湯莉莉+王金勇+黃偉

摘 要： 基于STC11F32E單片機、TCP/IP網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議和Android開發(fā)物聯(lián)網(wǎng)智能機器人系統(tǒng)。系統(tǒng)由視頻拍攝模塊、WiFi傳輸模塊、PC上位機軟件、Android手機客戶端、機械手、智能控制模塊等構(gòu)成。根據(jù)不同環(huán)境的需要可利用PC或手機APP讓機器人在跟隨模式、避障模式或智能跟蹤模式之間進行切換，并實現(xiàn)控制機器人的運動方向和動作，且在整個運作過程中可以實時拍照和進行數(shù)據(jù)采集、顯示，也可以通過控制機械手來完成設(shè)定的任務(wù)。實驗表明，物聯(lián)網(wǎng)智能機器人基本完成，實現(xiàn)了預(yù)期的功能。

關(guān)鍵詞： 物聯(lián)網(wǎng)； 智能機器人； 遠程控制； 太陽能； STC11F32E

中圖分類號： TN915?34； TN923； TP399 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）08?0073?04

Design of IOT intelligent robot

TANG Lili1， WANG Jinyong1， HUANG Wei2

（1. Zhixing College， Hubei University， Wuhan 430011， China； 2. System Design Institute of Hubei Aerospace Technology Academy， Wuhan 430040， China）

Abstract： The network intelligence robot system was developed on the basis of STC11F32E MCU， TCP / IP network communication protocols and Android. The system is composed of video capture module， WiFi transmission module， PC upper computer software， Android mobile client， robot， intelligent control module， etc. The system can utilize PC or mobile phone APP to make robot switch among following mode， obstacle avoidance mode or intelligent tracking mode according to the needs of different environments， and control the robot′s movement direction and action. It can make the real?time picture taking， data acquisition and display throughout the course of the operation. Of cause， the operator can also control the robot to complete the set task. The experiment result indicates that the network intelligence robot is basically completed， and the predicted functions have realized.

Keywords： Internet of Things； intelligent robot； remote control； solar energy； STC11F32E

物聯(lián)網(wǎng)智能機器人是機器人家族中的一種，具有智能跟蹤、環(huán)境監(jiān)控、數(shù)據(jù)測試、遠程操作、跟蹤拍攝、路線循跡等功能，可以通過電腦上位機或手機客戶端遠程控制電視、空調(diào)等。也可以實現(xiàn)傳統(tǒng)的智能自動跟蹤、自動循跡和自動避障。在整個運作過程中可以實時拍攝周圍視頻資料，創(chuàng)新云臺設(shè)計，實現(xiàn)全方位無死角拍攝。

當前我國大力提倡節(jié)能減排，創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展，為了響應(yīng)國家號召，在設(shè)計物聯(lián)網(wǎng)機器人時創(chuàng)新加入太陽能充電裝置，雖然充電效率不高，但太陽能是最環(huán)保、有很大前景的能源。

1 總體設(shè)計方案

物聯(lián)網(wǎng)智能機器人的總體設(shè)計方案如圖1所示。

圖1中有兩種控制模式，一種是組成機器人控制局域網(wǎng)，將上位機PC端，手機客戶端APP和智能機器人連接起來，實現(xiàn)上位機PC端或手機APP客戶端控制機器人和顯示視頻數(shù)據(jù)的目的；另一種遠程控制方案是將機器人通過網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)相連，再將上位機PC端或手機APP客戶端通過數(shù)據(jù)線連入互聯(lián)網(wǎng)，可以實現(xiàn)遠程終端通過互聯(lián)網(wǎng)和機器人相連，進而實現(xiàn)控制機器人和視頻傳輸。這兩種設(shè)計方案的核心技術(shù)相同，都是通過網(wǎng)絡(luò)地址和端口號的設(shè)定，再通過指令傳輸和視頻數(shù)據(jù)傳輸，進而達到控制的目的。由于考慮到演示的效果和方便操作，本設(shè)計用局域網(wǎng)機器人控制的方式進行分析說明。

從數(shù)據(jù)傳輸方面來說，無線路由器是手機APP客戶端、上位機PC端和下位機的數(shù)據(jù)核心，終端可以通過一個套接字編程，建立網(wǎng)絡(luò)接口，進而與無線路由器進行連接，智能機器人便可以通過一個網(wǎng)口轉(zhuǎn)串口的WiFi模塊，再將機器人的串口數(shù)據(jù)通過這個模塊轉(zhuǎn)變成WiFi信號，就可以實現(xiàn)和無線路由器進行數(shù)據(jù)傳輸。其中，手機客戶端APP、上位機PC端和下位機都有相應(yīng)的局域IP地址。通過設(shè)置正確的IP地址，就可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。

從控制的方面來說，手機客戶端APP和上位機PC端是智能機器人的控制中心[1]，這兩者可以通過按鍵，發(fā)出相應(yīng)的指令給智能機器人，智能機器人解說到對應(yīng)的指令后給上位機，再由上位機將接收到的指令進行解析，并執(zhí)行相應(yīng)的程序，完成對應(yīng)的動作。

1.1 上位機PC端軟件設(shè)計

上位機PC端[2]的功能是控制機器人的運動，控制機械手的動作，顯示機器人當前的速度，采集機器人所在環(huán)境的溫濕度，控制云臺方向，顯示機器人周圍的視頻數(shù)據(jù)。同時，可以在上位機PC端上切換智能機器人的工作模式，其中機器人的工作模式有：循跡模式、紅外避障模式、雷達避障模式、智能模式等，可以根據(jù)環(huán)境的需要切換不同的模式，也可以通過上位機PC端發(fā)送對應(yīng)的指令，控制家用電器如電視、空調(diào)等。上位機PC端軟件設(shè)計如圖2所示。

圖2中的功能實現(xiàn)主要由兩個流程完成：第一個流程核心任務(wù)是完成從機器人端傳輸過來的視頻數(shù)據(jù)和音頻數(shù)據(jù)，而這部分的技術(shù)主要是DirectShow；第二個流程核心任務(wù)是完成從機器人端傳輸過來的機器人當前速度和溫濕度等信息，選擇當前機器人的工作模式，以及完成在上位機PC端和機器人之間的指令傳輸，實現(xiàn)機器人的向前、向后、向左、向右、加速、減速、停止、開燈和鳴笛等[3]功能。在上位機PC端上有控制機械手的進度條，可以遠程控制機械手的操作完成相應(yīng)的動作，也可以設(shè)置機械手和云臺舵機的初始狀態(tài)，避免開機時燒壞舵機。在雷達模式下，上位機PC端可以顯示當前有無障礙物，并會做出轉(zhuǎn)向的動作避開障礙物。在整個運動過程中上位機PC端都可以顯示拍攝的視頻畫面，可以用鼠標在上位機視頻顯示區(qū)控制云臺，實現(xiàn)機器人無死角拍攝。且兩個流程都設(shè)置有各自互不干擾的套接字，第一個流程與機器人的攝像頭模塊完成數(shù)據(jù)傳輸，第二個流程與機器人網(wǎng)口轉(zhuǎn)串口模塊完成數(shù)據(jù)交互。

1.2 手機客戶端APP軟件設(shè)計

本文中的手機APP客戶端采用Android系統(tǒng)，在Eclipse平臺上用Java語言編寫開發(fā)的[4]?？梢酝ㄟ^APP手機客戶端完成的設(shè)置和操作有：設(shè)置機器人的運動方向指令；設(shè)置網(wǎng)絡(luò)地址、視頻存儲和拍照存儲地址；設(shè)置是否用觸摸屏控制云臺；顯示視頻畫面；控制攝像頭方位和機械臂動作角度；重力控制機器人。

手機APP客戶端軟件控制設(shè)計流程如圖3所示。

1.3 下位機軟件設(shè)計

下位機設(shè)計是機器人核心處理器程序的設(shè)計。其設(shè)計內(nèi)容主要包含視頻傳輸控制、云臺操作控制、溫濕度采集、紅外對管模塊和紅外控制家電的設(shè)置，以及采集到的視頻數(shù)據(jù)和控制指令互傳等。在設(shè)計過程中每部分都是分模塊編寫的，都有相應(yīng)的程序模塊，再由主函數(shù)將所有模塊綜合起來，當下位機程序接收到上位機PC端或手機客戶端APP的相關(guān)指令后，就調(diào)用相對應(yīng)的程序模塊，執(zhí)行設(shè)定好的動作，并將完成的結(jié)果發(fā)送給終端，其設(shè)計流程如圖4所示[5]。

下位機能夠完成上位機PC端或手機客戶端APP指令，并做出相對應(yīng)的動作的核心是機器人中有網(wǎng)口轉(zhuǎn)串口模塊。機器人將代碼指令通過串口轉(zhuǎn)網(wǎng)口模塊，再以WiFi的形式傳出去，上位機PC端或手機客戶端APP便可以接收到下位機發(fā)出的指令，通過解析并顯示出來，為機器人的下一步動作做好準備。使用模塊時必須設(shè)置正確的IP地址以及端口號，只有對應(yīng)的設(shè)置正確了，上位機PC端、手機客戶端和下位機才能進行數(shù)據(jù)傳輸。

2 設(shè)計方案特點及擴展說明

2.1 特點介紹

本設(shè)計是以PC軟件、安卓軟件、網(wǎng)絡(luò)通信、物聯(lián)網(wǎng)以及單片機技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合當今提倡的利用環(huán)保型能源，創(chuàng)新的構(gòu)想設(shè)計出來的。從機器人處理器的選型，各個模塊的選取，通信協(xié)議方案的制定，以及上位機PC端、手機客戶端APP的設(shè)計都與現(xiàn)有的“機器人”有較大的區(qū)別。本設(shè)計利用當前最普通的處理器，完成不同尋常的動作，其特點總結(jié)如下：攝像頭全方位拍攝； 上位機PC端和APP客戶端可以顯示視頻畫面，并可以實現(xiàn)控制；上位機PC端可以控制云臺，檢查機器人狀態(tài)； 上位機PC端、APP手機客戶端和機器人上位機可以指示小車的運動狀態(tài)[6]；可以實現(xiàn)遠程操作機械手； 可以實現(xiàn)遙控家用電器如電視、空調(diào)等；可以用太陽能給蓄電池充電，并有指示燈顯示蓄電池電量；可以接收上位機的控制指令，實現(xiàn)控制，上位機亦可接收反饋指令和視頻的數(shù)據(jù)流。

其中本設(shè)計中的通信方式利用的是TCP/IP協(xié)議，采用無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實現(xiàn)對機器人的控制。只要設(shè)置好IP地址和端口號后就可實現(xiàn)連接，可以實現(xiàn)局域網(wǎng)內(nèi)機器人的控制，也可以實現(xiàn)超遠程對機器人的控制。另外上位機PC端軟件和手機客戶端APP軟件，控制模式多樣，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，符合當前機器人的發(fā)展趨勢，為當前機器人的發(fā)展提供可行方案。

2.2 擴展說明

物聯(lián)網(wǎng)智能機器人不僅可以完成上文介紹的功能，還可以擴展以下功能[7]：帶有指示燈顯示運動方向并能夠?qū)崿F(xiàn)通過重力感應(yīng)對機器人的控制；帶有GPS全球定位功能在危機時刻或者必要時可以發(fā)送信息；太陽能電池板減輕重量，實現(xiàn)對機器人供電補給；語音功能，可以實現(xiàn)語音播放；可以利用機器人無線設(shè)備上網(wǎng)，打電話等。

3 方案難點及關(guān)鍵技術(shù)

本設(shè)計方案難點在于：

（1） 上位機PC端在操作控制機器人時，對數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性要求很高，并要用相應(yīng)的表盤顯示出來，且對數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性要求更高，網(wǎng)絡(luò)通信實現(xiàn)不間斷傳輸更是困難；

（2） 手機客戶端APP通過觸屏控制云臺，并顯示拍攝視頻畫面。顯示視頻就很困難，而通過觸摸屏幕不同方位，控制云臺方向更是困難；

（3） 視頻處理是利用M?JPEG格式圖片，在規(guī)定時間內(nèi)傳輸一定張數(shù)，顯示出視頻畫面。如果對DierctShow技術(shù)內(nèi)部細節(jié)掌握不夠，處理視頻時就會很困難。關(guān)鍵技術(shù)有：下位機程序模塊化編寫；上位機PC端軟件編寫；手機客戶端APP的編寫；TCP/IP通信協(xié)議的設(shè)定；機器人作為無線網(wǎng)接入網(wǎng)絡(luò)；機器人智能模式的完成。

4 系統(tǒng)仿真與結(jié)果分析

4.1 物聯(lián)網(wǎng)智能機器人整體外觀

物聯(lián)網(wǎng)智能機器人外觀設(shè)計見圖5，整個設(shè)計主要分為上位機PC端、手機客戶端APP和機器人三個部分。