王淑平，楊　衛(wèi)，侯　爽

（1.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051；2.中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051）

微小地面機(jī)器人監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王淑平1，2*，楊衛(wèi)1，2，侯爽1，2

（1.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051；2.中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051）

為實(shí)現(xiàn)微小地面機(jī)器人群體控制、狀態(tài)監(jiān)測(cè)及顯示，設(shè)計(jì)一種微小地面機(jī)器人的監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)由上位機(jī)、ZigBee通信模塊和下位機(jī)組成。上位機(jī)采用VB開(kāi)發(fā)平臺(tái)設(shè)計(jì)監(jiān)控界面，利用MSComm控件實(shí)現(xiàn)串口通信，并通過(guò)調(diào)用Matlab的COM組件，實(shí)現(xiàn)粒子群優(yōu)化算法預(yù)推目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡；ZigBee芯片選用高度集成、低功耗、高靈敏度的784/868/915 MHz的Zig-Bit900，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)模塊通過(guò)串口分別與上位機(jī)及下位機(jī)連接，實(shí)現(xiàn)下位機(jī)與上位機(jī)組網(wǎng)通信；下位機(jī)以DSPIC33F單片機(jī)為主處理器，完成主控系統(tǒng)與無(wú)線網(wǎng)絡(luò)模塊及其它數(shù)據(jù)采集模塊之間的數(shù)據(jù)傳輸控制，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)微小地面機(jī)器人群的監(jiān)測(cè)和控制。通過(guò)實(shí)驗(yàn)表明，該監(jiān)控系統(tǒng)穩(wěn)定、實(shí)時(shí)、可靠。

微小地面機(jī)器人；ZigBee通信；MSComm控件；COM組件；DSPIC33F單片機(jī)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò) WSN（Wireless Sensor Networks）是一種分布式傳感網(wǎng)絡(luò)，這種網(wǎng)絡(luò)通過(guò)降低數(shù)據(jù)吞吐量、增大消息延遲換取了比傳統(tǒng)WPAN低的成本和功耗。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN（Wireless Sensor Networks），以其低功耗、低成本、分布式和自組織的特點(diǎn)帶來(lái)了信息感知的一場(chǎng)變革。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)大量的廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)，通過(guò)無(wú)線通信方式形成的一個(gè)多跳自組織網(wǎng)絡(luò)［1］。微小地面機(jī)器人監(jiān)控系統(tǒng)是以無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)為依托，實(shí)現(xiàn)微小地面機(jī)器人群指揮控制遠(yuǎn)程化、決策指揮智能化、監(jiān)測(cè)過(guò)程協(xié)同化，能自主完成信息采集、傳輸、融合、決策、指令下達(dá)等，提高自主監(jiān)測(cè)微系統(tǒng)的有效監(jiān)控，進(jìn)而提高整個(gè)使用區(qū)域的控制效果［2-3］。

1　系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的微小地面機(jī)器人監(jiān)控系統(tǒng)，基于ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)模塊和微小地面機(jī)器人系統(tǒng)組建無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，完成對(duì)各微小地面機(jī)器人節(jié)點(diǎn)的執(zhí)行任務(wù)情況以及各自位置狀態(tài)的數(shù)據(jù)傳輸，在上位機(jī)采用圖形化編程軟件VB設(shè)計(jì)監(jiān)控界面，實(shí)現(xiàn)對(duì)各微小地面機(jī)器人狀態(tài)的監(jiān)控。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能是：（1）計(jì)算監(jiān)控系統(tǒng)與微小地面機(jī)器人群的距離，根據(jù)安全距離畫出安全區(qū)域；（2）能夠?qū)蝹€(gè)或多個(gè)微小地面機(jī)器人進(jìn)行常規(guī)的運(yùn)動(dòng)控制；（3）能顯示微小地面機(jī)器人的布撒情況，并能查看某個(gè)微小地面機(jī)器人在建立的相對(duì)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)以及經(jīng)緯度；（4）能根據(jù)微小地面機(jī)器人感知系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)計(jì)算目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡等。

圖1　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

2　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1ZigBee通信硬件

無(wú)線網(wǎng)絡(luò)模塊作為系統(tǒng)的通信部分，在其中起到橋梁的作用。本設(shè)計(jì)的Zigbee芯片選用Atmel公司的ZigBit900模塊，ZigBit900是基于Atmel先進(jìn)的混合信號(hào)硬件平臺(tái)開(kāi)發(fā)的高度集成、低功耗、高靈敏度的784/868/915 MHz ZigBee模塊［4］。該模塊有豐富的接口，符合802.15.4規(guī)范的無(wú)線收發(fā)機(jī)，超過(guò)6 km戶外通訊距離；小于一平方英寸的封裝，并且已經(jīng)集成了相關(guān)外圍電路的無(wú)源器件等。使用ZigBit900模塊的設(shè)計(jì)方案可以節(jié)省大量的開(kāi)發(fā)時(shí)間。它主要由 ATmega1281 V微控制器和AT86RF212無(wú)線收發(fā)機(jī)構(gòu)成，并配有 128 kbyte Flash和8 kbit RAM。接口包括JTAG調(diào)試接口，2個(gè)UART通信接口，1個(gè)I2C接口和3個(gè)GPIO。同時(shí)提供3個(gè)LED指示燈，用于收發(fā)數(shù)據(jù)、組網(wǎng)狀態(tài)的指示。節(jié)點(diǎn)通過(guò)UART接口連接到微型可移動(dòng)單元的主控DSP，通過(guò)IO通道與小車動(dòng)作控制器相連接。圖2為無(wú)線網(wǎng)絡(luò)模塊的結(jié)構(gòu)框圖。IEEE802.15.4/ZigBee協(xié)議中定義了3種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：星形結(jié)構(gòu)、簇樹結(jié)構(gòu)和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，根據(jù)各微小地面機(jī)器人布局選擇使用合適的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在本設(shè)計(jì)中選擇使用星形網(wǎng)絡(luò)，各微小地面機(jī)器人網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)均獨(dú)立工作，上位機(jī)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)模塊是通過(guò)串口與計(jì)算機(jī)連接并供電，完成上位機(jī)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)與各微小地面機(jī)器人網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸。

圖2　網(wǎng)絡(luò)模塊的結(jié)構(gòu)框圖

2.2微小地面機(jī)器人系統(tǒng)硬件

微小地面機(jī)器人硬件系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)與監(jiān)控系統(tǒng)通信、對(duì)微小地面機(jī)器人的控制和數(shù)據(jù)采集處理等。其硬件組成結(jié)構(gòu)如圖3所示，每個(gè)微小地面機(jī)器人硬件組成都是一致的，主要由ZigBit900通信模塊、單片機(jī)處理模塊、GPS模塊、傳感器采集模塊組成。其主控板的核心電路如圖3所示。

單片機(jī)選擇的是 DSPIC33F系列單片機(jī)，DSPIC33F系列器件采用強(qiáng)大的16 bit架構(gòu)，此架構(gòu)將數(shù)字信號(hào)處理器DSP（Digital Signal Processor）的計(jì)算能力與單片機(jī)（MCU）的控制特性無(wú)縫地集成在一起。這種集成的功能對(duì)于需要高速、重復(fù)計(jì)算和控制的應(yīng)用非常理想。基于設(shè)計(jì)需要系統(tǒng)選用DSPIC33FJ256MC710，是一種高性能16 bit數(shù)字信號(hào)控制器，采用了改進(jìn)型的哈佛架構(gòu)、C編譯器優(yōu)化的指令集、流水線取指令方式，具有實(shí)用、低價(jià)、指令集小、功耗低、速度高、體積小、功能強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)［5］。DSPIC33FJ256MC710高性能16 bit數(shù)字信號(hào)控制器內(nèi)含有12 bit的A/D轉(zhuǎn)換器（500 ksample/ s）、直接存儲(chǔ)器訪問(wèn)（DMA）、比較輸出、捕捉輸入、I2C接口、SPI接口、CAN接口、USART接口、Flash程序存儲(chǔ)器自讀寫等強(qiáng)大的控制功能，內(nèi)核又具有強(qiáng)大的數(shù)字信號(hào)處理能力［6］。主控部分與微小地面機(jī)器人移動(dòng)部分是通過(guò)CAN總線通信，GPS模塊、傳感器模塊和網(wǎng)絡(luò)通信模塊等外圍電路都是通過(guò)串口與DSPIC33F系列單片機(jī)連接實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信的。

數(shù)據(jù)采集模塊硬件主要部分電路圖如圖4所示，采用熱釋電紅外（PIR）傳感器，采集系統(tǒng)主要由PIR傳感器、信號(hào)調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、電源模塊組成［7］。傳感器選取muRata IRA-E700型雙元熱釋電傳感器，其具有高靈敏度和極佳的信噪比，對(duì)外部噪聲具有抗干擾能力。熱釋電輸出的信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)理模塊進(jìn)行放大、濾波等預(yù)處理經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換交給數(shù)據(jù)采集模塊處理［8］。

圖3　主控板電路圖

圖4　數(shù)據(jù)采集模塊硬件的總體組成

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件的工作流程圖如圖5所示，上位機(jī)是采用VB可視化編程語(yǔ)言，主要是實(shí)現(xiàn)串口數(shù)據(jù)的提取及儲(chǔ)存、監(jiān)控界面控制指令的發(fā)送和對(duì)串口數(shù)據(jù)的處理及響應(yīng)［9］。數(shù)據(jù)包括對(duì)下位機(jī)發(fā)送的微小地面機(jī)器人群的坐標(biāo)、ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)編號(hào)、熱釋電傳感器感知數(shù)據(jù)和GPS數(shù)據(jù)，上位機(jī)對(duì)這些數(shù)據(jù)存儲(chǔ)后，并實(shí)現(xiàn)微小地面機(jī)器人群的坐標(biāo)顯示及布撒情況，并能通過(guò)鼠標(biāo)事件隨時(shí)查看坐標(biāo)值及GPS［10］。

圖5　上位機(jī)軟件工作流程圖

對(duì)熱釋電傳感器采集回來(lái)的數(shù)據(jù)能通過(guò)調(diào)用Matlab生成的COM組件的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的軌跡預(yù)推，并計(jì)算最佳圍捕位置，完成機(jī)器人群對(duì)目標(biāo)的圍捕。該方法是指在Matlab環(huán)境下編寫粒子群優(yōu)化算法，利用MATLAB COM Builder編譯器把該粒子群優(yōu)化算法編譯成COM組件，這樣可以在其他計(jì)算中通過(guò)注冊(cè)該組件，從而在其他應(yīng)用程序中調(diào)用該組件，脫離Matlab環(huán)境運(yùn)行組件中的函數(shù)，監(jiān)控系統(tǒng)將熱釋電傳感器采集回來(lái)的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到調(diào)用的COM組件中的函數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)入侵目標(biāo)的的軌跡預(yù)推，得出最佳圍捕位置。本文主要是在VB環(huán)境下調(diào)用該COM組件［11］。主要過(guò)程就是把在Matlab下編譯的COM組件利用kregsvr32的方法注冊(cè)到當(dāng)前使用的計(jì)算機(jī)中，然后在VB環(huán)境中應(yīng)用該動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，這樣就可以直接調(diào)用了［12］。VB環(huán)境下調(diào)用該COM組件的核心部分如下：

其中pp是指的函數(shù)的輸入?yún)?shù)，也就是傳感器采集的數(shù)據(jù)。監(jiān)控系統(tǒng)控制界面還能實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)控制界面還能實(shí)現(xiàn)輸入一些控制參數(shù)。在控制界面選擇要發(fā)送的機(jī)器人編號(hào)，打包指令發(fā)送。

3.2ZigBee通信軟件設(shè)計(jì)

ZigBee通信模塊與上位機(jī)和下位機(jī)都是通過(guò)串口連接的，ZigBee的串口程序設(shè)計(jì)的目的是能夠?qū)λx的消息格式進(jìn)行有效識(shí)別和處理，進(jìn)行CRC校驗(yàn)消息完整性；增加消息緩沖區(qū)，避免消息量過(guò)大出現(xiàn)丟包情況。程序設(shè)計(jì)流程圖如圖6所示。

3.3下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

下位機(jī)軟件系統(tǒng)的工作流程如圖7所示，主要是實(shí)現(xiàn)3個(gè)功能：ZigBee通信模塊的數(shù)據(jù)收發(fā)，接收上位機(jī)的命令并解析，根據(jù)指令類型判斷是上位機(jī)對(duì)機(jī)器人信息的獲取還是對(duì)上位機(jī)對(duì)微小地面機(jī)器人的的控制指令；對(duì)上位機(jī)發(fā)送過(guò)來(lái)控制指令能解析并通過(guò)微小地面機(jī)器人系統(tǒng)主控的CAN通信發(fā)送給微小地面機(jī)器人的移動(dòng)控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)；對(duì)采集系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)能通過(guò)串口接收并處理后發(fā)送給上位機(jī)。

4　試驗(yàn)結(jié)果測(cè)試分析

實(shí)驗(yàn)中使用了5個(gè)無(wú)線通信模塊、4套微小地面機(jī)器人系統(tǒng)（編號(hào)為4、6、7、15）、裝有監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)軟件的計(jì)算機(jī)和其它一些輔助工具。實(shí)驗(yàn)過(guò)程：將4套微小地面機(jī)器人系統(tǒng)布撒成一個(gè)邊長(zhǎng)為15 m的正方形，每個(gè)頂點(diǎn)處放置一個(gè)微小地面機(jī)器人，監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)送建立坐標(biāo)系指令通過(guò)微小地面機(jī)器人的聲定位系統(tǒng)建立機(jī)器人全系統(tǒng)的相對(duì)坐標(biāo)系，目標(biāo)按照規(guī)定的路徑進(jìn)入微小地面機(jī)器人系統(tǒng)的感知區(qū)域，監(jiān)控系統(tǒng)利用微小地面機(jī)器人的感知系統(tǒng)感知的數(shù)據(jù)預(yù)推目標(biāo)軌跡。如圖8是監(jiān)控系統(tǒng)顯示微小地面機(jī)器人布撒和預(yù)推軌跡的結(jié)果，從圖中可以看出微小地面機(jī)器人的布撒和預(yù)推的軌跡情況，并通過(guò)鼠標(biāo)事件可以查看其聲定位坐標(biāo)和GPS值。

圖6　ZigBee串口程序設(shè)計(jì)流程圖

圖7　下位機(jī)工作流程圖

圖8　程序運(yùn)行結(jié)果

如圖9所示為上位機(jī)通過(guò)調(diào)用Matlab寫的粒子群優(yōu)化算法的COM組件對(duì)目標(biāo)預(yù)推軌跡的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，從圖中可以看出其目標(biāo)軌跡與實(shí)際試驗(yàn)中規(guī)定的目標(biāo)軌跡相吻合，滿足設(shè)計(jì)要求。通過(guò)對(duì)目標(biāo)的軌跡預(yù)推，可以得出微小地面機(jī)器人群體圍捕目標(biāo)的最佳位置，完成機(jī)器人群體對(duì)目標(biāo)的圍捕任務(wù)。

圖9　軌跡預(yù)推實(shí)驗(yàn)結(jié)果

5　結(jié)束語(yǔ)

本文基于圖形化編程軟件VB設(shè)計(jì)微小地面機(jī)器人群的監(jiān)控系統(tǒng)，簡(jiǎn)要說(shuō)明了系統(tǒng)的基本原理、系統(tǒng)硬件和軟件的設(shè)計(jì)過(guò)程，并通過(guò)最后的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性，結(jié)果表明系統(tǒng)不僅能實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)微小地面機(jī)器人的控制和狀態(tài)顯示，并能調(diào)用Matlab的COM組件，實(shí)現(xiàn)粒子群優(yōu)化算法在上位機(jī)運(yùn)行，預(yù)推入侵微小地面機(jī)器人監(jiān)控區(qū)域的目標(biāo)軌跡，得出圍捕目標(biāo)的最佳位置。該監(jiān)控系統(tǒng)不僅實(shí)現(xiàn)對(duì)微小地面機(jī)器人系統(tǒng)的智能化控制功能、多樣化顯示；自身還作為系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)參與目標(biāo)軌跡的預(yù)推，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的圍捕控制。此設(shè)計(jì)對(duì)多個(gè)微小地面機(jī)器人的監(jiān)控有一定的借鑒意義。

［1］Edgar H Callaway，Jr，王永斌，屈曉旭.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)：體系結(jié)構(gòu)與協(xié)議［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2007：82-87.

［2］張文梅.基于ZigBee的家居監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件，2015，32（3）：313-316.

［3］高超群，楊衛(wèi)，邵星靈.基于ARM9的可移動(dòng)微系統(tǒng)遙控器設(shè)計(jì)［J］.火力與指揮控制，2014，39（5）：138-141.

［4］楊晗，段渭軍，李明遠(yuǎn).IEEE 802.15.4輕量級(jí)網(wǎng)絡(luò)層路由設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)［J］.電子設(shè)計(jì)工程，2013，21（10）：81-83.

［5］李恒，徐小力，左云波.移動(dòng)機(jī)器人超聲波測(cè)距避障系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2014，37（3）：157-162.

［6］劉宇洋，高尚勇.dsPIC33FJ256MC710疑難問(wèn)題及解決方法［J］.單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2009（7）：73-75.

［7］劉前進(jìn)，楊衛(wèi)，劉云武.基于熱釋電紅外傳感器的多節(jié)點(diǎn)定位系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)［J］.2014，22（9）：2947-2956.

［8］侯爽，楊衛(wèi)，劉前進(jìn).一種基于PIR的對(duì)瞄測(cè)距定位方法研究［J］.激光與紅外，2015，45（5）：555-558.

［9］張輝，李榮利，王和平.Visual Basic串口通信及編程實(shí)例［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011：99-103.

［10］范逸之，陳立元.Visual Basic與RS-232串行通信控制［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2002：132-142.

［11］岳玉芳，尤忠生，張玉雙.基于COM的VB與Matlab混合編程［J］.計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2005，26（1）：61-65.

［12］蒙冠杰，蔡益舟，柯年杭.VB與Matlab混合編程的實(shí)用方法［J］.2014：11-12，24.

王淑平（1990-），男，漢族，江西吉安人，中北大學(xué)儀器與電子學(xué)院碩士，主要研究方向?yàn)闇y(cè)試計(jì)量技術(shù)，935924529@ qq.com；

楊衛(wèi)（1957-），男，漢族，山西太原人，研高工，研究方向?yàn)槲⒓{米器件、儀器與測(cè)試技術(shù)、微系統(tǒng)及集成技術(shù)、網(wǎng)域化微武器系統(tǒng)，yangwei@nuc.edu.cn。

Design of Monitoring System for the Small ground Robot

WANG Shuping1，2*，YANG Wei1，2，HOU Shuang1，2
（1.Key Laboratory of Instrumentation Science&Dynamic Measurement，Ministry of Education，North University of China，Taiyuan 030051，China；2.Science and Technology on Electronic Test&Measurement Laboratory，Taiyuan 030051，China）

In order to solve the problem of population control and state monitoring and display of the robot，a monitoring system for micro robot has been designed.The system is made up of the upper computer，the ZigBee communication module and the lower computer.Upper computer designs the monitoring interface using VB development platform，achieves serial communication using of the MSComm control.ZigBee chip selects the ZigBit900 of 784/ 868/915 MHz which is high integration，low power consumption，high sensitivity.The wireless network module connects to the upper computer and lower computer respectively through the serial port to realize the communication between the lower computer and the upper computer.The lower computer used the DSPIC33F single chip microcomputer as the main processor to complete the data transfer between the master control system and wireless network modules and other data acquisition module to realize of the monitoring system for monitoring and control the small ground robots group.Experiments showed that the monitoring system is stable，real-time and reliable.

small ground robots；ZigBee communication；MSComm control；COM Component；DSPIC33F SCM

TN993

A

1005-9490（2016）05-1155-06

2015-08-27修改日期：2015-12-24

EEACC:723010.3969/j.issn.1005-9490.2016.05.027