史 兵，段鎖林，李 菊，王 朋，朱益飛

(1.常州大學(xué) 城市軌道交通學(xué)院，江蘇 常州 213164； 2.常州大學(xué) 機(jī)器人研究所，江蘇 常州 213164)(*通信作者電子郵箱shibings@163.com)

0 引言

火災(zāi)給人們帶來了巨大的生命和財(cái)產(chǎn)損失。特別是一些特殊的企業(yè)發(fā)生的火災(zāi)，如化工企業(yè)、紡織企業(yè)等，具有突發(fā)性強(qiáng)、燃燒猛烈等特點(diǎn)，并且火災(zāi)過程中會產(chǎn)生大量的有毒氣體，嚴(yán)重地危害周圍群眾和救災(zāi)人員的生命安全。如2015年發(fā)生的天津港大火，不僅造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失，更是造成了消防人員的巨大傷亡，因此，開發(fā)一種自主移動滅火機(jī)器人，實(shí)時(shí)監(jiān)測易燃區(qū)域，將具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

國內(nèi)外，已經(jīng)針對此種移動滅火機(jī)器人有了一些研究，并取得一定進(jìn)展[1]。

2008年，由德國馬格德堡-施騰達(dá)爾大學(xué)設(shè)計(jì)開發(fā)了一種球形新型消防機(jī)器人，用來監(jiān)測森林火災(zāi)。2009年，由挪威科學(xué)家研制出一種蛇形消防機(jī)器人，進(jìn)入消防救援人員無法進(jìn)入的場所實(shí)施滅火工作。英國智能化保安公司研制的消防機(jī)器人，配有履帶式行走機(jī)構(gòu)，可較為便利地越過障礙物，抵近火源，利用水槍進(jìn)行滅火。美國海軍研制出一種直立行走的，人行的滅火機(jī)器人，用于艦船內(nèi)部的消防工作。在國內(nèi)，公安部上海消防研究所和上海交通大學(xué)聯(lián)合研發(fā)出一種履帶式消防機(jī)器人，具有快速攀登樓梯的能力，同時(shí)裝備多數(shù)據(jù)傳感器，如攝像機(jī)、氣體成分分析儀、紅外探測器以及全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System， GPS)模塊，能進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行偵查和救援。國內(nèi)也有一些高校與科研院所設(shè)計(jì)出了功能類似的消防機(jī)器人。

然而，目前國內(nèi)外關(guān)于滅火機(jī)器人的工作，絕大部分是針對室外滅火機(jī)器人，而對于同樣重要的室內(nèi)滅火機(jī)器人的研究較少?，F(xiàn)階段室內(nèi)消防，以固定消防噴頭，配合覆蓋目標(biāo)區(qū)域的傳感器為主，此種方式具有成本低、易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，但也存在滅火設(shè)施噴灑面積過大，指向性不強(qiáng)等不足。本文針對室內(nèi)移動滅火機(jī)器人的工作室內(nèi)空間有限、便于布置等特點(diǎn)，采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network，WSN)技術(shù)，對室內(nèi)整體環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測，并與移動機(jī)器人聯(lián)網(wǎng)，減少機(jī)器人巡檢次數(shù)，延長其生命周期，能在火災(zāi)初發(fā)期，針對性地使用滅火器對火源滅火，指向性強(qiáng)。同時(shí)，通過構(gòu)建數(shù)據(jù)庫、Web服務(wù)器等網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)控制功能，將系統(tǒng)機(jī)器人向網(wǎng)絡(luò)移動機(jī)器人轉(zhuǎn)變，因此，基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)且具有網(wǎng)絡(luò)控制功能的室內(nèi)滅火機(jī)器人，是對室內(nèi)消防模式的有益探索和對傳統(tǒng)室內(nèi)消防方法的有效補(bǔ)充。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)由現(xiàn)場單元、監(jiān)控中心單元和遠(yuǎn)程單元三部分構(gòu)成，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

現(xiàn)場單元由無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和移動滅火機(jī)器人構(gòu)成，負(fù)責(zé)監(jiān)測工作區(qū)域內(nèi)工作狀況，如發(fā)生火災(zāi)，則移動滅火機(jī)器人自主移動到目標(biāo)位置執(zhí)行滅火工作，同時(shí)將數(shù)據(jù)上傳到監(jiān)控中心單元。

該單元的工作過程如下：移動滅火機(jī)器人最初處于靜止休眠狀態(tài)，以達(dá)到節(jié)能的目的。傳感器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)定時(shí)采集工作區(qū)域內(nèi)的多種參數(shù)，如溫度、濕度、煙霧等，并將采集到的數(shù)據(jù)和自身的位置信息，發(fā)送到移動機(jī)器人。移動機(jī)器人對收到的信息進(jìn)行處理，判斷是否發(fā)生火災(zāi)。若有火災(zāi)，則立即喚醒機(jī)器人，并根據(jù)預(yù)先生成的全局地圖規(guī)劃出一條通往火源區(qū)域大概位置的路徑，并移動過去，同時(shí)啟動雙攝像頭捕捉火源和對目標(biāo)精確定位，根據(jù)定位信息再次重新規(guī)劃路徑，最終找到火源并自動執(zhí)行滅火指令。移動機(jī)器人將所獲取的參數(shù)信息實(shí)時(shí)上傳到監(jiān)控中心單元數(shù)據(jù)庫，并接收控制中心計(jì)算機(jī)的控制指令。

監(jiān)控中心單元為上層用戶，負(fù)責(zé)接收和維護(hù)現(xiàn)場單元傳輸過來的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并對外提供Web服務(wù)，同時(shí)具有遠(yuǎn)程控制現(xiàn)場單元移動機(jī)器人的功能。

遠(yuǎn)程單元即更上層用戶，得到授權(quán)的用戶可以直接使用瀏覽器登錄監(jiān)控中心提供的Web服務(wù)器，查看實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，或下載數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)更高層次的管理。

2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系設(shè)計(jì)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是現(xiàn)場單元中一個(gè)重要的組成部分，由一定數(shù)量的、具有近距通信功能的、廉價(jià)且低功耗的微型節(jié)點(diǎn)構(gòu)成[2]。該網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)通過單跳或多跳的方式進(jìn)行傳輸，是一種自組織的通信網(wǎng)絡(luò)。本系統(tǒng)采用支持IEEE802.15.4的ZigBee技術(shù)構(gòu)建的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，具有低功耗、低成本、網(wǎng)絡(luò)容量大、安全性高、開發(fā)復(fù)雜度低等特點(diǎn)，非常適合本系統(tǒng)中對室內(nèi)區(qū)域環(huán)境的監(jiān)控[3]。

2.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)有網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)(即協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn))、路由節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)3種類型[4]。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)構(gòu)建和維護(hù)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，允許路由節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)，并分配網(wǎng)絡(luò)地址；路由節(jié)點(diǎn)主要起到數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的功能，同時(shí)也允許終端節(jié)點(diǎn)加入成為自己的子節(jié)點(diǎn)；終端節(jié)點(diǎn)是一種簡化了功能的節(jié)點(diǎn)，即傳感器節(jié)點(diǎn)，它只負(fù)責(zé)收集數(shù)據(jù)，并發(fā)給其父節(jié)點(diǎn)。由ZigBee技術(shù)構(gòu)建的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)一般采用3種常見的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即星型拓?fù)?Star)、樹型拓?fù)?Tree)和網(wǎng)型拓?fù)?Mesh)。

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)面向室內(nèi)環(huán)境，如紡織倉庫等，一般具有以下一些特點(diǎn)：

1)倉庫室內(nèi)面積較大；

2)倉庫室內(nèi)高度較高；

3)倉庫室內(nèi)有平坦的通道；

4)倉庫室內(nèi)貨物的放置較整齊，規(guī)范；

5)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，有較大的煙霧。

同時(shí)，考慮到系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)必須滿足滅火機(jī)器人在移動過程中也能準(zhǔn)確接收各終端節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的要求，將系統(tǒng)的現(xiàn)場單元中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖2(a)表示初始狀態(tài)時(shí)，移動機(jī)器人處于靜止休眠狀態(tài)，機(jī)器人攜帶的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，自組織起一個(gè)網(wǎng)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。終端節(jié)點(diǎn)定時(shí)采集數(shù)據(jù)，路由節(jié)點(diǎn)通過多跳方式，最終將數(shù)據(jù)發(fā)到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)再通過移動機(jī)器人的串口接口，發(fā)送至機(jī)器人內(nèi)部的計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步識別處理。圖2(b)表示當(dāng)機(jī)器人處于移動狀態(tài)時(shí)，受限于通信半徑，原本連接的路由節(jié)點(diǎn)可能會失去聯(lián)系，而以前未直接連接的路由節(jié)點(diǎn)，則可能變成可直接通信的節(jié)點(diǎn)。圖2表明本系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是隨機(jī)器人的移動而變化的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，但仍屬于網(wǎng)型拓?fù)涞姆懂?，機(jī)器人在移動過程中由協(xié)議棧自動維護(hù)更新拓?fù)洹?/p>

2.2 傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

傳感器節(jié)點(diǎn)是本系統(tǒng)中室內(nèi)環(huán)境參數(shù)采集的實(shí)際執(zhí)行單元，由處理器模塊和傳感器模塊組成[5-6]。處理器模塊采用美國德州儀器公司(Texas Instruments， TI)公司的CC2530模塊，該模塊由主要由增強(qiáng)型8051處理器、存儲器和ZigBee無線單元構(gòu)成。傳感器模塊由各型傳感器，包括溫度、濕度、煙霧、熱源傳感器等及其調(diào)理電路構(gòu)成[7]。

路由節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的硬件無需專門設(shè)計(jì)，直接使用移除了傳感器的傳感器節(jié)點(diǎn)，并載入路由節(jié)點(diǎn)程序和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)程序，即可配置成路由節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。

3 移動滅火機(jī)器人系統(tǒng)

移動滅火機(jī)器人是現(xiàn)場單元中另一個(gè)重要的組成部分，本系統(tǒng)所采用的機(jī)器人開發(fā)平臺由上海英集斯自動化技術(shù)公司提供。整機(jī)3點(diǎn)支撐，前面2個(gè)驅(qū)動輪，后面1個(gè)萬向輪平衡，機(jī)體寬度485 mm，總長494 mm，高度495 mm。為了使機(jī)器人能在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中運(yùn)行，在開發(fā)平臺的基礎(chǔ)上，增加了一個(gè)無線傳感器網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，通過通用串行總線(Universal Serial Bus， USB)接口與機(jī)器人連接。

3.1 機(jī)器人控制系統(tǒng)

機(jī)器人控制系統(tǒng)作為機(jī)器人系統(tǒng)的核心，它包括對機(jī)器人語音、圖像、網(wǎng)絡(luò)、運(yùn)動及其他傳感設(shè)備的控制，本機(jī)器人控制系統(tǒng)主要由上位機(jī)(工業(yè)級嵌入式系統(tǒng))和下位機(jī)(運(yùn)動控制卡)組成，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 機(jī)器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

工業(yè)級嵌入式系統(tǒng)選用Intel Pentium M 1.8 GHz處理器，擴(kuò)展到1 024 MHz DDR 400內(nèi)存，8路USB2.0接口，5路RS232接口，支持IEEE802.11g無線網(wǎng)卡和以太網(wǎng)接口。

運(yùn)動控制卡選用TI公司2000系列數(shù)字信號處理器(Digital Signal Processor， DSP)，它是針對電機(jī)伺服控制開發(fā)的DSP芯片，自身集成了電機(jī)控制所需的各種功能，如脈沖寬度調(diào)制(Pulse Width Modulation， PWM)控制、編碼器信息采集等。同時(shí)，還集成了串行外設(shè)接口總線(Serial Peripheral Interface， SPI)、控制器局域網(wǎng)總線(Controller Area Network， CAN)通信，16通道10位AD采集以及數(shù)字量輸入、輸出信號。

3.2 機(jī)器人傳感器系統(tǒng)

1)距離傳感器。

機(jī)器人配置6個(gè)超聲波距離傳感器，圍繞其四周布置。選用美國Pololu公司生產(chǎn)的Maxbotics LV-MaxSonar-EZ系列的超聲波測距模塊，有效探測距離為20 cm～7 m。聲納測距傳感器的測量精度：±5%。

2)火焰?zhèn)鞲衅鳌?/p>

機(jī)器人配置3個(gè)火焰?zhèn)鞲衅?，選用日本HAMAMATSU 公司R2868型火焰?zhèn)鞲衅?。通過火光中微弱紫外線發(fā)現(xiàn)火源，它可以探測185～260個(gè)不同的狹窄光譜敏感源，探測距離約為5 m。

3)離子感煙傳感器。

機(jī)器人配置1個(gè)離子感煙傳感器，安裝在機(jī)器人上部，選用美國HONEYWELL公司JTY-LZ- 1424型離子感煙探測器。其工作溫度范圍為-10℃～50℃，工作濕度范圍為≤95%RH。

4)視覺傳感器。

機(jī)器人配置1個(gè)高清攝像頭，安裝于機(jī)器人上部云臺，選用瑞士羅技公司CC3000型。10倍數(shù)碼變焦、自動對焦、120°水平視場，通過USB2.0與上位機(jī)相連。

4 控制中心單元設(shè)計(jì)

控制中心單元由監(jiān)控計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)庫和Web服務(wù)器三部分構(gòu)成，如圖4所示。監(jiān)控計(jì)算機(jī)通過無線的方式，接收移動機(jī)器人上傳的數(shù)據(jù)，如環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)、現(xiàn)場視頻等。監(jiān)控計(jì)算機(jī)將信息以圖形界面的形式顯示，并將信息寫入數(shù)據(jù)庫中，以便Web服務(wù)器在響應(yīng)遠(yuǎn)端瀏覽器請求時(shí)，讀取信息。

圖4 系統(tǒng)各部分邏輯結(jié)構(gòu)

遠(yuǎn)程客戶端利用瀏覽器登錄Web服務(wù)器，可以實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)。當(dāng)遠(yuǎn)程客戶端與監(jiān)控計(jì)算機(jī)都安裝基于Socket網(wǎng)絡(luò)通信軟件時(shí)，則可以遠(yuǎn)程控制移動機(jī)器人，包括喚醒、參數(shù)配置、目的地指定等，使獨(dú)立的移動機(jī)器人平臺變成了一個(gè)網(wǎng)絡(luò)移動機(jī)器人，其控制命令流向如圖4中點(diǎn)狀線箭頭線所示。

1)數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建。

數(shù)據(jù)庫是本系統(tǒng)中一個(gè)很重要的部分，關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)功能能否順利地實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中保存多種重要信息，以備調(diào)用，如授權(quán)用戶、登錄記錄、溫度參數(shù)、濕度參數(shù)、圖片信息、煙霧參數(shù)、報(bào)警記錄等。本系統(tǒng)建立的是SQL(Structured Query Language) Server型的數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫中的信息以表單的形式呈現(xiàn)，便于輸入與讀取。

2)Web服務(wù)器的構(gòu)建。

本系統(tǒng)采用VS2010(Microsoft Visual Studio 2010)開發(fā)平臺構(gòu)建Web服務(wù)器，通過響應(yīng)客戶端瀏覽器發(fā)出的HTTP(Hyper Text Transfer Protocol)請求，從數(shù)據(jù)庫中獲取需要的數(shù)據(jù)，生成動態(tài)交互式網(wǎng)頁(Active Server Page， ASP)，然后呈現(xiàn)給客戶端。系統(tǒng)Web服務(wù)器還采用AJAX (Asynchronous Javascript And XML)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)更新到客戶端頁面，并提供用戶登錄、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示、歷史記錄查詢和數(shù)據(jù)輸出等功能。

5 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件部分主要由無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)軟件、移動機(jī)器人軟件、控制中心計(jì)算機(jī)軟件、Web服務(wù)器軟件4類組成。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)軟件有傳感器節(jié)點(diǎn)軟件、路由節(jié)點(diǎn)軟件和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)軟件，共3種。機(jī)器人軟件實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人的控制和與上位機(jī)的通信；控制中心軟件實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場機(jī)器人數(shù)據(jù)的接收和控制以及寫入數(shù)據(jù)庫，并以圖形界面的形式表示；Web服務(wù)器軟件實(shí)現(xiàn)了對遠(yuǎn)程瀏覽器客戶端請求的響應(yīng)，并提供實(shí)時(shí)信息的功能[8-9]。

5.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

傳感器節(jié)點(diǎn)軟件流程如圖5(a)所示，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)軟件流程如圖5(b)所示。節(jié)點(diǎn)軟件均基于TI公司Z-STACK2007協(xié)議棧，采用C語言編寫。

圖5 節(jié)點(diǎn)軟件流程

路由節(jié)點(diǎn)軟件只需使用Z-STACK協(xié)議棧提供的默認(rèn)代碼即可，無需單獨(dú)編寫。大幅度節(jié)省了開發(fā)時(shí)間和降低了開發(fā)難度。

對從事快遞業(yè)已有6年的中通快遞員李師傅來說，“雙11”就是一場拼體力的戰(zhàn)斗。從早上8點(diǎn)到網(wǎng)點(diǎn)取貨送貨，一直要忙到晚上9點(diǎn)多，“高峰期要送大約300個(gè)件，是平時(shí)是2到3倍?！崩顜煾嫡f。

5.2 機(jī)器人軟件設(shè)計(jì)

移動機(jī)器人軟件系統(tǒng)管理與機(jī)器人相關(guān)的所有工作，包括：傳感器管理模塊、圖像處理模塊、語音處理模塊、網(wǎng)絡(luò)通信模塊和運(yùn)動控制模塊。其系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖6所示。軟件基于VS2010平臺，采用面向?qū)ο蠓椒?，使用C++語言開發(fā)，運(yùn)行于機(jī)器人系統(tǒng)的上位機(jī)[10-11]。軟件支持多線程，每個(gè)模塊由一個(gè)線程處理。線程之間利用消息的方式進(jìn)行通信，共享數(shù)據(jù)，利用串口與運(yùn)動控制卡(下位機(jī))進(jìn)行命令與參數(shù)的傳遞[12]。

該結(jié)構(gòu)除了具有自主性、智能性等基本特點(diǎn)外，還具有以下特點(diǎn)：

1)整個(gè)結(jié)構(gòu)既具有較強(qiáng)的應(yīng)急反應(yīng)能力，也具有遠(yuǎn)期規(guī)劃能力；

2)具有較強(qiáng)的擴(kuò)展性，可以不斷增強(qiáng)完善自身的各項(xiàng)功能。

移動機(jī)器人執(zhí)行檢測和滅火工作的軟件流程，如圖7所示。

圖6 機(jī)器人軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖7 檢測和滅火流程

機(jī)器人在開始工作時(shí)，按照設(shè)定的“Z”字形默認(rèn)路徑運(yùn)動，并通過火焰?zhèn)鞲衅鳈z測是否有火焰。當(dāng)發(fā)現(xiàn)火焰后，則調(diào)整云臺方向，利用攝像頭進(jìn)行圖像檢測和火焰定位，并控制機(jī)器人的運(yùn)動方向。當(dāng)接近火焰后，機(jī)器人停止并調(diào)整方向，然后執(zhí)行滅火的相關(guān)動作。

5.3 控制中心監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)

控制中心計(jì)算機(jī)軟件也基于VS2010平臺，使用C++語言開發(fā)。監(jiān)控系統(tǒng)軟件具有實(shí)時(shí)監(jiān)控、遠(yuǎn)程控制、通信設(shè)置、歷史數(shù)據(jù)和幫助5個(gè)功能模塊，其結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 監(jiān)控軟件結(jié)構(gòu)

實(shí)時(shí)監(jiān)控部分有三個(gè)子窗口，分別是環(huán)境參數(shù)子窗口、遠(yuǎn)動參數(shù)子窗口和實(shí)時(shí)圖像子窗口。環(huán)境參數(shù)子窗口實(shí)現(xiàn)對室內(nèi)環(huán)境參數(shù)的監(jiān)控，如溫度、濕度、煙塵等參數(shù)的監(jiān)控，并以數(shù)值和曲線的形式表示出來[13]；運(yùn)動參數(shù)子窗口實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前機(jī)器人的各種運(yùn)行參數(shù)，如速度、位移等；實(shí)時(shí)圖像子窗口，顯示當(dāng)前攝像頭所拍攝的圖像，讓用戶對現(xiàn)場有直觀的了解和判斷。遠(yuǎn)程控制部分有兩個(gè)子窗口，分別是：控制界面和運(yùn)動曲線子窗口?？刂平缑孀哟翱冢瑸橛脩籼峁┝诉h(yuǎn)程控制的機(jī)會，既可控制控制機(jī)器人的運(yùn)動，也可控制機(jī)器人上攝像頭的方向；運(yùn)動曲線子窗口，用于提供當(dāng)前機(jī)器人的路徑規(guī)劃信息[14-15]。通信設(shè)置部分的子窗口為通信參數(shù)配置子窗口，該子窗口主要提供客戶機(jī)與服務(wù)器的連接參數(shù)配置服務(wù)。歷史數(shù)據(jù)部分有三個(gè)子窗口，分別提供環(huán)境參數(shù)、控制命令和運(yùn)動曲線信息的查詢服務(wù)。幫助部分有兩個(gè)子窗口，分別提供機(jī)器人開發(fā)信息幫助和各功能模塊的介紹服務(wù)。

5.4 Web服務(wù)器軟件設(shè)計(jì)

Web服務(wù)器端軟件基于VS2010平臺，使用C#語言開發(fā)。系統(tǒng)軟件具有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)輸出、系統(tǒng)幫助四個(gè)主菜單。Web服務(wù)器將響應(yīng)客戶端瀏覽器的請求，并根據(jù)請求，準(zhǔn)備ASP網(wǎng)頁數(shù)據(jù)，必要時(shí)從數(shù)據(jù)庫獲取數(shù)據(jù)，最后將網(wǎng)頁數(shù)據(jù)返回給客戶端瀏覽器，完成數(shù)據(jù)傳遞[16]。

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)菜單顯示室內(nèi)環(huán)境參數(shù)信息，如溫度、濕度、煙塵等以及現(xiàn)場實(shí)時(shí)圖片。

歷史數(shù)據(jù)提供所有以往數(shù)據(jù)的查詢、顯示服務(wù)；數(shù)據(jù)輸出則提供歷史數(shù)據(jù)的打印服務(wù)；系統(tǒng)幫助提供數(shù)據(jù)信息的說明服務(wù)。

6 系統(tǒng)測試

測試場所為一間長約20 m，寬約為10 m，高約4 m的實(shí)驗(yàn)室。路由節(jié)點(diǎn)沿實(shí)驗(yàn)室頂部四周每隔10 m均勻布置，使用5個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)在距地面2 m處的S平面內(nèi)隨機(jī)布置，如圖9所示。

圖9 測試節(jié)點(diǎn)布置

測試初始條件為：設(shè)置所有節(jié)點(diǎn)的傳輸頻率為2.4 GHz，發(fā)射功率為0 dBm，數(shù)據(jù)包長為1個(gè)字節(jié)，初始能量一致，傳輸半徑約為25 m。

為了測試不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在不同發(fā)送時(shí)間間隔時(shí)的丟包率，需要對無線傳感器節(jié)點(diǎn)的發(fā)送程序進(jìn)行簡單的修改，使其固定發(fā)送1個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)包。測試分網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)被障礙物遮擋和無障礙物遮擋2種情況，以厚度約20 mm的書本模擬障礙物遮擋。

首先，進(jìn)行無遮擋測試，將拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)置成網(wǎng)型結(jié)構(gòu)，將發(fā)送間隔分別修改為0.1 s、0.5 s、1 s、1.5 s、2 s、2.5 s，測試6次，單個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)每次發(fā)送40個(gè)數(shù)據(jù)包，每次共發(fā)送200個(gè)數(shù)據(jù)包。再將拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)修改成樹型結(jié)構(gòu)，再重新測試6次。移動機(jī)器人身上安裝的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，增加數(shù)據(jù)包統(tǒng)計(jì)的簡短代碼，用來統(tǒng)計(jì)收到的數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)。然后，重復(fù)測試網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)被遮擋情況時(shí)的丟包率。星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由于傳感器節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)采用單跳的方式通信，而實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行空間較大，有可能會超過其通信半徑，并不適合本系統(tǒng)，因此不作測試比較。測試運(yùn)行后，無遮擋情況統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖10(a)所示，有遮擋情況統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖10(b)所示。

從圖10可以綜合得出，網(wǎng)型拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)發(fā)送間隔為0.1 s、1 s、1.5 s、2 s時(shí)，在無遮擋網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)情況下，丟包率分別為14.5%、4.2%、2.0%、0.0%；有遮擋時(shí)情況下，丟包率分別為24.5%、17.2%、16.0%和15.0%。

圖10 丟包率測試結(jié)果

樹型拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)發(fā)送間隔為0.1 s、1 s、1.5 s、2 s時(shí)，在無遮擋網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)情況下，丟包率分別為16.0%、9.0%、6.0%、4.0%。有遮擋情況下，丟包率分別為45.0%、31.2%、26.0%和21.0%。

從對比數(shù)據(jù)可以得出：當(dāng)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)無遮擋時(shí)，相同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下，發(fā)送間隔越短則丟包率越高。在相同的發(fā)送間隔下，網(wǎng)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的丟包率低于樹型；當(dāng)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)被遮擋時(shí)，兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的丟包率都大幅度增加，當(dāng)時(shí)發(fā)送間隔變大后，丟包率會保持一個(gè)平穩(wěn)水平，此時(shí)遮擋因素起主導(dǎo)作用。在考慮丟包率和實(shí)時(shí)性因素情況下，本系統(tǒng)選擇網(wǎng)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和1.5 s的發(fā)送間隔可以滿足數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性的實(shí)際需求。

7 結(jié)語

本文將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計(jì)了一種具有遠(yuǎn)程監(jiān)控功能的室內(nèi)滅火網(wǎng)絡(luò)機(jī)器人系統(tǒng)。通過構(gòu)建網(wǎng)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，實(shí)時(shí)獲取室內(nèi)的環(huán)境參數(shù)，移動機(jī)器人根據(jù)實(shí)時(shí)環(huán)境信息自主完成下一步的動作。通過構(gòu)建數(shù)據(jù)庫和Web服務(wù)器，遠(yuǎn)程終端可實(shí)時(shí)監(jiān)測現(xiàn)場的情況，并可通過終端軟件遠(yuǎn)程控制移動機(jī)器人動作，極大地拓展了移動機(jī)器人的功能。現(xiàn)場測試表明，本系統(tǒng)采用的網(wǎng)型拓?fù)錈o線傳感器網(wǎng)絡(luò)，在發(fā)送間隔為1.5 s，且網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)無遮擋時(shí)的數(shù)據(jù)傳輸丟包率不高于2%，能滿足系統(tǒng)對數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)際要求。

下一工作將對移動機(jī)器人的環(huán)境建模和路徑規(guī)劃方面展開研究，以期達(dá)到能快速、準(zhǔn)確地找到火源，并開展滅火行動的目的。

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This work is partially supported by the National Natural Science Foundation of China (51405039), the Science and Technology Support Project of Jiangsu Province (BE2013671), the Jiangsu Overseas Research & Training Program for Prominent Young & Middle-aged Teachers and Presidents in Universities.

SHIBing, born in 1976, Ph. D., associate professor. His research interests include wireless sensor network, mobile robot.

DUANSuolin, born in 1956, Ph. D., professor. His research interests include intelligent robot, control engineering.

LIJu, born in 1981, Ph.D., associate professor. Her research interests include robot control, intelligent automation.

WANGPeng, born in 1992, M. S. candidate. His research interests include robot vision.

ZHUYifei, born in 1992, M. S. candidate. His research interests include intelligent robot.