自然保护区巡逻机器人设计

高文浩，董庆轩，尉天乐

唐山学院 智能与信息工程学院，河北唐山，063000

0 引言

我国广阔的疆域包含了多种多样的地形地貌，其中包含多种多样、功能综合的自然保护区。近年来，我国大力加强生态重要区域（尤其是自然保护区）的保护与管理，维护我国生态系统的多样性。随着工作的进行，暴露出人力投入大以及野生动物保护存在漏洞等多种问题，影响了自然保护区的建设。我们的研究主要针对目前自然保护区存在的问题而设计自然保护区巡逻机器人，通过现代化、自动化的手段来解决目前面临的问题。相较于其他领域，自然保护区的智能化、机械化建设一直处于空白阶段，科学地联合现代化技术是解决诸多问题的有效手段[1]。

1 自然保护区问题分析

1.1 地形复杂

在我国，自然保护区主要地形包含山地、丘陵、湿地等，复杂的地理地势限制了人工的活动，阻碍了对自然保护区的科研与调查，对其建设与发展造成严重影响。

1.2 人类活动因素

我国的自然保护区遍布全国，大多远离人们的生活范围，这就给不法分子可乘之机，他们在自然保护区从事违法活动，严重损害了公众利益，阻碍了我国环境保护事业的建设与发展。

1.2.1 非法占用自然保护区

部分地区因为种种原因，存在非法侵占自然保护区进行养殖、耕种的情况，严重违背建立自然保护区的初衷，一定程度上阻碍自然保护区的恢复。

1.2.2 偷猎野生动物

在我国，许多自然保护区属于野生动物保护区。许多偷猎者为了利益不惜铤而走险，对保护动物进行捕杀，影响了生态结构。

1.2.3 污染自然保护区

在三江源、黄河三角洲等自然保护区，因为开设矿产、石油等工业，对自然保护区的环境造成严重破坏，相关政策进行管控后仍有不法分子私自开设污染企业。同时，其他开展生态旅游的自然保护区，受人为因素的影响，也受到不同程度的污染，对自然保护区造成严重破坏。

2 针对性解决办法

2.1 技术描述

2.1.1 产品技术概要

本团队研发的“自然保护区巡逻机器人”采用STM32F103系列单片机作为控制核心，搭载履带式底盘，包含两个XR25-370驱动电机，可以通过PS2手柄进行控制，用以应对各种复杂的地势地形。采用FPV超清摄像头并装载于云台上，通过Arduino板结合PS2手柄对2自由度云台进行旋转控制，摄像头装有舵机，结合云台可实现全方位可视化，可连接手机或电脑进行查看，以此获取周围环境实况，满足各种科研需求。以ZPH01、DHT11、MQ-135传感器收集粉尘数据、温湿度数据以及空气质量数据，通过WIFI通信模块ESP8266可将检测到的数据上传至OneNET云端，并由GPS-NEO-6M全球定位锁定其方位，进行位置反馈，可以实时看到生态数据及位置信息，有关人员可通过定位信息获取生态环境的有关数据，同时还搭载有6自由度的机械臂，可实现清障、样本采集等多种工作，为工作人员提供更为人性化、便捷的用户体验[2]。

2.1.2 产品工作流程

本产品的运行主要面向野外的复杂环境，工作人员可将本产品放置在自然保护区，通过手柄控制行进，通过防抖动云台搭载的摄像头可实时获取周围环境，可用来观察野生动物、监测动物群落动态，可以做到观察火源，及时反馈，同时可以对违法犯罪行为进行记录。搭载的机械臂可以实现清除、跨越障碍，并能破坏捕兽夹、坑洞、捕兽网、电子诱捕器等不法分子设置的陷阱，还能采集样本供科研工作研究使用。配置的环境传感器将会检测采集到的环境信息等，通过WIFI模块上传至云端供工作人员查看数据，通过GPS了解数据的位置，当数据不达标时可协助工作人员进行药剂投放。机器人功能图如图1所示。

图1 机器人功能图

2.2 分区介绍

2.2.1 中央微控制器数据处理分区

以STM32F103系列单片机作为中央处理器，充当控制核心，是数据的中转站，是实现原始数据的处理以及数据的调配、发送、接收的区域，保证了产品的正常运转。

2.2.2 环境检测报警器

将ESP8266模块作为数据发送站，将中央处理器处理后的粉尘、温湿度、空气质量、定位数据以WIFI通信协议发送到OneNET云端。输出速率高达54Mb/s，保证了通信功能的正常运行。

2.2.3 OneNET云端

从OneNET云端数据存储中心获取环境检测结果以及定位信息，工作人员及科研人员可以通过手机或电脑连接的FPV摄像头随时查看周围环境，获取实时资料。

2.2.4 履带式底盘

通过两个XR25-370驱动电机驱动履带式底盘运动，其搭载的2自由度的云台装有FPV摄像头及一个6自由度的机械臂，通过云台与Arduino板结合实现摄像头全方位可视化。摄像头与机械臂的结合可完成多种复杂任务。

2.3 具体模块介绍

2.3.1 粉尘检测传感器ZPH01

本传感器是采用先进PM2.5检测机理，实现对PM2.5的检测。该传感器中PM2.5检测单元采用粒子计数原理，可灵敏检测直径1μm以上灰尘颗粒物。传感器出厂前经过老化、调试、标定、校准，具有良好的一致性和极高的灵敏度。它具有PWM信号输出，可配置成UART数字串行接口及定制IIC接口。有了ZPH01的加持，可有效提高本产品对环境的检测并保证其精准度。粉尘检测传感器ZPH01如图2所示。

图2 粉尘检测传感器ZPH01

2.3.2 温湿度传感器DHT11

DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性和卓越的长期稳定性。传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点[3]。本产品应用后可有效在自然保护区这种复杂的环境中获得准确数据并反馈，为科研数据的获取提供便利。温湿度传感器DHT11如图3所示。

图3 温湿度传感器DHT11

2.3.3 空气质量检测传感器MQ135

MQ135气体传感器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡。当传感器所处环境中存在污染气体时，传感器的电导率随空气中污染气体浓度的增加而增大。使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。该气体传感器可检测烟雾和多种有害气体，是一款适合多种应用的低成本传感器，搭载这种传感器后，本产品可以检测多种有害气体，对于自然保护区缓冲地带的违规工厂进行及时反馈，保障环境生态[4]。空气质量检测传感器MQ135如图4所示。

图4 空气质量检测传感器MQ135

2.3.4 GPS-NOE-6M定位模块

采用GPS-NEO-6M模组，体积小巧，性能优异，自带陶瓷天线及MAXIM团队20.5dB高增益LNA芯片，搜星能力强，可通过串口进行各种参数设置，并可保存在EEPROM中。它拥有IPEX接口，可以连接各种有源天线，适应能力强。GPSNOE-6M定位模块如图5所示。

图5 GPS-NOE-6M 定位模块

2.3.5 ESPS266模块

ESPS266模块是一款超低功耗的UART-WIFI透传模块，拥有业内极富竞争力的封装尺寸和超低能耗技术，专为移动设备和物联网应用设计，可将用户的物理设备连接到WIFI无线网络上，进行互联网或局域网通信，实现联网功能，不仅可以发送数据到服务器端，还可以接收服务器发过来的信息，可以进行远程操控[5-9]。ESPS266模块如图6所示。

图6 ESPS266 模块

3 结语

本团队设计的这款“自然保护区巡逻机器人”现阶段是简单的环境检测设备，今后我们将对设备进行多方面改进，增加更多高精度检测设备，提高其处理事务的能力，还会向多个领域拓展，以便适用于其他复杂甚至极端、特种场合。机器人搭载火情检测模块及相关灭火设备，可以代替人工进行火情预警、火场救援及灭火工作。机器人搭载红外体温检测模块及大型机械臂，可实现灾后救援与恢复工作。目前本产品仍有较高的开发空间，将来可结合更多技术，在多方面发展。