浅谈传统校园巡逻与校园巡逻机器人的结合应用*

孙静波 吴育炳 田儒学 黄彩艳

（兴义民族师范学院 贵州兴义 562400）

一、传统校园巡逻

1.传统校园巡逻现状

由于大学园面积一般较大，监控器存在死角等情况。多数高校的安保部门，会启用安保人员，人工对特定的校园区域进行巡逻，防范可能发生的安全事故，或对正在发生的安全事故进行处理。

2.传统校园巡逻的特点

（1）灵活性

根据实际情况，安保部门可以增派、减少安保人员数量，或调整巡逻频率、巡逻方式等。例如：节假日可以减少巡逻频率，对夜晚、监控死角等时间段和地点增派安保人员，对相隔较远的两个巡逻区域，可以配备巡逻车通勤。进而高效利用安保人员，提高安保效率的同时减少用人成本。

（2）主动性

安保人员，与视频监控、防盗设施等相比，在发现可疑的人员、事物时，可以上前询问、查看，对其进行排查。一定程度上，可以从源头上防止安全事故的发生。从而保障高校园安全。

（3）及时性

安保人员，在发现安全隐患时，可以立刻按照相关规定排除安全隐患。在遇到安全事故正在发生时，也可以按照相关规定进行处理。只要发现安全问题，就能及时地现场处理。进而防止安全事故影响扩大，减少安全事故带来的负面影响。

二、校园巡逻机器人

1.校园巡逻机器人

本项目的校园巡逻机器人，主要依托于简单的硬件与软件结构，实现自动巡逻，按照固定路线对特定区域巡逻，发现人员向监控中心发出提示，结合人工远程观察图像传感器回传的信息来判断其是否有安全隐患。

2.校园巡逻机器人的特点

（1）自动化

在校园等基础道路设施固定不变场景中，可以按照固定的路线进行巡逻。从而减少人工巡逻、操作的时间成本，提高安防工作的效率。一定程度上可以替代人工巡逻。

（2）巡逻效率稳定

安保人员，在夜晚、寒冷天气，等情况下巡逻效率会因为时间、温度或个人因素等影响而降低。而校园巡逻机器人的机器结构，使得其无人类生理上的限制，从而保障巡逻效率。

（3）成本较低

从长期来看，相较于聘用安保人员的工资费用，校园巡逻机器人的制造与使用成本较低。而且由于程序具有通用性，巡逻机器人的数量越多，就可以分摊开发程序的成本，使其单位成本降低。

3.校园巡逻机器人的总体架构

该项目中的巡逻机器人采用B/S与C/S架构混合实现，服务器位于智能小车的树莓派上，其原因主要是为了便于图像数据的处理。客户端由拥有浏览器的移动设备或电脑主机来充当，可以远程的操作机器人与读取机器人采集到的相关环境信息，便于在不同的场景使用，提高了使用环境的兼容性。

4.校园巡逻机器人的数据流向

由上层客户端通过浏览器界面或者App界面的点击等事件，产生用户所需的电机的速度、方向、模式等数据。通过get请求将数据发往树莓派上的flask服务程序，通过首次解析出精简的数据，再通过socket发往树莓派c服务程序进行数据封装并最终发往下位机stm32。见图1。

图1

5.校园巡逻机器人的硬件结构

（1）硬件组成

本项目的主要采用的硬件有主控Stm32f407ZGT6（Flash 1M）和树莓派4b开发板，因为stm32性能稳定偏底层且廉价，树莓派偏应用层便于上层开发且其使用的系统Linux本就在服务器领域占有一席之地。wifi模块直接采用树莓派自带的wifi模块，图像采集模块使用免驱usb工业摄像头。电机及电机驱动模块暂用直流电机和l298n电机驱动以便于调试与使用，而电源模块采用可充电的18650锂电池因为该项目的机器人在运行过程中树莓派一个就需要3A的电流，再加上stm32和4直流电机需要大于3A的启动电流为了保证系统的稳定供电且18650锂电池容量大，稳定，可以串并联便于扩展容量也是目前市面上最常用的电源之一，所以选择可充电的18650锂电池。

（2）电机驱动部分

电机要想动起来就要连接到电源，要想控制电机的方向和速度就要用单片机和驱动电路，由单片机产生Pwm。Pwm即脉冲宽度调制，即通过数字信号来获取模拟信号用若干列脉冲的宽度进行调制，等效出所需要的波形（包含形状以及幅值），将模拟信号电平高低进行数字编码，也就可以通过调节占空比的变化来调节信号、能量等的变化。占空比就是指在一个周期内，信号处于高电平的时间占据整个信号周期的百分比，例如图矩形方波的占空比就是50%。见图2。

图2

以上占空比可以通过stm32来输出高低电平配合L298n就可以调节电机的转速（转速正比于占空比），方向（可以通过l298n的逻辑信号输入来控制）。

6.校园巡逻机器人的软件设计

（1）程序逻辑

c服务启动后不停地监听客户端，等待客户端连接后对接收到的指令封装后发往下位机。

图3

（2）图像采集与展示

采用flask服务程序获取树莓派对应设备接口获取图像数据并利用python里的yield来处理大量的图像数据发往前端页面进行展示。

（3）巡逻机器人的导航逻辑程序

①实现导航的基本步骤及其逻辑

将巡逻机器人放在实际需要巡逻的场景中，通过控制端操作机器人做出相应的巡逻动作，实现想要的巡逻轨迹。与此同时c服务程序将接收到的指令处理成十进制数形式后正序保存于文件save.map中。

②正向复航

点击复航按钮后，读取save.map中的相关数据，使机器人根据数据重复保存的巡逻路径。

③逆向复航

采用双链表将正序保存的数据进行逆向读取并保存的方式，在调用该模式时执行。

（4）协议封装

为了便于数据传输稳定，在c服务程序中封装了以下协议，协议由语法、语义、时序三要素组成，语法是协议帧格式的定义结构类型。本次数据结构类型上不采用struct而是采用了类似结构的类型union共用体。

（5）控制模块

控制模块主要依靠各大移动端设备的web浏览器或安卓手机App等来获取控制数据并通过ajax来快速异步提交数据，具有控制指令延时低、跨平台等特点。

7.校园巡逻机器人设计过程中的存在的问题

（1）视频采集问题

由于校园巡逻机器人，设计之初考虑到尽量减少在巡逻时对道路资源的占用。所以体积较小、高度较矮。故在采集人像时，若行人过高，或者巡逻机器人与行人距离过近，会导致机器人图像采集设备采集到的人像信息由于角度原因致使人像信息被软件准确识别的概率变低。此问题可以根据实际情况，来调整机器人人像采集设备的高度，或调整机器人与被检测者之间的距离来解决。还有面对复杂的光照环境时，采集到的图像信息会失真，将无法准确识别到相关信息。

（2）道路平坦程度

由于每个高校校园中的地理情况都不同，设计之初只考虑了平整的铺装路面，所以此巡逻机器人的机械主体离地间隙较小。若需要通过不平坦的非铺装路面时，需要更换四个轮胎，或加高主体来解决此问题。

三、校园巡逻机器人较传统校园巡逻的优势

1.效率稳定性

安保人员的巡逻效率会受到巡逻时间段、气温等影响，而巡逻机器人得益于其机械构造，所以巡逻效率较稳定。

2.成本优势

校园巡逻机器人使用成本相比安保人员的聘用工资较低。

3.信息储存能力

在巡逻机器人巡逻的过程中通过视频硬件采集到的图像信息，可以储存到指定的存储设备上，若其图像信息采集设备采集到事故相关内容，可便于在安全事故发生后，可以提供相关的线索或有力的视频证据。以及回顾事故发生的过程，便于吸取经验。

四、传统校园巡逻较校园巡逻机器人的优势

1.及时性

传统校园巡逻方式，采用安保人员进行实地巡逻，在巡逻中，发现安全隐患、事故时可以直接由安保人员立即处理。一定程度上可减伤安全事故的发生概率，降低安全事故带来的损失。

2.监控视野更广

人眼的水平视角范围为188度，且在光线复杂的情况下，也能发现安全隐患。但本项目的校园巡逻机器人的图像传感器，由于成本和技术原因，无法达到此程度。

3.通过性

在面对复杂的地面环境时，例如：巡逻草坪、积水、坑洼、楼梯时，人体具有较好的通过性，巡逻机器人由于结构原因不能通过。

五、传统校园巡逻与校园巡逻机器人的结合应用

由于传统校园巡逻，与校园巡逻机器人各有其优点，一定程度上能相互弥补。所以将二者结合运用于实际的校园安防工作具有一定的可行性，有望提升校园安全等级，其具有以下优点。

1.减少安防成本

要兼顾巡逻效率与巡逻范围，传统的校园巡逻方式中，最有效的办法就是增设安防人员数量，而随着我国人口老龄化、经济增长，用人成本也水涨船高，这会导致高校在安防方面有资金压力。而若在原有校园安防人员巡逻的基础上，增设校园巡逻机器人，机器人较低的使用成本，加之其具有一定的安防性能。便可在使用较低的费用的前提下，提高校园安防水平。

2.提高巡逻效率

由于人自身就有生理限制，安保人员在半夜时段巡逻时，会因为生理原因，导致巡逻效率低。而若在半夜使用巡逻机器人进行巡逻，只需一名安保人员在监控室观察巡逻机器人的回传图像与分析结果即可。这样可提升巡逻效率。

3.提高容错率

校园巡逻机器人可能因为硬件原因，导致无法捕捉到有效的图像信息，或因为光照条件差，导致人像识别成功率降低。但根据我们的经验，其在一般情况下可以提高校园安全水平。而传统的人工巡逻方式，在巡逻人员责任心差或受到生理限制时会导致巡逻效率低，甚至遗漏存在的安全隐患。所以将两者结合在一起使用可以提高整个安全巡逻方面的容错率。

结语

虽然传统的校园巡逻方式有其优点，但是随着科学技术的日新月异，以及5G技术的广泛应用。将信息技术赋能校园巡逻中是可行之策，虽然目前巡逻机器人还有许多不足之处，但是尝试将其运用于校园巡逻中，也具有一定的积极影响。我们相信随着信息技术的发展，以及无人驾驶时代的来临，将来可以实现校园无人巡逻，极大地提高校园巡逻效率，有效地保障财产与人身安全。