黃宗偉

（廣東郵電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣州 510630）

引言

近年來，智能移動機器人逐漸滲透到人們的生產(chǎn)生活中，尤其是在進行各種災(zāi)難工作時，移動機器人可以代替人類進入現(xiàn)場，執(zhí)行搜索和任務(wù)。但對障礙信息的監(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)計的機器人監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計。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]。對機器人的功能和技術(shù)進行分析，將過程中需要監(jiān)控的指標(biāo)進行確定，利用Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)完善機器人監(jiān)控系統(tǒng)的功能。設(shè)計的機器人監(jiān)控系統(tǒng)是一個嵌入式系統(tǒng)，將上位機和RAQ81型微處理器相結(jié)合，采用先進的Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，對機器人進入災(zāi)害現(xiàn)場進行遠程操控監(jiān)控[2]。

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

如圖1所示，機器人監(jiān)控系統(tǒng)由硬件機械結(jié)構(gòu)、軟件程序編程、通信、人機交互、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

如圖2所示，基于Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的機器人監(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)、儲存器、顯示器等[6]。

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

1.2 硬件結(jié)構(gòu)各個模塊設(shè)計

1.2.1 采集器模塊設(shè)計

基于Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的機器人監(jiān)控系統(tǒng)的采集器由傳感器監(jiān)控節(jié)點、氣體傳感器及語音通信設(shè)備組成。傳感器監(jiān)控節(jié)點能夠采集機器人工作周圍環(huán)境，通過算法進行數(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，完成對傷員呼吸、體溫等具體狀況進行探測[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，激光測距儀和雷達定位能夠更好的對環(huán)境數(shù)據(jù)進行完善采集。

1.2.2 處理器模塊設(shè)計

基于Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的機器人監(jiān)控系統(tǒng)將上位機和RAQ81型微處理器相結(jié)合，共同進行系統(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)，對業(yè)務(wù)進行處理。上位機采用通用電腦，是用于管理Zigbee通信服務(wù)系統(tǒng)的核心，能夠?qū)φ麄€無線網(wǎng)絡(luò)進行控制和管理[9]。具體來說，上位機能夠直觀有效的對整個系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)、節(jié)點和數(shù)據(jù)進行控制管理。處理器是整個系統(tǒng)的控制中心，根據(jù)系統(tǒng)的實際需求，以命令發(fā)出的形式對整個系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)和資源進行管理[10]。

圖1 機器人監(jiān)控系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

圖2 機器人監(jiān)控系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)

圖3 V51機器人

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

處理器芯片采用美國西麗呈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)進行控制，芯片采用中斷嵌套方式，能夠?qū)τ布M行保護和恢復(fù)。RAQ81型微處理器具有集成度高、實時性強、兼容性高、功率低等優(yōu)點，能夠?qū)C器人狀態(tài)進行實時監(jiān)控，并通過積分計算完成對數(shù)據(jù)的解算和處理[11]。

1.2.3 通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

數(shù)據(jù)信息的通信網(wǎng)絡(luò)是將采集到的數(shù)據(jù)從機器人系統(tǒng)傳送至遠程監(jiān)控端。機器人具有一定的自主性，能夠?qū)Ρ焕д哌M行定位、對環(huán)境信息進行采集，通信網(wǎng)絡(luò)在信息傳遞過程中能夠保證數(shù)據(jù)的實時性和準(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[12]。

Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)分為16個信道，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點很多，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)點通過路由轉(zhuǎn)發(fā)實現(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，拓撲結(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RFD終端節(jié)點和一個FFD協(xié)調(diào)器構(gòu)成。協(xié)調(diào)器作為網(wǎng)絡(luò)的中心，負責(zé)整個網(wǎng)絡(luò)的建立和維護。終端節(jié)點分布于協(xié)調(diào)器的覆蓋范圍內(nèi)，能夠直接進行通信。樹型結(jié)構(gòu)是由多個星型結(jié)構(gòu)和一個協(xié)調(diào)器構(gòu)成，沿著網(wǎng)絡(luò)的樹主桿完成對數(shù)據(jù)和命令的傳輸，網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍較大。協(xié)調(diào)器主要負責(zé)數(shù)據(jù)的處理和存儲，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點中存在FFD和RFD兩種類型，F(xiàn)FD處于主導(dǎo)地位，在FFD節(jié)點同意請求后，RFD作為子節(jié)點加入該網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)是將FFD節(jié)點作為骨干，F(xiàn)FD節(jié)點之間可以直接進行對等通信，可以提供可靠的多路徑路由。

1.2.4 存儲器設(shè)計

機器人監(jiān)控系統(tǒng)的存儲器采用AMS43型存儲器，該存儲器能夠?qū)⒉杉降母呙芏葦?shù)據(jù)信息進行實時動態(tài)多級存儲，具有高非易失性。AMS43存儲器內(nèi)部選用的芯片為RD8214芯片，如圖6所示。

存儲器和上位機能夠直接通信，上位機能夠?qū)Υ鎯ζ髦械男畔⑦M行高速讀取，存儲器能夠?qū)ι衔粰C中處理后的數(shù)據(jù)進行實時存儲。采集器中采集到的數(shù)據(jù)會以只讀的形式在存儲器中進行實時儲存，而上位機會將處理后的數(shù)據(jù)存儲于結(jié)果存儲模塊，該模塊能夠與顯示器進行直接聯(lián)系，將結(jié)果進行顯示。AMS43型存儲器結(jié)構(gòu)簡單、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

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，機器人狀態(tài)和電源電量。

液晶顯示屏為被動發(fā)光器件，點陣為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)進行劃分。液晶顯示器是由數(shù)十萬個LED芯片組成，經(jīng)由四通道進行快速大規(guī)模顯示。LED芯片的布線按四層板設(shè)計，能夠并行高速進行數(shù)據(jù)傳輸和顯示。在顯示時，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)的機器人監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計

實時顯示及控制功能在基于Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的機器人監(jiān)控系統(tǒng)中，軟件能夠決定整個系統(tǒng)中不同節(jié)點和設(shè)備的運行模式，因此軟件設(shè)計在整個系統(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，通過這三部分實現(xiàn)機器人監(jiān)控系統(tǒng)實時顯示及控制功能。

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

管理軟件主要包括處理器管理軟件和數(shù)據(jù)庫管理軟件，兩者之間同時運行，能夠完成對系統(tǒng)的管理和數(shù)據(jù)的存儲。在上位機端通過控制指令對系統(tǒng)資源進行控制，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)庫的設(shè)計、數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換和提取、界面的整體布局設(shè)置和串口通信的實現(xiàn)四部分。

如圖8所示，當(dāng)系統(tǒng)啟動后，系統(tǒng)將按照流程實現(xiàn)各種功能。具體流程包括系統(tǒng)的啟動、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)動事件處理程序，其中初始化包括IO、MAC、OSAL層、硬件啟動、協(xié)議棧存儲器等的初始化。OSAL 模塊是一個類似操作系統(tǒng)的任務(wù)管理器，能夠?qū)λ谌蝿?wù)進行管理。操作系統(tǒng)會通過標(biāo)志位判斷任務(wù)時間的執(zhí)行與否。Zigbee 協(xié)議棧利用函數(shù)進行系統(tǒng)的啟動，啟動完成后進入任務(wù)輪循階段。任務(wù)輪循后要根據(jù)任務(wù)的優(yōu)先級，調(diào)動事件處理程序?qū)θ蝿?wù)進行調(diào)度和執(zhí)行。

2.2 無線網(wǎng)絡(luò)通信軟件設(shè)計

無線網(wǎng)絡(luò)通信軟件是在操作系統(tǒng)的不斷輪循下進行任務(wù)的完成。操作系統(tǒng)使用函數(shù)指針進行任務(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，以中斷方式進行通信事件的觸發(fā)。

2.3 應(yīng)用軟件設(shè)計

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)請求，數(shù)據(jù)收發(fā)模塊主要負責(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行機器人以及現(xiàn)場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)動和顯示程序、鍵盤驅(qū)動程序、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)，有液晶顯示模塊進行解碼顯示。液晶屏的工作必須有一個相應(yīng)的正常工作啟動的程序作為保障，復(fù)位、延時等設(shè)計都與硬件參數(shù)相對應(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，四個方向鍵共用一個端口，通過分壓電路設(shè)計實現(xiàn)按鍵位置的區(qū)分。

3 驗證實驗

3.1 實驗?zāi)康?/h3>

為了檢測本文基于Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的機器人監(jiān)控系統(tǒng)的實際工作效果，設(shè)計了對比實驗。

3.2 實驗平臺及參數(shù)設(shè)置

在Revit軟件平臺模擬現(xiàn)場，現(xiàn)場圖如圖9所示。

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

機器人監(jiān)控系統(tǒng)界面如圖10所示。

圖9 現(xiàn)場模擬

表1 機器人監(jiān)控系統(tǒng)參數(shù)

圖10 機器人監(jiān)控系統(tǒng)界面

3.3 實驗過程

根據(jù)上述設(shè)定的參數(shù)進行實驗，選取文獻[3]、文獻[4]設(shè)計的機器人監(jiān)控系統(tǒng)和本文基于Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的機器人監(jiān)控系統(tǒng)，利用Jitter延時振動頻率進行模擬表征延遲時間變化量，對同一現(xiàn)場進行模擬實驗，記錄兩個系統(tǒng)的測量結(jié)果，分析實驗結(jié)果。

圖11 文獻[3]方法的機器人監(jiān)控系統(tǒng)延時振動圖

圖12 文獻[4]方法的機器人監(jiān)控系統(tǒng)延時振動圖

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

3.4 實驗結(jié)果與分析

實驗結(jié)果如圖11～13。

比較圖11、12、13發(fā)現(xiàn)，采用文獻[3]及文獻[4]方法的機器人監(jiān)控系統(tǒng)的延時振動頻率Jitter明顯高于設(shè)計的基于Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的機器人監(jiān)控系統(tǒng)。時延振動越大，網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性越差，因此，通過實驗表明，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，明顯提高了機器人監(jiān)控系統(tǒng)的穩(wěn)定性，機器人的工作效率更高，具有更高的應(yīng)用價值。

4 結(jié)束語

機器人作為一種新型的工具，能夠及時準(zhǔn)確地獲取災(zāi)難現(xiàn)場信息，從而減少災(zāi)難現(xiàn)場人員的傷亡和財物的損失。機器人監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計包含了機械制造、人工智能、自動化、圖像處理、計算機等多個專業(yè)的研究內(nèi)容，需要良好的硬件平臺和穩(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)對機器人監(jiān)控系統(tǒng)進行設(shè)計，利用Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)解決機器人監(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)的機器人監(jiān)控系統(tǒng)仍然處于試驗階段，仍缺乏一定的實踐經(jīng)驗，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)的機器人監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展前景將會越來越廣闊。

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