黃宗偉

（廣東郵電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣州 510630）

引言

近年來，智能移動(dòng)機(jī)器人逐漸滲透到人們的生產(chǎn)生活中，尤其是在進(jìn)行各種災(zāi)難工作時(shí)，移動(dòng)機(jī)器人可以代替人類進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)，執(zhí)行搜索和任務(wù)。但對(duì)障礙信息的監(jiān)控不夠準(zhǔn)確，采集障礙信息的能力較差，效果不理想等多種問題依然存在。

針對(duì)上述方法存在的問題，提出基于Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)設(shè)計(jì)的機(jī)器人監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)。Zigbee網(wǎng)絡(luò)廣泛應(yīng)用于電力監(jiān)控、軍事偵察、家庭智能設(shè)備等眾多領(lǐng)域[1]。對(duì)機(jī)器人的功能和技術(shù)進(jìn)行分析，將過程中需要監(jiān)控的指標(biāo)進(jìn)行確定，利用Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)完善機(jī)器人監(jiān)控系統(tǒng)的功能。設(shè)計(jì)的機(jī)器人監(jiān)控系統(tǒng)是一個(gè)嵌入式系統(tǒng)，將上位機(jī)和RAQ81型微處理器相結(jié)合，采用先進(jìn)的Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，對(duì)機(jī)器人進(jìn)入災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)程操控監(jiān)控[2]。

1 基于Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的機(jī)器人監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

如圖1所示，機(jī)器人監(jiān)控系統(tǒng)由硬件機(jī)械結(jié)構(gòu)、軟件程序編程、通信、人機(jī)交互、環(huán)境感應(yīng)等關(guān)鍵部分構(gòu)成[5]。其中，為了適應(yīng)惡劣的災(zāi)難環(huán)境，硬件機(jī)械結(jié)構(gòu)要具有適應(yīng)性、可靠性和耐用性。

1.1 硬件結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)

如圖2所示，基于Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的機(jī)器人監(jiān)控系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集器、處理器、通信網(wǎng)絡(luò)、儲(chǔ)存器、顯示器等[6]。

如圖3所示，采用由美國(guó)熱瑪特卡公司制備的V51機(jī)器人，該機(jī)器人重550 kg，高15 m，采用防爆電動(dòng)機(jī)進(jìn)行履帶驅(qū)動(dòng)[7]。機(jī)器人所用材料具有高抗撞能力和表面強(qiáng)度，能夠適應(yīng)災(zāi)難環(huán)境中的錯(cuò)綜復(fù)雜的廢墟。

1.2 硬件結(jié)構(gòu)各個(gè)模塊設(shè)計(jì)

1.2.1 采集器模塊設(shè)計(jì)

基于Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的機(jī)器人監(jiān)控系統(tǒng)的采集器由傳感器監(jiān)控節(jié)點(diǎn)、氣體傳感器及語音通信設(shè)備組成。傳感器監(jiān)控節(jié)點(diǎn)能夠采集機(jī)器人工作周圍環(huán)境，通過算法進(jìn)行數(shù)據(jù)的解算、融合和傳遞。氣體傳感器能夠?qū)怏w成分進(jìn)行采集，判斷氣體成分和濃度，還能夠與紅外線傳感器配合，完成對(duì)傷員呼吸、體溫等具體狀況進(jìn)行探測(cè)[8]。語音通信設(shè)備則是能夠滿足指揮人員與傷員溝通。另外，激光測(cè)距儀和雷達(dá)定位能夠更好的對(duì)環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行完善采集。

1.2.2 處理器模塊設(shè)計(jì)

基于Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的機(jī)器人監(jiān)控系統(tǒng)將上位機(jī)和RAQ81型微處理器相結(jié)合，共同進(jìn)行系統(tǒng)數(shù)據(jù)的處理和監(jiān)控。采用的處理器是由丹麥英洛羅公司生產(chǎn)的RAQ81型微處理器，加載使用Wince操作系統(tǒng)，對(duì)業(yè)務(wù)進(jìn)行處理。上位機(jī)采用通用電腦，是用于管理Zigbee通信服務(wù)系統(tǒng)的核心，能夠?qū)φ麄€(gè)無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行控制和管理[9]。具體來說，上位機(jī)能夠直觀有效的對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)、節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)進(jìn)行控制管理。處理器是整個(gè)系統(tǒng)的控制中心，根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際需求，以命令發(fā)出的形式對(duì)整個(gè)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)和資源進(jìn)行管理[10]。

圖1 機(jī)器人監(jiān)控系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

圖2 機(jī)器人監(jiān)控系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)

圖3 V51機(jī)器人

RAQ81型微處理器為多核處理器，能夠?qū)⒉杉降男畔⑦M(jìn)行合理劃分和調(diào)度，并行處理系統(tǒng)任務(wù)，提升系統(tǒng)的運(yùn)行速度和整體性能，同時(shí)降低系統(tǒng)整體能耗。RAQ81型微處理器體積較小，能夠直接嵌入機(jī)器內(nèi)部，與上位機(jī)直接進(jìn)行通信，防止信息丟失或失真情況的實(shí)現(xiàn)，提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

處理器芯片采用美國(guó)西麗呈IT公司生產(chǎn)的CAE197型芯片，如圖4所示，該芯片內(nèi)部的振蕩源是32 MHz的晶體振蕩器和16 MHz的RC振蕩器，能夠?qū)ι漕l模塊的收發(fā)器和外部系統(tǒng)進(jìn)行控制，芯片采用中斷嵌套方式，能夠?qū)τ布M(jìn)行保護(hù)和恢復(fù)。RAQ81型微處理器具有集成度高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、兼容性高、功率低等優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)C(jī)器人狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并通過積分計(jì)算完成對(duì)數(shù)據(jù)的解算和處理[11]。

1.2.3 通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)信息的通信網(wǎng)絡(luò)是將采集到的數(shù)據(jù)從機(jī)器人系統(tǒng)傳送至遠(yuǎn)程監(jiān)控端。機(jī)器人具有一定的自主性，能夠?qū)Ρ焕д哌M(jìn)行定位、對(duì)環(huán)境信息進(jìn)行采集，通信網(wǎng)絡(luò)在信息傳遞過程中能夠保證數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性。傳統(tǒng)系統(tǒng)中在復(fù)雜環(huán)境中的無線通信方式可能出現(xiàn)信號(hào)傳輸不穩(wěn)定的問題。本文系統(tǒng)采用Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)作為通信網(wǎng)絡(luò)。Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)將傳感器技術(shù)和局部網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相融合，采用調(diào)頻技術(shù)，具有低功率、低能耗、高可靠性等優(yōu)點(diǎn)[12]。

Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)分為16個(gè)信道，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)很多，直接傳遞距離約為150 m，是一種大容量、高性能、低功耗、低成本、低復(fù)雜度、安全穩(wěn)定的無線網(wǎng)。如圖5所示，Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)一般有路由器、協(xié)調(diào)器、終端設(shè)備三種硬件設(shè)備。依據(jù)802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)，Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通過路由轉(zhuǎn)發(fā)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的安全傳輸，突破了Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)直接傳遞距離較短的局限。

在Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)上，根據(jù)應(yīng)用需求，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)星型、樹型和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的自由切換。星型結(jié)構(gòu)是由多個(gè)RFD終端節(jié)點(diǎn)和一個(gè)FFD協(xié)調(diào)器構(gòu)成。協(xié)調(diào)器作為網(wǎng)絡(luò)的中心，負(fù)責(zé)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的建立和維護(hù)。終端節(jié)點(diǎn)分布于協(xié)調(diào)器的覆蓋范圍內(nèi)，能夠直接進(jìn)行通信。樹型結(jié)構(gòu)是由多個(gè)星型結(jié)構(gòu)和一個(gè)協(xié)調(diào)器構(gòu)成，沿著網(wǎng)絡(luò)的樹主桿完成對(duì)數(shù)據(jù)和命令的傳輸，網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍較大。協(xié)調(diào)器主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的處理和存儲(chǔ)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中存在FFD和RFD兩種類型，F(xiàn)FD處于主導(dǎo)地位，在FFD節(jié)點(diǎn)同意請(qǐng)求后，RFD作為子節(jié)點(diǎn)加入該網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)是將FFD節(jié)點(diǎn)作為骨干，F(xiàn)FD節(jié)點(diǎn)之間可以直接進(jìn)行對(duì)等通信，可以提供可靠的多路徑路由。

1.2.4 存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)

機(jī)器人監(jiān)控系統(tǒng)的存儲(chǔ)器采用AMS43型存儲(chǔ)器，該存儲(chǔ)器能夠?qū)⒉杉降母呙芏葦?shù)據(jù)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)多級(jí)存儲(chǔ)，具有高非易失性。AMS43存儲(chǔ)器內(nèi)部選用的芯片為RD8214芯片，如圖6所示。

存儲(chǔ)器和上位機(jī)能夠直接通信，上位機(jī)能夠?qū)Υ鎯?chǔ)器中的信息進(jìn)行高速讀取，存儲(chǔ)器能夠?qū)ι衔粰C(jī)中處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)存儲(chǔ)。采集器中采集到的數(shù)據(jù)會(huì)以只讀的形式在存儲(chǔ)器中進(jìn)行實(shí)時(shí)儲(chǔ)存，而上位機(jī)會(huì)將處理后的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于結(jié)果存儲(chǔ)模塊，該模塊能夠與顯示器進(jìn)行直接聯(lián)系，將結(jié)果進(jìn)行顯示。AMS43型存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能耗較低，能夠自由轉(zhuǎn)換高低阻態(tài)不同狀態(tài)，具有通用性和可拓展性，能夠適應(yīng)不同的業(yè)務(wù)變化。

圖4 處理器芯片

圖5 Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

1.2.5顯示器設(shè)計(jì)

顯示器采用液晶屏，在顯示器監(jiān)控界面上除了顯示環(huán)境視頻圖片外，還會(huì)顯示環(huán)境溫度、濕度、氣體成分及含量，傷員具體身體狀況，機(jī)器人狀態(tài)和電源電量。

液晶顯示屏為被動(dòng)發(fā)光器件，點(diǎn)陣為152*72，工藝為COG，LED白色背光是顯示的光源，主要利用發(fā)光二極管，根據(jù)色溫和色坐標(biāo)進(jìn)行劃分。液晶顯示器是由數(shù)十萬個(gè)LED芯片組成，經(jīng)由四通道進(jìn)行快速大規(guī)模顯示。LED芯片的布線按四層板設(shè)計(jì)，能夠并行高速進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和顯示。在顯示時(shí)，能夠保證數(shù)據(jù)的完整性，防止數(shù)據(jù)和圖像的失真。

顯示器結(jié)構(gòu)圖如圖7所示。

2 基于Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的機(jī)器人監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

實(shí)時(shí)顯示及控制功能在基于Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的機(jī)器人監(jiān)控系統(tǒng)中，軟件能夠決定整個(gè)系統(tǒng)中不同節(jié)點(diǎn)和設(shè)備的運(yùn)行模式，因此軟件設(shè)計(jì)在整個(gè)系統(tǒng)中占據(jù)著舉足輕重的地位。系統(tǒng)的軟件可以主要分為管理軟件、無線網(wǎng)絡(luò)通信軟件和應(yīng)用軟件三部分，通過這三部分實(shí)現(xiàn)機(jī)器人監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)顯示及控制功能。

圖6 RD8214芯片

圖7 顯示器結(jié)構(gòu)

圖8 系統(tǒng)軟件程序工作流程

2.1 管理軟件設(shè)計(jì)

管理軟件主要包括處理器管理軟件和數(shù)據(jù)庫(kù)管理軟件，兩者之間同時(shí)運(yùn)行，能夠完成對(duì)系統(tǒng)的管理和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。在上位機(jī)端通過控制指令對(duì)系統(tǒng)資源進(jìn)行控制，并通過出口通信完成數(shù)據(jù)的收發(fā)。管理軟件是通過Visual Studio 2015軟件開發(fā)程序，按功能可以將軟件分為數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換和提取、界面的整體布局設(shè)置和串口通信的實(shí)現(xiàn)四部分。

如圖8所示，當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)后，系統(tǒng)將按照流程實(shí)現(xiàn)各種功能。具體流程包括系統(tǒng)的啟動(dòng)、初始化、分配拓展地址、參數(shù)設(shè)置、信息顯示、任務(wù)輪循和調(diào)動(dòng)事件處理程序，其中初始化包括IO、MAC、OSAL層、硬件啟動(dòng)、協(xié)議棧存儲(chǔ)器等的初始化。OSAL 模塊是一個(gè)類似操作系統(tǒng)的任務(wù)管理器，能夠?qū)λ谌蝿?wù)進(jìn)行管理。操作系統(tǒng)會(huì)通過標(biāo)志位判斷任務(wù)時(shí)間的執(zhí)行與否。Zigbee 協(xié)議棧利用函數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)的啟動(dòng)，啟動(dòng)完成后進(jìn)入任務(wù)輪循階段。任務(wù)輪循后要根據(jù)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)，調(diào)動(dòng)事件處理程序?qū)θ蝿?wù)進(jìn)行調(diào)度和執(zhí)行。

2.2 無線網(wǎng)絡(luò)通信軟件設(shè)計(jì)

無線網(wǎng)絡(luò)通信軟件是在操作系統(tǒng)的不斷輪循下進(jìn)行任務(wù)的完成。操作系統(tǒng)使用函數(shù)指針進(jìn)行任務(wù)事件處理函數(shù)的調(diào)用。無線網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)最終會(huì)通過網(wǎng)關(guān)設(shè)備協(xié)調(diào)器以有線方式完成與上位機(jī)端的數(shù)據(jù)交換，通過處理器上的串口通信預(yù)留端口，以中斷方式進(jìn)行通信事件的觸發(fā)。

2.3 應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)

應(yīng)用軟件終端包括菜單模塊、數(shù)據(jù)收發(fā)模塊和信息查詢模塊。菜單模塊可以根據(jù)需求選擇瀏覽方式、瀏覽內(nèi)容以及快捷服務(wù)請(qǐng)求，數(shù)據(jù)收發(fā)模塊主要負(fù)責(zé)服務(wù)器端和終端之間信息的交互，信息查詢模塊可以進(jìn)行機(jī)器人以及現(xiàn)場(chǎng)情況具體情況信息的查詢。

為了適應(yīng)RAQ81型微處理器的需求，應(yīng)用軟件的開發(fā)包括顯示器驅(qū)動(dòng)和顯示程序、鍵盤驅(qū)動(dòng)程序、應(yīng)用程序。處理器的數(shù)據(jù)是以串口的方式輸出，經(jīng)由串并轉(zhuǎn)換芯片，將其轉(zhuǎn)換成并行數(shù)據(jù)，有液晶顯示模塊進(jìn)行解碼顯示。液晶屏的工作必須有一個(gè)相應(yīng)的正常工作啟動(dòng)的程序作為保障，復(fù)位、延時(shí)等設(shè)計(jì)都與硬件參數(shù)相對(duì)應(yīng)。鍵盤作為輸入設(shè)備，必須具備方向鍵和命令建。為了減少系統(tǒng)所需端口的數(shù)量，四個(gè)方向鍵共用一個(gè)端口，通過分壓電路設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)按鍵位置的區(qū)分。

3 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h3>

為了檢測(cè)本文基于Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的機(jī)器人監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)際工作效果，設(shè)計(jì)了對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

3.2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及參數(shù)設(shè)置

在Revit軟件平臺(tái)模擬現(xiàn)場(chǎng)，現(xiàn)場(chǎng)圖如圖9所示。

設(shè)置機(jī)器人監(jiān)控系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。

機(jī)器人監(jiān)控系統(tǒng)界面如圖10所示。

圖9 現(xiàn)場(chǎng)模擬

表1 機(jī)器人監(jiān)控系統(tǒng)參數(shù)

圖10 機(jī)器人監(jiān)控系統(tǒng)界面

3.3 實(shí)驗(yàn)過程

根據(jù)上述設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，選取文獻(xiàn)[3]、文獻(xiàn)[4]設(shè)計(jì)的機(jī)器人監(jiān)控系統(tǒng)和本文基于Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的機(jī)器人監(jiān)控系統(tǒng)，利用Jitter延時(shí)振動(dòng)頻率進(jìn)行模擬表征延遲時(shí)間變化量，對(duì)同一現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，記錄兩個(gè)系統(tǒng)的測(cè)量結(jié)果，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖11 文獻(xiàn)[3]方法的機(jī)器人監(jiān)控系統(tǒng)延時(shí)振動(dòng)圖

圖12 文獻(xiàn)[4]方法的機(jī)器人監(jiān)控系統(tǒng)延時(shí)振動(dòng)圖

圖13 基于Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的機(jī)器人監(jiān)控系統(tǒng)延時(shí)振動(dòng)圖

3.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖11～13。

比較圖11、12、13發(fā)現(xiàn)，采用文獻(xiàn)[3]及文獻(xiàn)[4]方法的機(jī)器人監(jiān)控系統(tǒng)的延時(shí)振動(dòng)頻率Jitter明顯高于設(shè)計(jì)的基于Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的機(jī)器人監(jiān)控系統(tǒng)。時(shí)延振動(dòng)越大，網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性越差，因此，通過實(shí)驗(yàn)表明，本文系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信穩(wěn)定性更高，能夠更好地保證系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。也就是說，Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的利用，明顯提高了機(jī)器人監(jiān)控系統(tǒng)的穩(wěn)定性，機(jī)器人的工作效率更高，具有更高的應(yīng)用價(jià)值。

4 結(jié)束語

機(jī)器人作為一種新型的工具，能夠及時(shí)準(zhǔn)確地獲取災(zāi)難現(xiàn)場(chǎng)信息，從而減少災(zāi)難現(xiàn)場(chǎng)人員的傷亡和財(cái)物的損失。機(jī)器人監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包含了機(jī)械制造、人工智能、自動(dòng)化、圖像處理、計(jì)算機(jī)等多個(gè)專業(yè)的研究?jī)?nèi)容，需要良好的硬件平臺(tái)和穩(wěn)定的軟件系統(tǒng)的共同支持。本文基于Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)對(duì)機(jī)器人監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，利用Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)解決機(jī)器人監(jiān)控過程穩(wěn)定性差監(jiān)控結(jié)果不準(zhǔn)確的問題，增加了系統(tǒng)數(shù)據(jù)的完整性和網(wǎng)絡(luò)通信的穩(wěn)定性。

目前，基于Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的機(jī)器人監(jiān)控系統(tǒng)仍然處于試驗(yàn)階段，仍缺乏一定的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，但隨著Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的不斷成熟，基于Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的機(jī)器人監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展前景將會(huì)越來越廣闊。

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