Roomberry 监控机器人：Roomba + Pi Zero + 摄像头

Roomberry 是基于 Roomba 的监控机器人，使用 Raspberry Pi Zero W 和摄像头模块。几年前，我开始进行一些测试，使用带有 RN-VX WiFly 模块的 Arduino One 远程控制 Roomba。

上个月，我决定重振这个想法，但有了一个新目标：将 Roomba 变成一个能够拍摄照片和视频的监控机器人。第一个想法是继续使用 Arduino 作为微控制器，使用 Arducam 模块来捕捉图片。然而我很快发现 Arduino 的图像处理能力对于我的兴趣来说太有限了。第二种选择是更改平台并使用带有摄像头模块的 Raspberry Pi Zero W。这种替代方案意味着一些挑战，特别是在供电方面，但也提供了更多的可能性。在这篇文章中，我将解释如何使用 Raspberry Pi Zero W 和摄像头模块构建 Roomberry，这是一个基于 Roomba 的监控机器人。

Roomberry 功能和网络界面的演示 可以在下面的视频中看到与之交互的开发。

iRobot Roomba

iRobot 的 Roomba 提供了一个开放式界面 (OI) 通过微型 DIN 连接器与机器人交互。 OI 是为 Roomba creator 2（600 系列的改编版）设计的软件界面。但是，它也与 500 和 700 系列完全兼容。然而，根据所使用的平台和固件版本，仍有一些错误。软件界面可让您操纵 Roomba 的行为并读取其传感器。可以在本文档中找到对其功能的完整说明。

迷你 DIN 连接器

Roomba 迷你 DIN 连接器 位于 Roomba serie 700 的右前方，有 7 个引脚。它的位置在 600 系列中略有不同，它的位置在 Roomba 的右后方，在一个可拆卸的塑料护罩下。 迷你 DIN 7 公连接器购买起来很复杂，但是更常见的迷你DIN 8 针公连接器 也兼容。

为了确保端口的连接/断开顺畅可靠，我使用针脚 1-2 将带有母连接器的 5 针电缆（专为 LED 灯条设计）焊接到迷你 DIN 8 针公连接器（电源）、6-7（接地）、3 (RxD)、4 (TxD) 和 5 (BRC)。但是，正如稍后评论的那样，最终不需要电源/接地连接。由此产生的电缆可以在下面的图片中看到。

Roomba 串口

要使用 OI，命令 应该通过双向串行通信发送 在迷你 DIN 7 针脚 3 (RxD) 和 4 (TxD) 中创建。此 UART 端口在 TTL 级别工作 (0 – 5 V)。这个电压非常适合使用 5V 逻辑的微控制器，就像大多数 Arduino 板一样。但是对于低电压逻辑电平的人（比如树莓派）来说，这并不好。

理论上，pin 3 (RxD) 会取 3.3 V 作为高逻辑电平。但是 Roomba 将在其引脚 4 (TxD) 上输出 5V，这可能会损坏 Raspberry Pi Zero。为了保证硬件安全，逻辑电平转换器 应该使用。最简单的方法是使用电阻分压器，我之前的项目 Calduino 中已经实现了这一点，但这可能无法在高速下工作（Roomba 的串行端口工作在 115200 波特）。

取而代之的是有源电平转换器。如果您想构建自己的电路，请使用此处说明的场效应晶体管 AN10441。一个更简单的选择是使用现有的双向逻辑电平转换器之一，例如来自 Adafruit 的转换器。该设备最多可以管理 4 个信号，并将它们从 5V 安全地降压到 3.3V。同时将信号从3.3V升至5V。

从 Roomba 为 Raspberry Pi 供电

有几种替代方案可以通过 Roomba 的电池供电：

由 Mini DIN 7 供电

迷你 DIN 7 提供不受管制的直接连接 在引脚 1/2 (Vcc) – 6/7 (Gnd) 到 Roomba 的电池。连接限制为 200 mA 虽然 PTC 自恢复保险丝 .它提供 20.5 到 10V 之间的电压，限制为 0.2A，功率为 2W。从这两个引脚连续汲取的电流不应超过 200 mA。绘制大于 500 mA 的峰值将重置保险丝。

Raspberry Pi Zero W 应该能够使用此电源工作。 Raspberry Pi Foundation 将典型的裸板有源电流消耗定为 150 mA。此基准将其置于 120 mA 之间 空闲 状态和180 mA 压力 （例如播放全高清视频）。但是，这里没有考虑相机的额外消耗。根据我的测量，相机（我使用这个相机，使用与版本 1 官方 Pi 相机相同的传感器）将功耗增加到 300 mA 以上，峰值为 450 mA。在我的测试过程中，保险丝在录制视频时多次跳闸。

总而言之，现有的热熔丝拒绝使用此连接为 Raspberry Pi Zero W 供电。我无法确定从电路板上取下保险丝是否可行且安全不损坏其他组件。

从外部移动电源供电

有一些替代方法可以避免这种保险丝限制。一方面，更简单的解决方案是使用移动电源 为 Raspberry Pi Zero 提供外部电源。但是，它将要求用户定期充电。另一种选择是在 mini DIN 7 电源和移动电源之间设计串行连接。通过几个电子元件，应该可以使用 Roomba 电池为移动电源充电。为了简化我的设计，我决定避免使用任何额外的电源。

电池供电

我终于决定绕过 保险丝 通过建立直接连接 到电池组 .此选项的对应之处是您必须部分拆卸机器人 .在 Roomba 600 系列中，底座按钮下方有两个直接连接到电池组的大垫子。在 Roomba 700/800 系列中，您将需要更多地拆卸几个组件。观看以下视频直到第 6 分钟，逐步了解如何访问机器人的主板 .完成后，只需将几根电缆焊接到电池垫上，如下图所示。

这些电缆将提供与电池的直接连接，不受任何保险丝的限制。它们提供 20.5 到 10V 之间的电压，具体取决于电池充电水平。但是，Raspberry Pi Zero W 需要 稳压的 5 V 电源。 要降低电压降低 用来。有很多选择可以做到这一点，包括使用廉价的线性稳压器 （例如 7805 TO-220）与几个电容器安装开关稳压器 .

由于其更高的效率 ，并且考虑到它会一直连接，我建议使用/购买质量好的 （避免中国仿制品）降压开关稳压器 .我使用了 Pololu D24V5F5 降压稳压器，它接受高达 36 V 的输入并将其降低到 5V，最大输出电流为 500 mA。它的额定效率在 85% 到 90% 之间，并且具有非常低的压差。您还可以使用 UBEC（通用电池消除电路），例如 RC 世界中常用的一种。我将电压调节器放在机器人右侧中心的一个自由空间中。

连接被热缩管妥善保护，D24V5F5 模块被绝缘塑料覆盖（我没有拍任何照片）。我将模块输出焊接到微型 USB 电缆上，这样我就可以将其直接连接到 Raspberry Pi 零 W 电源输入。

使用旋转钻孔工具和砂纸，我在 Roomba 的上盖上创建了一个小凹口，以使 micro USB 电缆的出口干净，如图所示下图。

Roomba OI 模式

Roomba OI 有四种操作模式：关闭、被动、安全和完整。

关闭模式 ：更换电池后或首次通电时，OI 处于关闭模式。在此状态下，Roomba 以默认波特率 (115200) 侦听端口，等待启动命令。可以随时发送重置和停止命令，并且也会在关闭模式下关闭 OI。

被动模式： 发送开始命令后，Roomba 进入被动模式 .在此状态下，您可以使用任何传感器命令请求和接收传感器数据。但是，您不能更改执行器（电机、扬声器、灯、低侧驱动器、数字输出）的当前命令参数。 Roomba 将进入被动模式 如果发送了清洁模式命令之一（Spot、Clean、Seek Dock 等），也会如此。

在被动模式下 Roomba 将进入关闭模式 5 分钟不活动后，以节省电量并保护电池。根据 iRobot 文档，只需在这五分钟到期之前定期将 BRC 引脚脉冲为低电平即可禁用睡眠。每个脉冲都应该重置这个五分钟计数器。在我执行的测试中（使用 Roomba 780），拉低 BRC 只会唤醒机器人，但不会阻止它进入省电模式。机器人醒来时会发出哔哔声（如果它不在充电站充电）。

安全模式 ：Roomba 将进入安全模式 如果发送了安全命令。安全模式可让您完全控制机器人并关闭所有电机和 LED。但是，如果不满足安全相关条件，机器人将自动进入被动模式 .这些安全条件是：在前进时检测到悬崖、车轮掉落和充电器连接。在此模式下，Roomba 不会充电（尽管在充电座上）并且不会在 5 分钟不活动后切换到关闭模式来节省电量。这一点非常重要：如果您不切换到被动或关闭模式，最终可能会耗尽机器人的电池并损坏它。

全模式 ：当您向 OI 发送完整命令时，Roomba 进入完整模式 .机器人的行为与安全模式完全相同，但不会考虑之前评论的安全相关条件，因此请注意风险！

电池注意事项 ：如前所述，在被动模式下，Roomba 将在 5 分钟不活动后休眠以节省电池电量。在安全和完整模式下，Roomba 永远不会休眠，如果长时间处于这种状态，即使插入充电器，它也会将电池深度放电。充电器会在所有模式下为 Roomba 供电，但不会在安全或完整模式下为电池充电。完成工作后和/或电池电量低时，必须将 Roomba 恢复到被动或关闭模式以保护它。

树莓派零 W

Raspberry Pi 零 W 是 Raspberry Pi Zero 的更新版本，带有 无线局域网 和蓝牙 .该型号包括一个 1 GHz 单核 CPU、512MB RAM、迷你 HDMI、一个微型 USB OTG 端口、用于供电的微型 USB、40 针接头、复合视频、复位接头、一个相机连接器，以及新的无线功能。它使用支持 802.11b/g/n Wi-Fi（仅 2.4GHz）和蓝牙 4.0（与 Raspberry Pi 3 Model B 相同的芯片）的 Cypress CYW43438 无线芯片。我在 Pimoroni 购买了带有接头（未焊接）和适配器的 16 欧元。

相机

Raspberry Pi Zero W CSI 摄像头连接器比 Pi 3 小。如果您已有相机，则必须购买适配器才能使用它。否则，我会建议购买此相机模块，它包含一个 5MP 传感器（与版本 1 官方 Pi 相机相同）并且可以以 1080p 录制视频。费用为 18 欧元。我选择了带红外切割的广角相机。我知道晚上我将看不到任何东西，但使用 IR LED 会增加能耗，我希望将能耗保持在较低水平。您可以随时使用飞利浦 HUE 灯远程控制您的家居灯。

为树莓派供电零 W

关于 Pi Zero 的电源需要考虑几个因素。首先，与较大型号不同的是，Pi Zero 没有任何调节器或保险丝 以保护它免受过电压或电流尖峰的影响。这意味着您应该提供稳定的电源 5 V。电源可以连接到右侧微型 USB (Pwr In) 或 GPIO 接头上的 5V 引脚。两者是同一条线。请确保如果施加的电压不正确或线路中出现电流尖峰，您可能会损坏 您的 Raspberry Pi 永久 .

正如已经评论过的那样，在运行压力测试时测量了连接摄像头的 400 mA 消耗峰值。树莓派基金会推荐至少1.2A的电源，不过buck调节器提供的0.5A对我来说已经足够了。到目前为止，我没有发现任何与电源有关的问题。

降低功耗

考虑到 Raspberry 需要使用 Roomba 的电池，减少会很有趣 功耗 越多越好。例如，知道 Pi Zero 将无头运行（没有连接显示器）并且只能通过 SSH 访问，因此无需为显示电路供电。禁用 HDMI 端口最多可节省 25 mA。为此，只需运行 /usr/bin/tvservice -o（或使用 -p 重新启用）。我在 /etc/rc.local 中放置了一个简短的脚本，用于检查 HDMI 电缆是否已连接并相应地禁用 HDMI 端口。

# 获取当前视频输出类型并去掉不重要的部分
video=“$(tvservice -s | sed “s/^.*\[\([^ ]*\) .*$/\1/ ”)“

if [“$video”!=“HDMI”];然后
printf“未检测到HDMI。正在关闭。\n”
tvservice -off> /dev/null
else
printf “检测到 HDMI。\n”
fi

另一种降低功耗的方法是禁用 Pi 的 LED。 Raspberry Pi Zero 只有一个活动 LED，每次访问 SD 卡时都会闪烁。其消耗约为 5 mA。要完全禁用它，请在您的 /etc/rc.local 文件中添加以下行：

# 将 Pi Zero ACT LED 触发器设置为‘none’
echo none |须藤三通/sys/class/leds/led0/trigger

# 关闭 Pi Zero ACT LED
echo 1 |须藤三通/sys/class/leds/led0/brightness

您也可以通过编辑 /etc/config.txt 文件来执行此操作：

# 禁用 Pi Zero 上的 ACT LED

dtparam=act_led_trigger=none
dtparam=act_led_activelow=on

我不确定这是否会转化为真正的消耗减少，但由于它不会被使用，您可以通过在 /etc/config 中添加以下行来禁用 Pi Zero 的蓝牙模块.txt：

# 在 Pi Zero 上禁用蓝牙

dtoverlay=pi3-disable-bt

最后，尽量减少Pi Zero中安装和运行的软件。例如，使用 Raspbian lite 而不是桌面版本，除非您真的需要，否则不要安装额外的软件。机器上运行的进程越多，它的消耗就越多。

其他注意事项

• 在 Pi Zero 中构建重置按钮将非常有用。这样您就可以避免每次要重新启动系统时都必须断开和连接电源。为此，您只需连接 Raspberry 标有 run 的孔 带有瞬时开关。我使用了 Sparkfun 的其中一款。

• 您需要使用 Raspbian Stretch lite 或更新版本的全新 MicroSD 卡。如本文所述，我建议使用尽可能大的卡片。尽管此处应用的配置试图减少磁盘写入，但留出充足的可用空间可确保 SD 卡的使用寿命更长。

• 本教程认为使用的 Raspberry Pi Zero 正在运行 Raspbian Stretch headless .您可以在之前的博文中阅读如何安装 Rasbian、创建新用户和使用 SSH 进行连接。

构建Roomberry

描述完所有部分后，让我们看看如何构建和运行 Roomberry，您的 Raspberry 与 Roomba 的接口。

我的目标是将组件（Raspberry Pi Zero、摄像头模块、逻辑电平转换器和开关按钮）封装在一个稳定的外壳中，便于访问所有端口和 SD 卡。除了打印我自己的 3D 设计之外，我发现的唯一选择就是这个。这个案例满足所有要求，并允许我附加一个 HAT（硬件附加在顶部），一个带有几个所需电子元件的附加板。下图显示了 PCB 架构。请注意，Run 引脚位于 Pi Zero 中而不是 HAT 中。要构建它，一块 12 x 10 引脚的 PCB 板就足够了。为了切割 PCB，我使用了旋转工具。

逻辑电平转换器 将需要高电压和低电压，这可以从 GPIO 获得（Pi Zero 包括一个从 5 到 3.3 V 的降压转换器，名为 PAM2306AYPKE）。我已经放置了切换按钮 在 Pi Zero 的中间，因为它是 HAT 的延伸。通过这样做，按钮的杆突出了外壳，因此可以从外部按下。您必须在外壳上钻几个孔：一个用于按钮蒸汽，另一个（更大）孔用于相机。此外，我必须仔细打磨为 CSI 连接器设计的外壳空间，以便为电缆 180 度旋转腾出空间。结果如下图所示：

配置 Raspbian Stretch

在将 Roomberry 连接到 Roomba 的 mini DIN 7 连接器之前，应执行一些配置步骤。假设 Raspberry Pi Zero W 正在运行最新版本的 Raspbian 并且已经设置为无头。

连接微型 USB 电源 之前构建于 Pi Zero。几秒钟后，系统应该启动并运行。打开到您的 pi Zero 的 SSH 连接。

默认情况下，Pi 的串行端口配置为用于控制台输入/输出 .要通过此端口与 Roomba 通信，需要禁用串行控制台登录。您可以使用 raspi-configchoosing 菜单 5 – 接口选项和 P6 – 串行来完成。回答否 到问题“您想登录 shell 以便通过串行访问吗？”并且是 到“您要启用串口硬件吗？”。暂时不要重启系统。或者，您也可以注释控制台定义并将以下行添加到文件 /boot/config 的末尾：

#查找并评论控制台定义
#console=serial0,115200
...
enable_uart=1

如果您还没有这样做，请启用相机模块 .同样，您可以通过 raspi-config 选择菜单 5 和 P1 选项来实现。另一方面，您还可以编辑文件 /boot/config 并包含这些更改（不需要禁用摄像头 LED，但建议使用以节省电量）：

start_x=1
gpu_mem=128
disable_camera_led=1

我不确定在使用相机模块时分配给 gpu_memory 的最佳 RAM 数量是多少。到目前为止，我在使用相机时还没有发现任何“资源不足”错误，因此我认为 128 Mb 是一个不错的选择。

禁用所有交换 并将 /tmp 目录挂载到具有 50 兆字节空间的 RAM 磁盘中。此位置将用于存储临时文件，例如相机快照和 Roomba 状态文件。将 etc/fstab 中的提交时间增加到 30 分钟，并在 SD 分区中包含 noatime 选项。在这篇文章中找到命令。

现在是测试一切是否正常的时候了。关闭您的 Pi 并将串行端口连接到 Roomba。将 Roomba 放在充电座 .启动系统并检查一切是否按预期工作（并且机器人没有做任何奇怪的事情）。

测试串口读取 ：我已经使用 minicom 读取 Roomba 发送的数据。要安装它，只需键入：

sudo apt-get minicom

通过以下方式连接Roomba的串口：

minicom –b 115200 -o -D /dev/serial0

如果您的 Roomba 正在充电，您应该会看到类似于下图的文本，每秒钟报告 Roomba 的充电状态。按 CTRL + A 和 X 退出 minicom。

阅读更多细节：Roomberry 监控机器人：Roomba + Pi Zero + 摄像头