基于树莓派的机房巡检机器人

基于树莓派的机房巡检机器人
摘要：
针对机房管理的重复性、繁琐性等问题，设计了一款基于机房的一套智能化管理方案的机房巡检机器人系统。

本系统由巡检模块、机械臂模块、环境监测、视频监控模块、安防报警模块构成。

系统通过树莓派网关将数据整合，手机Android端可以实时监测机房的安防环境信息，并进行反向控制，树莓派外接摄像头实现系统视频监控，实现安防报警功能。

机房巡检机器人系统通过智能客户端实现对机房的监控管理，通过各类传感器进行感知，结合树莓派和手机移动端实现信息交互，大大减少了劳动强度，从而实现机房的无人值守，达到机房管理智能化，为机房设备提供安全保障。

关键字：机房巡检；树莓派；实时监控；Android
Inspection Robot For Computer Room Based on Raspberry Pi Abstract: Aiming at the repeatability and complexity of computer room management the computer room inspection robot is designed, which is a set of intelligent management scheme based on computer room. The system consists of patrol module, robot arm module, environmental monitoring, video monitoring module, security alarm module. By integrating the data through the Raspberry dispatch gateway, the smart phone can monitor the security environment information of the computer room in real time, and carry on the reverse control. The raspberry dispatch external camera realizes the system video surveillance, realizes the security alarm function. The computer room inspection robot system implements monitoring and management of the equipment room through a smart client. It senses through various types of sensors, and implements information interaction with the Raspberry Pi and mobile phone APP. This greatly reduces labor intensity, thus realizing the unattended operation of the equipment room and reaching the equipment room. Manage intelligent standards and provide better security.
Key words:Machine room inspection; Strawberry pie; real time monitoring; Intelligent robot; Android
引言：
现阶段，无人值守的信息通信机房越来越普遍，而机房作为信息存储的数据中心其安全性也越来越成为人们关注的焦点。

为了解决这一问题，提出了基于树莓派的机房巡检机器人的方案，为机房内设备的安全运行提供了保障。

机房巡检机器人系统作为安防监测的统一监测控制平台，可以通过移动端对机房内的状况进行统一的监测、控制，为管理员提供更加智能化的服务，通过巡检机器人小车搭载树莓派开发板，利用手机APP端实现远程控制，实现了对机房的智能巡检、环境监测、视频监控以及安防报警等功能，为机房管理员提供方便。

1系统总体设计
基于树莓派的机房巡检机器人主要包括智能机器人巡检模块、机械臂、智能环境监测模块、安防报警、视频监控和移动手机APP端等5个部分。

机房巡检机器人系统架构图如下图1所示。

本系统的主要功能模块为机器人巡检车体，通过智能机器人小车与RFID定位装置实现，在巡检过程中实现了机器人的自动避障、智能巡检、自动定位、智能控制等功能。

通过手机APP，可以控制智能小车机器人的巡航，机器人小车行驶到相应位置会自行自动定位，并显示在手机APP 端，当发现机房有设备未关时，可以控制巡检小车的机械臂，将设备关闭。

图1 系统架构图
1.1机器人巡检车体
树莓派的机房巡检机器人主要是通过搭载树莓派的智能小车车体与RFID读卡识别模块实现对机房的智能巡检、自动定位，通过车体搭载的温湿度、火焰、
人体红外等传感器获取机房环境信息，传感器检测到环境数据后会发送到树莓网关进行数据处理；管理员可以通过手机反向控制机器人，查看指定机房的视频监控信息，从而实现对机房的智能化、自动化巡检过程。

1.1.2 自动避障功能
该功能通过红外测距模块传回的数据进行分析判断智能机器人与障碍物之间的距离以及相应的位置，通过相应的算法进行判断分析向智能车驱动板发送相关的指令做出相应的躲避障碍物的动作。

红外测距模块是一种红外传感器，对环境光线适应能力强，其具有一对红外线发射与接收管，发射管发射出一定频率的红外线，当检测方向遇到障碍物（反射面）时，红外线反射回来被接收管接收，经过比较器电路处理之后，绿色指示灯会亮起，同时信号输出接口输出数字信号（一个低电平信号），可通过电位器旋钮调节检测距离。

如图2所示。

图2红外测距模块
1.1.3 室内自动定位功能
自动定位功能通过智能机器人上的RFID读卡识别模块读取地板上的RFID 高频卡以及智能机器人运动的方向来判断智能机器人所在的领域并反馈到手机端实现了智能机器人的实时定位功能。

RFID读卡识别模块可以自动工作，即是当卡刚靠近就会执行的操作，不需要任何命令，同时自动工作只发生在卡刚靠近的时候，所以不管自动工作的方式是什么都可以直接发送命令给模块，模块会按照命令执行并返回结果。

1.3机械臂模块
模块化机械臂包括5个舵机，每组舵机包括总线接口、驱动设备、以太网通讯设备和用于控制组件运动的电机，手机端通过WiFi模块将命令发送至开发板，实现对机械臂的控制，机械臂模块可实现智能控制机房设备的开启或关闭或捡拾地上的大块垃圾等方便快捷。

LSC 系列控制板通信协议格式表1所示。

帧头连续收到两个 0x55 ,表示有数据包到达。

表一控制板通信协议格式。

帧头数据长度指令参数0x55 0x55Length Cmd Prm 1…Prm N 1.4环境监测
环境监测系统主要以温度传感器、湿度传感器、人体红外传感器为例，将传感器与树莓派相连接，共同搭载到巡检机器人小车上，实现对机房环境数据的检测。

机房的温湿度信息采用DHT11温湿度传感器进行采集，数据在树莓派进行封装，最终汇总到网关，通过建立连接TCP发送到移动Android端。

1.4.1 DHT11温湿度传感器
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符合传感器。

它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感器传感技术，确保模块具有优质的可靠性与长期稳定性。

传感器包括一个电容式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连。

输出信号为数字信号单总线。

测试相关精度范围如表2所示。

指标范围
温度量程-20 - +60℃
湿度 5 - 95%RH
温度检测精度-2℃- +2℃
湿度检测精度-5%RH - +5%RH(25℃)
分辨率温度0.1℃
湿度1%RH
衰减值温度<0.1℃/年
1.4.2 人体红外传感器
参数配置：工作电压默认为DC4.5V至20V；静态功耗为50微安；电平输出为高3.3V，低0V；延时时间可进行调节（8秒-200秒）；感应封锁时间为2.5秒；触发方式L不可重复，H可重复，默认值为H；感应范围为-15+70度。

工作原理：感应模块通电后有一分钟的初始化时间，在此期间会间隔地输出0-3次，一分钟后进入待机状态。

感应模块采用双源探头，当人体从左到右或从右到左走过时，红外光谱到达双元的时间、距离有差值，差值越大，感应越灵敏，当人体从正面走向探头或从上到下或从下到上方向走过时，双元检测不到红外光谱距离的变化，无差值，因此感应不灵敏或不工作，所以安装感应器时应是探头双元的方向与人体活动的方向尽量相平行，保证人体经过时先后被探头双元所感应。

1.4.3 火焰传感器
该传感器可以检测火焰或者波长在760纳米—1100纳米范围内的光源，打火机测试火焰距离为80cm，对火焰越大，测试距离越远。

探测角度为60度左右，对火焰光谱特别灵敏。

采用比较器输出，信号干净、波形好、驱动能力强，超过15mA。

输出方式采用数字开关量输出（0、1），实现机房火焰环境检测。

1.5安防监控
采用树莓派开发板+摄像头，结合人体红外、火焰传感器组成。

作用是采集机房的火焰信息，当检测到火焰后，手机APP端调用语音包，发出语音报警，告知机房管理员及时处理。

1.6视频监控
通过在智能车体上搭载的树莓派开发板+摄像头实现，通过控制机器人小车的巡检实现对各个机房的视频监控，并可随时随地通过移动客户端查看机房内的详细状况。

系统结构图如图3所示。

图3 视频监控模块硬件图
2树莓派网关
树莓派开发板采用的是3代B系列，通过电脑进行远程连接，实现Linux 端编程。

树莓派网关端主要负责解析管脚接受到的环境数据，进行处理；与手机APP端建立连接，实现数据传输。

3移动智能端
移动智能端主要包括四部分：机房环境信息显示模块、安防监控信息显示模块、自动定位显示模块、机器人巡检控制模块。

环境监测主要是将获取的机房温湿度和人体红外信息实时进行更新；安防监测主要是检测机房的火焰信息，并能在手机APP端实现语音报警。

智能控制按钮实现对巡检功能的智能控制。

手机APP端功能结构图如图4所示。

图4 APP端功能结构图
系统实现的实物图如下图所示。

图5 系统实物图
结语
基于树莓派的机房巡检机器人系统实现智能小车巡航、避障、定位、智能环境监测以及对智能机器人的控制，机械臂处理相关事务等功能，采用传感器进行机房环境的监测，智能监控采用树莓派开发板+摄像头，实现视频监控，开启监控功能后，整个系统可以实时发送数据，用户使用移动客户端实现智能控制、监测，智能定位通过RFID卡实现，智能小车可以根据设置信息，自动巡航到达指定位置，大大减少了机房管理员的劳动强度。

该系统采用树莓派开发板为核心板，进行信息采集、处理和保存，利用串口通信技术实现与网关数据通信，以树莓派开发板构建树莓派网关，网关作为机房巡检机器人的控制中心，嵌入式网关基于Linux操作系统构建，手机APP能够显示监测数据，实现智能操作。

项目融合了当下流行的嵌入式开发技术，使用手机APP可以对机房设备进行远程遥控巡航检测、环境监测及安防监控等，实现了对机房的自动巡检、远程监控，同时考虑到机器人巡检的路径规划，实现了机器人的自动避障设计。

无论是从技术角度还是设计成本角度分析，都具有非常高的现实意义。

基于树莓派的机房巡检机器人已基本实现，受时间和本人能力的限制，很多细节处理的还不够好。

其次，所使用的传感器以及硬件设备均是从网上采购的，在误差检测上还存在很大的不足，没能将误差控制在标准范围内，在后期将进行完善维护。

参考文献：
[1] 张正培, 陈庆, 陆君杰,等. 数据中心机房智能巡检机器人的设计探究[J]. 中国金融电脑, 2017(2):48-55.
[2] 孟钰宇. 数据中心机房监控系统的设计与实现[D]. 北京工业大学, 2013.
[3] 唐亮, 陈瑞华, 王长宁. 用于数据中心机房的智能巡检机器人的设计[J]. 计算机与网络, 2018(6).
[4] 芦航东, 王卫东, 孙莲英. 基于智能机器人技术的供电系统信息机房移动视频监控系统架构分析[J]. 工程技术:引文版, 2016(12):00216-00216.
[5] 潘可佳. 基于物联网技术的机房智能监控系统设计与实现[D]. 电子科技大学, 2013.
[6] 崔壮, 李栋华, 刘彦君,等. 数据中心智能巡检机器人设计及关键技术研究[J]. 电气时代, 2017(12):130-133.
[7] 宋晓明. 变电站智能巡检机器人关键技术研究[D]. 长沙理工大学, 2013.
[8] 艾渊. 智能机器人巡检系统在信息机房的应用研究[J]. 电子世界, 2017(18):95-95.
[9] 张益辉, 王长宁, 孙玲. 信息机房的智能机器人巡检系统设计[J]. 计算机与网络, 2018(7).
[10 ]黄嘉东, 陈海平. 数据中心机房的智能巡检机器人设计及应用[J]. 计算机与网络, 2017(22):46-47.。