帶式底盤運動，其搭載的2自由度的云臺裝有FPV攝像頭及一個6自由度的機械臂，通過云臺與Arduino板結合實現攝像頭全方位可視化。攝像頭與機械臂的結合可完成多種復雜任務。

2.3 具體模塊介紹

2.3.1 粉塵檢測傳感器ZPH01

本傳感器是采用先進PM2.5檢測機理，實現對PM2.5的檢測。該傳感器中PM2.5檢測單元采用粒子計數原理，可靈敏檢測直徑1μm以上灰塵顆粒物。傳感器出廠前經過老化、調試、標定、校準，具有良好的一致性和極高的靈敏度。它具有PWM信號輸出，可配置成UART數字串行接口及定制IIC接口。有了ZPH01的加持，可有效提高本產品對環境的檢測并保證其精準度。粉塵檢測傳感器ZPH01如圖2所示。

圖2 粉塵檢測傳感器ZPH01

2.3.2 溫濕度傳感器DHT11

DHT11數字溫濕度傳感器是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器，它應用專用的數字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，確保產品具有極高的可靠性和卓越的長期穩定性。傳感器包括一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件，并與一個高性能8位單片機相連接。因此該產品具有品質卓越、超快響應、抗干擾能力強、性價比極高等優點[3]。本產品應用后可有效在自然保護區這種復雜的環境中獲得準確數據并反饋，為科研數據的獲取提供便利。溫濕度傳感器DHT11如圖3所示。

圖3 溫濕度傳感器DHT11

2.3.3 空氣質量檢測傳感器MQ135

MQ135氣體傳感器所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導率較低的二氧化錫。當傳感器所處環境中存在污染氣體時，傳感器的電導率隨空氣中污染氣體濃度的增加而增大。使用簡單的電路即可將電導率的變化轉換為與該氣體濃度相對應的輸出信號。該氣體傳感器可檢測煙霧和多種有害氣體，是一款適合多種應用的低成本傳感器，搭載這種傳感器后，本產品可以檢測多種有害氣體，對于自然保護區緩沖地帶的違規工廠進行及時反饋，保障環境生態[4]?？諝赓|量檢測傳感器MQ135如圖4所示。

圖4 空氣質量檢測傳感器MQ135

2.3.4 GPS-NOE-6M定位模塊

采用GPS-NEO-6M模組，體積小巧，性能優異，自帶陶瓷天線及MAXIM團隊20.5dB高增益LNA芯片，搜星能力強，可通過串口進行各種參數設置，并可保存在EEPROM中。它擁有IPEX接口，可以連接各種有源天線，適應能力強。GPSNOE-6M定位模塊如圖5所示。

圖5 GPS-NOE-6M 定位模塊

2.3.5 ESPS266模塊

ESPS266模塊是一款超低功耗的UART-WIFI透傳模塊，擁有業內極富競爭力的封裝尺寸和超低能耗技術，專為移動設備和物聯網應用設計，可將用戶的物理設備連接到WIFI無線網絡上，進行互聯網或局域網通信，實現聯網功能，不僅可以發送數據到服務器端，還可以接收服務器發過來的信息，可以進行遠程操控[5-9]。ESPS266模塊如圖6所示。

圖6 ESPS266 模塊

3 結語

本團隊設計的這款“自然保護區巡邏機器人”現階段是簡單的環境檢測設備，今后我們將對設備進行多方面改進，增加更多高精度檢測設備，提高其處理事務的能力，還會向多個領域拓展，以便適用于其他復雜甚至極端、特種場合。機器人搭載火情檢測模塊及相關滅火設備，可以代替人工進行火情預警、火場救援及滅火工作。機器人搭載紅外體溫檢測模塊及大型機械臂，可實現災后救援與恢復工作。目前本產品仍有較高的開發空間，將來可結合更多技術，在多方面發展。