張浩華 趙小姝 劉玲 于欣禾 程立英

摘 要：為了實現(xiàn)對地震、泥石流等災(zāi)害現(xiàn)場的實時監(jiān)控，依托WiFi網(wǎng)絡(luò)和遙控機器人技術(shù)設(shè)計了一臺智能搜救機器人，引入多種傳感器設(shè)備，實現(xiàn)災(zāi)后現(xiàn)場的實時監(jiān)控和救援。通過無線傳輸技術(shù)實現(xiàn)機器人上位機與下位機之間的通信，下位機軟件將機器人采集到的視頻信息傳送到上位機，上位機根據(jù)所接收到的視頻信息向下位機發(fā)送控制命令，實現(xiàn)遠(yuǎn)距離移動監(jiān)控。通過在機器人車體上搭載機械臂拓展機器人的搬運功能，實現(xiàn)作業(yè)現(xiàn)場障礙物清除工作。重點闡明了基于WiFi技術(shù)的智能控制機器人系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計。實驗結(jié)果表明，本次設(shè)計的智能搜救機器人能有效實現(xiàn)災(zāi)后現(xiàn)場的遠(yuǎn)程移動監(jiān)控和救援，具有一定的可靠性和實用性。

關(guān) 鍵 詞：WiFi；移動監(jiān)控；機器人

中圖分類號：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

（寶寶，英文摘要在文后，麻煩你找一下）

0引 言

近年來地震、泥石流等自然災(zāi)害頻發(fā)為人們的生命財產(chǎn)安全帶來了極大的威脅，災(zāi)后搶險救援工作更是因為現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境復(fù)雜、通訊中斷等問題變得極為困難。WiFi無線網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)技術(shù)因其無線接入、高效傳輸、價格低廉等特點迅速進(jìn)入人們的視野[ ]，并被眾多的專家、學(xué)者運用到智能控制的研究中。通過WiFi網(wǎng)絡(luò)控制的機器人能夠有效彌補傳統(tǒng)機器人的操控局限性，也可以實現(xiàn)實時視頻圖像傳輸以及機器人攜帶傳感器的相關(guān)信息采集，更能夠使機器人的控制端便捷化、多樣化。

1系統(tǒng)框架設(shè)計

本次設(shè)計的智能搜救機器人是以IAP15F2K61S2芯片為核心控制器，加上無線通信技術(shù)實現(xiàn)的履帶式機器人。根據(jù)履帶式機器人的功能要求設(shè)計了機器人的機械結(jié)構(gòu)和驅(qū)動系統(tǒng)，通過單片機實現(xiàn)對各個驅(qū)動電機的控制；通過在小車上增設(shè)視頻攝像頭、紅外線傳感器、超聲波傳感器等模塊實現(xiàn)機器人對周圍環(huán)境信息的采集；通過無線WiFi模塊實現(xiàn)機器人與控制終端之間的通信，采用2.4G無線通信技術(shù)[ ]實現(xiàn)語音、圖像、視頻等信號的無線傳送?？刂平K端可以選擇PC機、智能手機或平板電腦等智能設(shè)備，通過安裝C#語言開發(fā)的PC端和Android系統(tǒng)控制軟件實現(xiàn)對機器人的無線控制。并通過增加超聲波傳感器，機械臂

2系統(tǒng)硬件設(shè)計

智能搜救機器人的系統(tǒng)主要由控制終端、硬件電路和軟件設(shè)計三個模塊組成，其硬件部分主要包括處理器、機器人載體、電機驅(qū)動、電源供電系統(tǒng)、傳感器、機器人顯示屏、無線通信模塊、機械臂、攝像頭等。

2.1處理器選擇及設(shè)計

本次設(shè)計選用宏晶公司最新STC15系列IAP15F2K61S2芯片，該芯片是增強型的8051CPU，1T單時鐘機器周期，速度比普通8051快8-12倍。具有ISP/IAP（在系統(tǒng)編程/在應(yīng)用編程）功能，并且不需要編程器仿真器，可以直接當(dāng)仿真器使用。片內(nèi)擁有大容量2048字節(jié)的SRAM和EEPROM，可擦寫10萬次以上。片內(nèi)還擁有8通道10位高速ADC和3路PCA模塊。開發(fā)板上還搭載了許多功能模塊，完全能夠滿足我們的設(shè)計要求。

2.2機器人載體及驅(qū)動模塊設(shè)計

為滿足機器人搭載多個功能模塊的載重需求，克服作業(yè)現(xiàn)場的復(fù)雜環(huán)境要求，本次設(shè)計選用了大功率路虎雙履帶式車體底盤作為機器人載體。履帶式底盤具有很強的附著力和越障能力，可在凹凸不平的地面上行走，能夠適應(yīng)災(zāi)后復(fù)雜的地形變化。為保證機器人運動流暢，在設(shè)計中為路虎底盤安裝了兩個12V大功率電機，同時采用了L298N驅(qū)動芯片驅(qū)動兩個直流電機。L298N芯片是恒壓恒流橋式2A驅(qū)動芯片，即可

驅(qū)動兩個二相電機，也可驅(qū)動一個四相電機，輸出電壓最高可達(dá)50V可以直接通過電源來調(diào)節(jié)輸出電壓，可以直接用單片機的IO口提供信號，電路簡單，使用方便。

2.3舵機云臺攝像頭

攝像頭[ ]是捕捉作業(yè)現(xiàn)場視頻信息的重要部件，為適應(yīng)災(zāi)后現(xiàn)場煙霧、灰塵等不良因素的影響，本次設(shè)計為機器人配備了高清免驅(qū)攝像頭和紅外攝像頭，提升了黑暗條件下的圖像捕捉能力，增強了對人體等生命信息的辨識能力，提升了機器人的搜救效率。攝像頭采用了雙軸云臺底座，可實現(xiàn)上下、左右各180度旋轉(zhuǎn)，增大了攝像頭的掃描范圍。云臺通過PWM脈沖控制舵機的旋轉(zhuǎn)角度，當(dāng)云臺移動到特定位置時，控制終端發(fā)送動作命令，云臺根據(jù)接受到的PWM脈沖長度調(diào)整轉(zhuǎn)動角度，實現(xiàn)多角度多方位的現(xiàn)場視頻信息采集。

2.4無線通信模塊

無線通信模塊[ ]是實現(xiàn)單片機與機器人小車控制端通信的主要部件，也是整個無線智能視頻監(jiān)控機器人設(shè)計的重點。無線通信模塊需要與單片機進(jìn)行通信，單片機采用的是TTL串口通信，所以本次設(shè)計選擇了帶有TTL串口的WiFi模塊。把普通的無線路由器[ ]刷入開源的Openwrt系統(tǒng)，使之成為一個運行了Linux系統(tǒng)的小電腦。然后在機器人小車上安裝設(shè)置Ser2net程序、驅(qū)動、加載USB攝像頭。通過在WiFi模塊中安裝mjpg-streamer程序，對USB攝像頭的視頻進(jìn)行編碼，然后以無線傳輸?shù)姆绞椒祷氐絇C機（或Android手機）控制端。無線路由器一般都預(yù)留TTL串口，主要用來調(diào)試或者刷機。WiFi把這個TTL串口引出來，通過安裝在路由器中的Ser2net軟件，把WiFi信道的指令傳輸?shù)酱谳敵?，串口就可以與單片機芯片MCU通信[ ]，把指令傳輸?shù)絾纹瑱C芯片上，從而執(zhí)行相應(yīng)的操作任務(wù)。

2.5機械臂

機械臂[ ]是機器人動作的執(zhí)行機構(gòu)，主要任務(wù)是抓舉或搬運重物，因此需要為機械臂提供足夠的動力。本次設(shè)計的機械臂是具有6個自由度的機械臂，并且配備了6個MG996R大扭矩舵機，通過鋼架結(jié)構(gòu)組合到一起，實現(xiàn)機械臂的多角度旋轉(zhuǎn)。

2.5傳感器及顯示屏

機器人車體搭載了一個溫濕度傳感器、3個超聲波傳感器和一個液晶顯示屏。

溫濕度傳感器[ ]采用DHT11數(shù)字溫濕度傳感器，它應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，并且內(nèi)含已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出信號，具有極高的可靠性和極強的穩(wěn)定性。DHT11傳感器包括一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件，并與一個高性能8位單片機相連接，直接將檢測到的數(shù)字信號發(fā)送到模塊。

超聲波傳感器[ ]使用HC-SR04超聲波傳感器，超聲波傳感器使用的是HC-SR04超聲波傳感器，該傳感器所需供電電壓為5V，工作靜態(tài)電流小于2mA，感應(yīng)角度不大于15°，探測距離在2cm-450cm之間，探測精度可達(dá)0.3cm。

顯示屏采用Nokia5110液晶顯示屏，此液晶屏是84x48 的點陣LCD，可以顯示4 行漢字。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 WiFi模塊

WiFi模塊通過構(gòu)建一個可以運行TCP/IP協(xié)議的局域網(wǎng)將機器人的上位機與下位機連接到一起，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。機器人啟動后會首先創(chuàng)建一個套接字Socket，同時建立一個IP地址，用于監(jiān)聽有效的Socket端口，再調(diào)用accept函數(shù)從連接請求隊列中獲得連接信息，等待與操作終端構(gòu)成連接。若連接成功，則服務(wù)器端的線程與客戶端進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，服務(wù)器端根據(jù)客戶端的請求做出相應(yīng)的處理；客戶端在接收數(shù)據(jù)后，根據(jù)需要發(fā)送的控制信號設(shè)置移動驅(qū)動信息給服務(wù)器端；數(shù)據(jù)通信完成后關(guān)閉該線程，重新進(jìn)入主線程循環(huán)。

局域網(wǎng)通信是機器人上位機與下位機連接的重要環(huán)節(jié)，在這一環(huán)節(jié)中通信協(xié)議起到至關(guān)重要的作用。上位機與下位機之間進(jìn)行通信有兩種方式，一種是單字符通信，另一種是數(shù)據(jù)包格式通信。由于單字符通信方式煩擾較大，因此本次設(shè)計采用了數(shù)據(jù)包格式傳送指令，包頭用0xFF，包尾用0xFF，無校驗位。上位機利用無線網(wǎng)卡通過Socket發(fā)送數(shù)據(jù)包到路由器，路由器通過解包機制把數(shù)據(jù)包解開，通過串口發(fā)送到單片機并通過控制模塊執(zhí)行相關(guān)操作。其協(xié)議規(guī)定如表1所示。

3.2上位機軟件設(shè)計

上位機軟件的主要功能是實時接收并顯示W(wǎng)IFI模塊傳輸?shù)囊曨l數(shù)據(jù)、下位機傳感器數(shù)據(jù)和發(fā)送控制命令。軟件主界面中包含若干控制按鈕和視頻顯示窗口，控制按鈕用來進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接、開關(guān)視頻、設(shè)置參數(shù)、發(fā)送機器人移動命令、機械臂動作命令等。上位機控制軟件使用C#.NET語言開發(fā)的客戶端，IDE為Visual Studio 2010[ ]。首先利用編程器的自帶控件設(shè)置客戶端的兩個窗口，包括一個顯示主窗口和屬性配置窗口，分別用于實現(xiàn)視頻顯示及運動控制和機器人控制指令的自定義鍵值設(shè)置；再通過TCP/IP協(xié)議創(chuàng)建Socket套接字實例[ ]，對按鈕設(shè)置相應(yīng)的指令代碼；然后上位機通過Connect方法連接到路由器，通過Send方法向路由器發(fā)送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)發(fā)送完成后使用Close方法關(guān)閉Socket以釋放所占用資源。

3.3下位機軟件設(shè)計

下位機程序主要包括：主循環(huán)、串口中斷、定時器0中斷（舵機控制）等。

3.3.1 主循環(huán)

3.3.2 串口中斷

3.3.3 定時器0中斷

定時器0用于舵機控制的中斷服務(wù)子程序，并且為了最大限度地減少命令接收延時和防止數(shù)據(jù)丟失，我們將命令接收程序放在中斷服務(wù)程序中。當(dāng)路由器發(fā)來數(shù)據(jù)時，單片機產(chǎn)生串口中斷，進(jìn)入中斷服務(wù)程序，在中斷服務(wù)程序中接收數(shù)據(jù)，并保存在數(shù)組中。在接收完數(shù)據(jù)后調(diào)用數(shù)據(jù)分析函數(shù)，把數(shù)據(jù)賦值給相應(yīng)變量，最終執(zhí)行命令。

4系統(tǒng)運行測試

經(jīng)測試證明，本機器人可通過上位機看到智能搜救機器人采集的視頻信息，通過上位機的對應(yīng)按鈕的操作，可控制機器人實現(xiàn)前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)等基本移動功能，且履帶式底盤設(shè)計使機器人具有良好的越障性能。并可在上位機上看到機器人采集的溫度、濕度和超聲波測量的距離?？煽刂茩C械臂實現(xiàn)簡單的動作。

5結(jié)束語

本文設(shè)計并實現(xiàn)了基于WiFi技術(shù)的智能搜救機器人，分別從機器人的硬件設(shè)計、軟件設(shè)計以及系統(tǒng)測試等方面做了詳細(xì)介紹。基于WiFi技術(shù)的智能搜救機器人結(jié)合了實際需要，通過WiFi技術(shù)解決了遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控、環(huán)境信息采集、數(shù)據(jù)回傳和遠(yuǎn)程機器人控制的任務(wù)，可采用PC機或者Andriod系統(tǒng)手機等電子設(shè)備對機器人進(jìn)行控制，操作簡便，可應(yīng)用于多種危險環(huán)境中的救援作業(yè)，具有很強的創(chuàng)新性、實用性和可推廣性。

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WiFi technology based Intelligent search and rescue robot

Zhao Xiaoshu，Zhang Haohua，Yu Xinhe

（College of Physical Science and Technology，Shenyang Normal University，Shenyang 110034，China）

Abstract：In order to realize real-time monitoring of the earthquake and the mud-rock flow，this article based on WiFi network and Remote control robot technology to design a set of Intelligent search and rescue robot，introducing a variety of transducer，to achieve real-time monitoring and rescue at the scene of the disaster.The superordination machine and the lower-computer through wifi network exchange information to each other. The software of singlechip processor to collected the robot video information transmitted to the PC and PC based on the received video information send control commands to the lower-computer to make mobile monitoring over a long distance come true.The robot's mechanical arm was loaded on robot to achieve equipments of handing so as to obstacles cleanup operation on the spot.This paper mainly expounded Intelligent control of robots of the hardware and software of the control system based on wifi network technology design.The experimental result shows that the design of the Intelligent search and rescue robot can effectively realize the real-time monitoring and rescue at the scene of the disaster.It is has certain reliability and practicability.

Key Words：WiFi；Mobile monitoring；Robot；

雜志郵寄地址（快遞可以收到）：遼寧省沈陽市皇姑區(qū)黃河北大街253號 110034 趙小姝 15140156211

請為本論文開具發(fā)票，發(fā)票抬頭：沈陽師范大學(xué)

張浩華（1977年1月），陜西西安，沈陽師范大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，副教授，碩士生導(dǎo)師，博士，研究方向：智能控制、復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)、嵌入式系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用；

趙小姝（1993年1月），遼寧開原，沈陽師范大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，碩士研究生，研究方向：智能控制、復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)；

通訊地址：遼寧省沈陽市皇姑區(qū)黃河北大街253號（110034）；

郵箱：zxshude@163.com；

聯(lián)系電話：15140156211；

基金來源：遼寧省教育廳高等學(xué)校科學(xué)研究項目（L2013418）；遼寧省科技廳博士啟動基金項目（20141091）；沈陽師范大學(xué)博士科研項目啟動基金