吳永琢

WU Yong-zhuo

(青島酒店管理職業(yè)技術(shù)學(xué)院，青島 266100 )

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展， 自1990年IBM提出的“智慧地球”概念，在全球范圍內(nèi)掀起了全新的IOT研究的狂潮，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的時代隨之而來，物聯(lián)網(wǎng)主要分為三個層次，即：感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層。感知層主要采用各種傳感器技術(shù)來獲取各種物體信息和環(huán)境信息，通過現(xiàn)有的IPV4或云網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將信息傳遞至服務(wù)端及應(yīng)用開發(fā)端，根據(jù)相關(guān)信息開發(fā)出服務(wù)于人類的各種應(yīng)用軟件，比如智能電網(wǎng)、智能家居、智能醫(yī)療等。應(yīng)用最廣泛的是通過射頻信號采集編碼信息，實(shí)時跟蹤物體去向和發(fā)源地查詢等，但物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用在很大程度上無法實(shí)現(xiàn)智能控制和移動，因此與機(jī)器人技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)機(jī)器人，打造更智能的機(jī)器人終端，服務(wù)于各行各業(yè)，可拓展至工業(yè)、醫(yī)療、電力等。

機(jī)器人作為移動終端集成物聯(lián)網(wǎng)感知層技術(shù)應(yīng)用，通過機(jī)器人的智能分析和控制，采用無線網(wǎng)絡(luò)方式將信息傳遞應(yīng)用層，實(shí)現(xiàn)信息一體式管理和應(yīng)用，機(jī)器人作為智能控制的核心象征，其具有控制、機(jī)械、算法為特征的研究成果，必然將與物聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合，物品查詢、工業(yè)制造、醫(yī)療保健都將與物聯(lián)網(wǎng)機(jī)器人相結(jié)合，創(chuàng)造人類歷史上的又一突破，實(shí)現(xiàn)移動式物物聯(lián)網(wǎng)，真正實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)融入生活和生產(chǎn)，服務(wù)于人類。

1 系統(tǒng)概述

本系統(tǒng)在設(shè)計上采用了ARM和藍(lán)牙技術(shù)以及各種環(huán)境傳感器，可語音控制機(jī)器人，通過機(jī)器人可監(jiān)控任何一個處于可監(jiān)控范圍的情況。系統(tǒng)設(shè)計的物聯(lián)機(jī)器人可應(yīng)用于家庭、工廠等。其硬件設(shè)計上采用了ARM9，即三星公司生產(chǎn)的S3C6410，其采用了64/32位內(nèi)部總線架構(gòu)；包括許多強(qiáng)大的硬件加速器，像視頻處理，音頻處理，二維圖形，顯示操作和縮放；擁有一個優(yōu)化的接口連線到外部存儲器。存儲器系統(tǒng)具有雙重外部存儲器端口等優(yōu)點(diǎn)。軟件上以實(shí)現(xiàn)語音、自動充電、藍(lán)牙和圖像為主，通過環(huán)境信息的采集和分析，實(shí)現(xiàn)家庭控制、環(huán)境監(jiān)控等功能。

系統(tǒng)具備了家庭教育、移動定位、環(huán)境監(jiān)控、生活助理等應(yīng)用功能。也可采用的前沿科技技術(shù)，使物聯(lián)機(jī)器人可拓展具有娛樂、服務(wù)、移動互聯(lián)等功能。系統(tǒng)設(shè)計主要分為軟件系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)以及機(jī)械設(shè)計三個部分。 系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

本系統(tǒng)主要分為五層，其中應(yīng)用層在本文中沒有涉及，根據(jù)物聯(lián)機(jī)器人所預(yù)留的功能端口可實(shí)現(xiàn)應(yīng)用拓展，當(dāng)然本文主要設(shè)計的是藍(lán)牙通訊模塊對物聯(lián)機(jī)器人的控制，其次通過各種傳感器的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)各種信息的采集和分析，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)家居、移動機(jī)器人。

本文研究的物聯(lián)機(jī)器人主要應(yīng)用于家庭服務(wù)，可與智能家居相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)家庭教育和娛樂，家庭監(jiān)控、安全監(jiān)測報警等功能。

2 系統(tǒng)軟硬件設(shè)計

本文設(shè)計的物聯(lián)機(jī)器人系統(tǒng)硬件部分主要以ARM控制為主，并根據(jù)功能增加了外圍電路。系統(tǒng)硬件主要組成包括：核心控制模塊、無線藍(lán)牙通訊模塊、自動充電模塊、語音模塊以及多傳感器模塊等。

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示：

圖3 軟件流程框架設(shè)計圖

圖2和圖3是本系統(tǒng)中的硬件設(shè)計框架圖和軟件設(shè)計流程框架圖，針對硬件主要包括以上6大模塊，也是物聯(lián)機(jī)器人的核心處理模塊，而軟件設(shè)計上是在硬件平臺的基礎(chǔ)上進(jìn)行分析判斷的程序編寫，本系統(tǒng)是基于C語言進(jìn)行編輯，完成各種家庭服務(wù)和智能家居的應(yīng)用。

2.1 核心控制模塊

本系統(tǒng)核心控制模塊的核心處理器采用的是三星公司生產(chǎn)的S3C6410，具有64位內(nèi)部總線架構(gòu)。芯片內(nèi)部集成了硬件加速器，具有高速處理數(shù)據(jù)功能，完成音頻、視頻等數(shù)據(jù)的處理。此芯片具有豐富的硬件拓展接口，并集成了內(nèi)部存儲器，方便了代碼和數(shù)據(jù)信息的存儲。支持各種驅(qū)動和音視頻編碼操作，也支持外接存儲器，實(shí)現(xiàn)空間拓展。本系統(tǒng)選擇此款芯片具有高速、高效、低功耗、可靠等特性。

2.2 無線藍(lán)牙通訊模塊

藍(lán)牙作為短途通訊的有效通訊模式被全球各大行業(yè)廣泛應(yīng)用，隨著技術(shù)的發(fā)展，藍(lán)牙技術(shù)不斷完善，實(shí)現(xiàn)2.4GHz，1Mbps數(shù)據(jù)傳輸速率，并實(shí)現(xiàn)了全雙工通訊模式，經(jīng)過各行業(yè)對藍(lán)牙通訊的應(yīng)用驗(yàn)證，藍(lán)牙技術(shù)具有穩(wěn)定、安全和抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。

本系統(tǒng)的硬件實(shí)體主要分為三層，感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層，機(jī)器人感知層主要集成了各種傳感器、信號放大器、A/D轉(zhuǎn)化器等。通過采集各種數(shù)據(jù)信息通過藍(lán)牙通訊方式將數(shù)據(jù)傳輸至PC端進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和應(yīng)用。

2.3 行為執(zhí)行模塊

驅(qū)動電路部分主要采用L298N，其可直接對電機(jī)進(jìn)行控制，無須隔離電路，可以驅(qū)動雙電機(jī)。機(jī)器人采用四輪驅(qū)動方式，分別由四個直流電機(jī)控制，這四個直流電機(jī)通過L形支架分別固定在機(jī)器人軀體的兩側(cè)，通過控制這兩個直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，能夠完成向前直走、向后直走、并且左右轉(zhuǎn)彎、原地打轉(zhuǎn)這些平地的技術(shù)動作。

2.4 語音模塊

本系統(tǒng)的語音模塊主要采用的是凌陽16位微處理器芯片SPCE061A為核心,SPCE061A有一路專用于語音信號采集的A/D轉(zhuǎn)換電路(MIC輸入)，在系統(tǒng)核心板上設(shè)計了一路語音輸入，這樣就方便機(jī)器人采集人發(fā)出的聲音，其外圍電路簡單，通過簡單的濾波電路就可以實(shí)現(xiàn)語音的錄入，在聲音錄入終端采用了柱狀話筒。在軟件設(shè)計上SPCE061A核心芯片的語音內(nèi)存必須預(yù)先設(shè)定聲音才可以與其互動，初期系統(tǒng)設(shè)計上采用了10條對話語句，在機(jī)器人形成后需通過語音對其機(jī)器人進(jìn)行訓(xùn)練，然后通過代碼進(jìn)行比對輸入的聲源是否符合預(yù)先設(shè)定的，符合則采取相應(yīng)的動作，否則不執(zhí)行。此種語音模塊，可實(shí)現(xiàn)簡單的語音識別功能，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能，完成機(jī)器人語音對話。并且此種模塊技術(shù)實(shí)現(xiàn)上比較容易，易普及和拓展，用戶也可以根據(jù)不同的環(huán)境進(jìn)行語音訓(xùn)練進(jìn)行改變機(jī)器人動作和反應(yīng)。軟件實(shí)現(xiàn)流程如圖4所示。

圖4 語音實(shí)現(xiàn)流程圖

2.5 自動充電模塊

物聯(lián)機(jī)器人在運(yùn)動或完成任務(wù)過程中是不斷的消耗自身的電力，但大部分客戶在使用此類機(jī)器人時往往無法及時或按時給機(jī)器人充電，導(dǎo)致電池?fù)p壞。如何實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自動充電是本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的一個特點(diǎn)，本系統(tǒng)在硬件設(shè)計采用了低電壓檢測環(huán)節(jié)，當(dāng)機(jī)器人運(yùn)行過程中出現(xiàn)電源電壓低于預(yù)先設(shè)定的電壓值，機(jī)器人將按一定的方式尋找充電站，實(shí)現(xiàn)自動充電。充電完成后會自動駛向待命區(qū)，全部過程實(shí)現(xiàn)智能化，自動化。

通過研究和實(shí)驗(yàn)，在機(jī)器人充電方面選擇了感應(yīng)充電，此種充電是一種利用電磁感應(yīng)原理通過非接觸的耦合方式進(jìn)行能量傳遞的充電方式，充電方式合理，而且快速，易實(shí)現(xiàn)自動充電功能。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 自動充電原理圖

此種充電方式采用無接觸式充電，交流電輸入充電座后經(jīng)過整流和濾波，形成穩(wěn)定的交流電，再經(jīng)過諧振逆變器對電流進(jìn)行逆變，完成交流到直流的轉(zhuǎn)變，再通過感應(yīng)耦合將電流傳輸?shù)綑C(jī)器人電池輸入接口處，在機(jī)器人電池充電為保證電池平穩(wěn)充電也加入了整流濾波電路，完成機(jī)器人五接觸式能量傳輸。通過此種方式充電保證機(jī)器人充電過程的安全可靠，無須人工安全，降低了危險性。

物聯(lián)機(jī)器人應(yīng)用于家庭或者特定環(huán)境中，如何進(jìn)行充電站的尋找是設(shè)計的難道，機(jī)器人在電源電壓低于門檻電壓時，機(jī)器人可采用兩種方式進(jìn)行尋找，一為機(jī)器人按延墻走的方式，另一種是以無限發(fā)射和接收的方式進(jìn)行空間定位。本系統(tǒng)采用的為第二種，在機(jī)器人移動過程中將機(jī)器人看成為一個質(zhì)點(diǎn)，不考慮機(jī)器人再接近充電座的姿勢，當(dāng)機(jī)器人接近充電座時通過紅外傳感器向三個方向進(jìn)行搜索定位，并結(jié)合市場上現(xiàn)有的成熟傳感器進(jìn)行應(yīng)用，即避障和距離傳感器，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程和近程機(jī)器人應(yīng)用。物聯(lián)機(jī)器人安裝了兩種情況下的傳感器，對接充電座時準(zhǔn)確可靠。軟件實(shí)現(xiàn)流程圖如圖6所示。

圖6 自動充電軟件流程圖

在未知環(huán)境中要找到充電座相對比較難，因此在設(shè)計充電座時，將帶有特有標(biāo)識，方便機(jī)器人在近距離的過程中可以快速準(zhǔn)確找到充電座，實(shí)現(xiàn)充電功能，完成充電后，自動脫離充電座，到底制定距離的位置等待任務(wù)，超過10分鐘機(jī)器人將自動進(jìn)入睡眠狀態(tài)，保存能量，實(shí)現(xiàn)智能電力管理。

2.6 傳感器模塊

本系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)家庭環(huán)境監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)安全管理，集成了氣體含量檢測傳感器，避障傳感器、紅外傳感器、加速度傳感器、光電傳感器、環(huán)境傳感器、攝像頭等機(jī)器人控制用傳感器，通過機(jī)器人具有的攝像頭可通過藍(lán)牙通信實(shí)時傳輸圖像至手機(jī)，方便用戶監(jiān)測家庭狀況，實(shí)現(xiàn)智能監(jiān)控的功能。同時物聯(lián)機(jī)器人在地盤上安裝了七個地面灰度傳感器，實(shí)現(xiàn)夜間固定路線巡查并可實(shí)時監(jiān)測空氣中的甲醛、SO2等氣體的含量，達(dá)到一定量時將自動提醒用戶，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的智能家居功能。

3 結(jié)論

隨著物聯(lián)網(wǎng)和機(jī)器人技術(shù)的不斷更新，技術(shù)的結(jié)合程度將越來越高，本文根據(jù)發(fā)展趨勢搭建了一款具有家居智能的物聯(lián)機(jī)器人系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)了家庭教育、人機(jī)對話、環(huán)境監(jiān)測和管理以及系統(tǒng)本身的自動充電功能，真正實(shí)現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與機(jī)器人技術(shù)的結(jié)合，符合物聯(lián)網(wǎng)中的智能家居的發(fā)展方向。本系統(tǒng)在設(shè)計上預(yù)留了拓展接口，可根據(jù)研究需求進(jìn)行二次開發(fā)，可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)通信功能，人機(jī)界面的開發(fā)。使物聯(lián)機(jī)器人真正達(dá)到智能，服務(wù)于人類。

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