王驥，謝仕義，錢建東，汪良紅

(廣東海洋大學(xué)信息學(xué)院，廣東湛江524088)

基于網(wǎng)絡(luò)機器人的遠程室內(nèi)安防新方法*

王驥，謝仕義*，錢建東，汪良紅

(廣東海洋大學(xué)信息學(xué)院，廣東湛江524088)

針對智慧家庭工程安防需求，研究了無線網(wǎng)絡(luò)與云計算環(huán)境下遠程安防機器人系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)。項目首先將WIFI短距離無線通信技術(shù)與遠程網(wǎng)絡(luò)技術(shù)(GPRS、TCP/IP)一體化集成用于機器人系統(tǒng)通信，系統(tǒng)功能強;利用QT技術(shù)設(shè)計顯示界面，使操作、顯示更加合理化、人性化;機器臂設(shè)計理念采用柔性設(shè)計技術(shù)，便于拾取危險物體或探測險情;項目融入了云計算技術(shù)，利用“騰訊云”存貯有價值信息，系統(tǒng)可擴展性更好。系統(tǒng)測試表明，當家里處于無人狀態(tài)，系統(tǒng)主動開啟安防監(jiān)控模式。意外情況發(fā)生時，傳感器將報警數(shù)據(jù)發(fā)送到主控板進行處理后通過GPRS模塊打電話給用戶，并同時發(fā)短信;用戶接到報警可以打開客戶端并通過遠程視頻監(jiān)控室內(nèi)情況，控制機器人及時進行處理險情。項目優(yōu)點在于將機器人、無線網(wǎng)絡(luò)、云計算等新興戰(zhàn)略技術(shù)融入智慧家庭工程，系統(tǒng)實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)化、智能化、人性化工作模式。

WIFI;TCP/IP;3G通信技術(shù);云計算;安防機器人

隨著信息時代的高速發(fā)展，基于網(wǎng)絡(luò)安防機器人的智慧家庭工程已經(jīng)是當今信息產(chǎn)業(yè)界熱點研究領(lǐng)域。其涉及熱點技術(shù)主要有:導(dǎo)航定位、計算機視覺、目標跟蹤、移動與運動控制、檢查與巡檢、目標檢測與識別、傳感器網(wǎng)絡(luò)，人機交互［1-2］。在這些方面，近幾年國內(nèi)外學(xué)者做了大量工作，最新典型的研究成果有:陳國良［3］、趙杰［4］、李巖［5］等研究了網(wǎng)絡(luò)機器人體系結(jié)構(gòu)與管理控制系統(tǒng)，但通信方式限于Internet的TCP/IP協(xié)議，雖實現(xiàn)了雙工，但缺乏無線通信技術(shù)植入而控制方式欠缺靈活;Han-Saem Park［6］設(shè)計了基于貝葉斯理論的上下文感知專家系統(tǒng)應(yīng)用于家庭服務(wù)機器人，但沒能解決機器人準確移動定位的問題，使其處理危險情況反應(yīng)能力有限;趙新［7］、武二勇［8］、田孝軍［9］研究了機器人路徑規(guī)劃中的信息提取、處理以及驅(qū)動定位問題，但信息提取方式限于視頻，方式單一，工程實用性弱;Sidney R D［10］、Andrey［11］V S、Cinara［12］G研究了輪式多移動協(xié)作機器人網(wǎng)絡(luò)的拓撲控制與維護問題，控制方法具有魯棒性，準確性，但實現(xiàn)系統(tǒng)復(fù)雜，制作、維護成本高而不適用于家庭安防應(yīng)用;Yesim O［13］、Wang Yaonan［14］、Michael B［15］為解決機器人移動路徑規(guī)劃定位問題而建立了模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型解決機器人計算、精確控制、導(dǎo)航等難點問題，但復(fù)雜的計算過程同樣不適合危險環(huán)境下需要快速反應(yīng)的安防場合應(yīng)用，而且內(nèi)存空間需要大制約其穩(wěn)定性;Guo Peng［16］、Philipp M［17］、Rodrígueza A C［18］引入多種無線通信方式拓展了網(wǎng)絡(luò)機器人管理模式，但多任務(wù)復(fù)雜性消耗資源太大制約了其面向具體工程實現(xiàn)的能力。

總之，目前網(wǎng)絡(luò)安防機器人領(lǐng)域研究聚焦在實時性低，操作對象多是靜態(tài)或具有明顯的運動規(guī)律的情況，缺乏面向突發(fā)性任務(wù)而需要反應(yīng)能力迅速的工程化研究。而且目前機器人熱點技術(shù)研究偏理論化，缺乏從工程易實現(xiàn)角度與人性化方面的研究?；诖?，本文研究既能進行遠程網(wǎng)絡(luò)化視頻監(jiān)控，又能通過網(wǎng)絡(luò)進行現(xiàn)場險情快速處理的實用機器人安防系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)開發(fā)平臺使用實時性好的操作系統(tǒng)μCOSⅡ，以32 bit ARM處理器作為核心處理器。系統(tǒng)主要分為4部分:(1)主控板——核心部分，負責和遠程服務(wù)器通信，同時管理安防機器人和各個節(jié)點的數(shù)據(jù)通信;(2)安防機器人系統(tǒng)——具有機械臂、溫濕度傳感器、超聲波實時監(jiān)控等組成部分;(3)安防監(jiān)控節(jié)點——安裝有人體紅外熱釋電傳感器、可燃氣體傳感器、溫濕度傳感器與視頻監(jiān)控器等感測器，用于安裝在室內(nèi)的任何可能被入侵的地方;(4)PC終端上位機——用于遠程監(jiān)控家里的情況，并且操作安防車機械臂進行安全事故處理。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

如果安防節(jié)點一旦監(jiān)測到異常情況，就會通過主動WIFI上傳信息給主控板，系統(tǒng)遠程控制利用SIM900撥打用戶電話，同時發(fā)送報警信息短信;用戶還可以通過打開PC遠程客戶端實時主動進行險情監(jiān)控，以及操作安防機器人做應(yīng)急處理。

1.1 主控板電路設(shè)計

主控板系統(tǒng)包含以下部分:(1)系統(tǒng)主控CPU——基于32 bit ARM cortex-M3作為主控芯片，并成功的移植了μcos-Ⅱ操作系統(tǒng)，系統(tǒng)實現(xiàn)了實時性多任務(wù)處理能力與穩(wěn)定的遠程通信。(2)主控板由STM32f103ZET6、無線串口、WIFI模塊RM-04與SIM900模塊組成。如圖2所示。

圖2 主控模塊結(jié)構(gòu)圖

1.1.1 WIFI模塊RM-04的使用

系統(tǒng)WIFI模塊選用RM-04，其接線原理見圖3。RM-04工作模式設(shè)置為串口轉(zhuǎn)WIFI的AP模式。WIFI模塊通過路由器接入主控系統(tǒng)，實現(xiàn)與服務(wù)器通信。

1.1.2 SIM900A模塊的使用

項目使用SIM900A模塊實現(xiàn)打電話、發(fā)短信功能，其接線如圖4所示。

圖3 W IFI模塊原理圖

圖4 SIM 900A模塊電路圖

1.2 安防機器人電路設(shè)計

1.2.1 安防機器人管理系統(tǒng)

安防機器人主控板STM32是一個32 bit的MCU，資源足夠控制機械臂和安防車的4個電機，主控MCU還有3個串口，供無線數(shù)據(jù)傳輸使用，是系統(tǒng)主控板與安防機器人數(shù)據(jù)雙向通信的通道。整體控制框架如圖5所示。

圖5 機器人控制系統(tǒng)圖

1.2.2 電機驅(qū)動系統(tǒng)

安防機器人的電機驅(qū)動電路如圖6所示，一個驅(qū)動電機需要兩片BST7971作為電機的驅(qū)動芯片。安防機器人MCU內(nèi)部的定時器輸出PWM通過三態(tài)緩沖器74HC244D提升驅(qū)動能力后，輸入到兩個BST7971的 PWM輸入引腳，進而控制電機的正旋，逆旋，停止，加速，減速等，如圖6所示;三態(tài)緩沖器74HC244D的接口電路如圖6所示，三態(tài)緩沖器的作用是其一是為了提高PWM的驅(qū)動能力，其二是為了隔離主控芯片與驅(qū)動芯片，防止驅(qū)動芯片對主控芯片干擾。

圖6 電機驅(qū)動/控制電路

1.2.3 機械臂的控制

機械臂的組成結(jié)構(gòu)是由5個型號為MG996R的舵機和支架組成，如圖7所示。舵機控制端輸入是一個寬度可調(diào)的周期性脈沖信號，脈沖信號的周期為20 ms。其角度變化與脈沖寬度的變化成正比，脈沖寬度改變時，轉(zhuǎn)軸的角度發(fā)生改變。舵機的輸出軸轉(zhuǎn)角與輸入信號的脈沖寬度之間的關(guān)系如圖7所示。

圖7 機械臂與舵機的控制脈沖波形圖

圖7中，機械臂5個舵機是通過主控芯片控制定時器復(fù)用5個周期20ms，寬度為0.5ms到2.5ms的PWM波形來調(diào)整舵機的轉(zhuǎn)動角度。

1.2.4 超聲波測距系統(tǒng)

超聲波模塊HC-SR04安裝于安防機器人的前部用于避障。在整個安防車運行的過程，始終處于工作態(tài)。有障礙物時，主控芯片利用兩組超聲波測距數(shù)據(jù)進行對比定位后判斷行走路線。測距系統(tǒng)與超聲波的控制時序如圖8所示。

1.2.5 無線通信模塊使用

在安防機器人上用到了無線串口通信模塊E14 -TTL100，其理論傳輸距離是2 000 m，足夠覆蓋智能家居工程的應(yīng)用場所。而且該無線串口模塊穩(wěn)定性較高，因此利用其鏈接局域網(wǎng);另外機器人系統(tǒng)使用NRF24L01無線模塊用來與監(jiān)測節(jié)點進行通信，不占用串口資源，克服了串口數(shù)量對外界進行通信的限制。

圖8 測距儀安裝位置與測距時序圖

1.3 安防監(jiān)控節(jié)點

節(jié)點總體框架圖與實物圖如圖9所示。節(jié)點中的主控芯片是STM32f10xRB，控制所有節(jié)點定時通過模塊NRF24l01向外發(fā)射所采集到的信息;在節(jié)點板上有溫濕度模塊DHT111、煙霧傳感器MQ-02以及人體紅外傳感器組成。每個節(jié)點都有自己的ID地址，在發(fā)送采集的數(shù)據(jù)之前，先發(fā)送一段ID供主控那邊接收后進行識別，再將采集到的數(shù)據(jù)編碼發(fā)送。

圖9 節(jié)點框圖與實物圖

節(jié)點人體紅外傳感器選用超低電壓工作模式的高靈敏度傳感器HC-SR501。在本設(shè)計當中，將節(jié)點安裝在門窗上等關(guān)鍵用于防人與大型動物入侵;煙霧探測選用型號是MQ-02的傳感器。它可以用于檢測可燃氣體，有兩個數(shù)據(jù)輸出引腳，一個是數(shù)字信號引腳DO，通過調(diào)節(jié)煙霧的濃度來指定報警的濃度，另一個引腳是模擬信號引腳AO，其輸出的電壓信號0～4 V之間的變化，0.2 V～0.3 V時是正常的煙霧濃度，超過0.3 V是就表示濃度超標;節(jié)點上同樣裝有溫濕度模塊，采集節(jié)點上與所處環(huán)境的溫濕度。節(jié)點對采集的數(shù)據(jù)進行分析處理好打包通過NRF24l01定時發(fā)出去。

圖10 網(wǎng)絡(luò)攝像頭與工作流程

另外，便于了解室內(nèi)情況，部分監(jiān)控節(jié)點還安裝了網(wǎng)絡(luò)攝像頭。如圖10所示，網(wǎng)絡(luò)攝像頭可以通過無線或者有線的方式跟路由器進行連接，將攝像頭流媒體信息送到服務(wù)器，再轉(zhuǎn)回給PC端。網(wǎng)絡(luò)攝像頭采用的是5 V的供電，有360°旋轉(zhuǎn)功能。用戶通過該節(jié)點進行實時的視頻監(jiān)控。

2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

2.1 避障系統(tǒng)原理

本研究采用超聲波測距方法為安防機器人提供準確定位、識別的運動距離信息。測距儀分2組安裝在機器人的前部左右兩側(cè)。避障系統(tǒng)如圖11所示。本移動機器人采用前、左、右3方向超聲波測距系統(tǒng)。

圖11 避障系統(tǒng)底盤與功能

2.1.1 超聲波測距原理

超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波(開始計時)，超聲波在空氣中傳播，碰到障礙物就立即折返，超聲波接收器收到反射波就立即停止計時，根據(jù)超聲波在空氣中的傳播速度和計時器記錄的時間，就可以計算出發(fā)射點距障礙物的距離。為了使移動機器人能自動避障行走，測距系統(tǒng)要獲取實時的障礙物距離信息(距離和方向)。在行走過程中，機器人根據(jù)超聲波數(shù)據(jù)和自身的運動狀態(tài)來修正運動位姿，并進行運動參數(shù)設(shè)置或狀態(tài)變換，且避開障礙物后，能返回設(shè)定運動路線上繼續(xù)移動。

2.1.2 機器人目標移動定位原理

機器人的相對于目標定位是基于超聲波編碼器的“車輪脈沖定位”方式。根據(jù)機器人的室內(nèi)工作環(huán)境，建立一個以地面為XY平面，以一個運動周期開始時機器人的中心為原點的直角坐標系，在此運動周期結(jié)束時進行一次計算，用來描述機器人在一個運動周期后相對于此運動周期前位姿的變化情況。機器人只在XY平面內(nèi)做二維平面運動，幾何關(guān)系如圖12所示。

根據(jù)圖12所示幾何關(guān)系，得到:

式中，N1，N2表示運算周期內(nèi)編碼器輪1、輪2的脈沖數(shù);δ表示單位脈沖驅(qū)動輪前進的距離;T表示運算周期;式中變量x、y以及角度均是驅(qū)動輪距D和驅(qū)動輪旋轉(zhuǎn)半徑R的函數(shù)。在室內(nèi)平整光滑的地面上，通過對左右驅(qū)動輪上編碼器脈沖數(shù)的計算和對輸入左右步進電機脈沖頻率的控制，可以達到對機器人行為動作的控制。Δx表示運算時間內(nèi)的直線運動距離;Δβ表示機器人圍繞z軸旋轉(zhuǎn)角度;Vl、V2表示兩輪轉(zhuǎn)動速度。

圖12 機器人運動幾何關(guān)系

2.2 系統(tǒng)軟件層設(shè)計

軟件設(shè)計包括應(yīng)用軟件層、系統(tǒng)軟件層、CMSIS層、硬件抽象層。

2.2.1 系統(tǒng)PC客戶端設(shè)計

為了節(jié)省空間，系統(tǒng)采用開放的無線網(wǎng)絡(luò)云平臺Yeelink，通過GPRS將數(shù)據(jù)上傳到Y(jié)eelink的服務(wù)器，用戶就能通過手機APP和電腦網(wǎng)頁查看數(shù)據(jù)，同時還可以設(shè)置相關(guān)臨界數(shù)值，當超越了臨界數(shù)據(jù)就觸發(fā)撥號功能來通知用戶保證用戶快速有效地接收到信息并處理。系統(tǒng)PC客戶端采用QT編程，系統(tǒng)框架與界面如圖13所示。顯示各個節(jié)點的采集回來的參數(shù)、流媒體圖像顯示、機械臂的控制按鍵等。

圖13 系統(tǒng)PC客戶端軟件框架與界面

2.2.2 機器人與節(jié)點系統(tǒng)軟件一體化設(shè)計

系統(tǒng)軟件實現(xiàn)功能主要包括節(jié)點與機器人系統(tǒng)通信以及機器人定位。軟件流程如圖14所示。

圖14 軟件設(shè)計流程圖

為了方便各個節(jié)點之間的協(xié)調(diào)工作，系統(tǒng)后臺處理集群采master-worker架構(gòu)。master節(jié)點主要負責從節(jié)點的管理和任務(wù)的接收與分配。為了方便各個節(jié)點之間的協(xié)調(diào)工作，后臺處理集群采用masterworker架構(gòu)。master節(jié)點主要負責:計算節(jié)點的管理和任務(wù)的接收與分配。在計算節(jié)點管理方面，master節(jié)點維持一個從節(jié)點列表，列表中的節(jié)點采用“心跳機制”，每隔一段時間向master節(jié)點報告其工作狀況，只有處于存活狀態(tài)的計算節(jié)點才參與任務(wù)的執(zhí)行。節(jié)點的負載CPU和內(nèi)存的利用率評定按照式(3):

式中，η為利用率，w1、w2為主從節(jié)點權(quán)重，滿足w1+ w2=1。

3 系統(tǒng)試驗測試

3.1 數(shù)據(jù)采集測試

安防機器人收集節(jié)點采集到的數(shù)據(jù)并與本身數(shù)據(jù)融合后傳輸?shù)较到y(tǒng)主控板進行處理。PC端軟件定時向服務(wù)器發(fā)送指令索取主控板數(shù)據(jù)。PC客戶端軟件所接收到的數(shù)據(jù)如圖15所示。

圖15 服務(wù)器接收到的數(shù)據(jù)與手機界面

3.2 通信功能測試

節(jié)點采集到的信息發(fā)送到主控板，判斷是否為異常信息，若為異常信息，則將打電話給用戶，如圖15所示為用戶手機接到報警的界面。根據(jù)系統(tǒng)主控板設(shè)定，撥打電話3次后或者用戶掛斷電話后，再發(fā)一條短信，告知用戶情況。

3.3 超聲波模塊采樣圖

超聲波有Trig和Echo兩根信號線，如圖16所示是采集到的超聲波Trig和Echo的信號波形圖。根據(jù)超聲波從發(fā)射信號到接收信號所用的時間，根據(jù)公式d(距離)=t(時間)×340)/2(mm)計算出所需測量的距離。

圖16 超聲波模塊引腳工作波形

3.4 電機驅(qū)動測試

如圖17所示安防機器人在中等速度和高速行駛時的引腳控制波形。可知，高電平的占空比越高，安防機器人行駛的速度越快。系統(tǒng)通過控制該引腳占空比控制器人行駛速度。

圖17 電機中速與快速控制波形圖

3.5 安防機器人機械臂測試

根據(jù)舵機的控制原理，舵機控制脈沖周期20ms，脈寬0.5 ms～2.5 ms分別對應(yīng)舵機的0°～180°。如圖18所示是機械臂上舵機的度數(shù)為90°時的引腳波形圖，高電平的所占用的時間是1.5 ms。控制脈沖高電平的時間來控制機械臂運動狀態(tài)。

圖18 機械臂控制波形圖

實驗證明，本文安防機器人系統(tǒng)實現(xiàn)了自動與手動雙模式下任意方向避障行走，同時收集安防數(shù)據(jù);機械臂已經(jīng)實現(xiàn)了在自由度內(nèi)完成各種較復(fù)雜的動作來處理險情;系統(tǒng)通過PC端上位機軟件對安防機器人進行靈活控制，同時能夠?qū)崟r獲取節(jié)點與安防機器人的傳感器的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了雙向管理。整個系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠。缺點是依賴于目前中國移動、電信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，通信有一定時延，長時間工作會有網(wǎng)絡(luò)的堵塞，但對信息的傳送基本不影響。

4 結(jié)論

本文研究的遠程網(wǎng)絡(luò)機器人系統(tǒng)面向智能家居安防工程的全方位服務(wù)，發(fā)展前景光明［19-20］。項目創(chuàng)新點如下:短距離WIFI等無線通信技術(shù)與遠程網(wǎng)絡(luò)化通信(GPRS、TCP/IP)集成用于本系統(tǒng)，系統(tǒng)功能強大;利用QT技術(shù)設(shè)計顯示界面，顯示、操作更加合理化與人性化;機器臂控制采用柔性技術(shù)設(shè)計理念，便于拾取危險物體或深度險情探測;項目融入了云計算技術(shù)，將上位機處理系統(tǒng)架設(shè)在云平臺上，安防節(jié)點和機器人系統(tǒng)的一體化數(shù)據(jù)很容易上傳到騰訊云服務(wù)器進行存貯與決策處理。實驗證明了系統(tǒng)設(shè)計的先進性。

總之，項目將機器人技術(shù)、無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、云計算融合用于安防工程，并利用云平臺的海量處理能力來解決機器人系統(tǒng)的控制問題，使其智能化、人性化程度都得到了很大提高。

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王驥(1972-)，男，遼寧人，副教授，主要研究方向為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與無線通信技術(shù);

謝仕義(1963-)，男，教授，通訊作者。主要研究方向為物聯(lián)網(wǎng)與數(shù)字海洋技術(shù)。

A New M ethod of Remote Indoor Security Based on a Network Robot*

WANG Ji，XIE Shiyi*，QIAN Jiandong，WANG Lianghong

(School of Information Guangdong Ocean University，Zhanjiang Guangdong 524088，China)

According to the requirements of the security engineer of smart home，we studied the key technology of design a remote security robot system.Firstly，short distance wireless communication technology WIFI and the remote network technology(GPRSand TCP/IP)were integrated to be used in robot systems，so the function ismore powerful;QT technology is used to design display interfacewhich the operation and display aremore reasonable and humanistic;We adopt the idea of flexible technology to design themachine arm whichmakes picking up dangerous goods and detecting danger more easily;The cloud computing technology was used for reserveing valuable information in tencent cloud，so the scalability of system is better.Experiments show that，when nobody is in home，the system takes activemodel to open the security system.If the accident has happened，the sensors send the alert data to MCU and MCU will call the user and send textmessages at the same time after processing，the user can open the client to monitor indoor circumstance by video and to control the robot taking action in time.The project integratesmany emerging strategy technology such as robots，Wireless network，cloud computing into the engineering ofwisdom family，So the system realizes the workingmode of network，intelligentization and humanization.

WIFI;TCP/IP;3G Communication technology;cloud computing;security robot

C:7230

10.3969/j.issn.1005－9490.2017.01.038

TP242

:A

:1005－9490(2017)01－0199－08

項目來源:廣東海洋大學(xué)重大科研培養(yǎng)計劃項目(GDOU2014050228);廣東省自然科學(xué)基金項目(S2012010008261，2015A030313617);國家基金項目(61471133)

2016-01-15修改日期:2016-03-21