許浩宸 徐健 范嘉欣 曹萌 鄭丹杰

江蘇師范大學(xué)科文學(xué)院，中國·江蘇 徐州 221000

1 引言

隨著人工智能在生活中的日漸普及，智能設(shè)備設(shè)計(jì)也越來越擬人化，智能設(shè)備能代替人類高效地完成很多復(fù)雜的工作，但是在目前這個(gè)階段，它始終還是一個(gè)指令接收者，需要操作者通過控制器對其進(jìn)行操控，因此控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的好壞對智能設(shè)備性能的影響是至關(guān)重要的，隨著現(xiàn)代通訊和微電子技術(shù)水平的不斷進(jìn)步，現(xiàn)代控制模塊設(shè)計(jì)越來越向著小型化和智能化方向發(fā)展，DSP集成度高、性能強(qiáng)大、價(jià)格便宜，并且在設(shè)計(jì)階段可以實(shí)現(xiàn)軟硬設(shè)計(jì)分離，因此基于數(shù)字信號處理器的設(shè)計(jì)模式成為智能設(shè)備嵌入式控制模塊中的首選方案。

智能設(shè)備控制模塊的設(shè)計(jì)經(jīng)歷了三個(gè)比較重要的發(fā)展階段，最早期的是集中控制設(shè)計(jì)模式，主要利用一臺PC機(jī)完成全部的功能；再往后就發(fā)展到了分層控制設(shè)計(jì)模式，有了一定程度的組織功能、協(xié)調(diào)功能和調(diào)度功能。如今，在萬物皆可聯(lián)網(wǎng)的時(shí)代，分布式控制設(shè)計(jì)模式才是最理想的實(shí)現(xiàn)方式，分布式控制系統(tǒng)可以集中監(jiān)控和管理，在各模塊之間、軟硬件之間實(shí)現(xiàn)了解耦，使得效率和成本都得到了很大程度上的優(yōu)化。

2 基于無線通信的智能設(shè)備系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

無線通信智能設(shè)備的總體結(jié)構(gòu)主要包含智能設(shè)備和負(fù)責(zé)無線通信的控制系統(tǒng)，整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 無線通信智能設(shè)備的總體結(jié)構(gòu)示意圖

智能設(shè)備由射頻模塊發(fā)出的無線信號直接控制，信號是按照事先約定的協(xié)議格式進(jìn)行編碼，智能設(shè)備身上的無線接收模塊收到信號后，會對信號進(jìn)行解碼，然后生成對應(yīng)的指令用來控制智能設(shè)備完成各自設(shè)計(jì)好的功能。

3 基于無線通信的智能設(shè)備控制模塊設(shè)計(jì)

控制模塊是智能設(shè)備系統(tǒng)中最為核心的部件，決定著智能設(shè)備的智能化程度，控制模塊主要負(fù)責(zé)智能設(shè)備行為動(dòng)作和信息接收處理，如能控制機(jī)器人進(jìn)行有效的障礙物避讓、運(yùn)動(dòng)目標(biāo)跟蹤和對周圍環(huán)境搜索?？刂破髦饕贒SP硬件平臺，以C語言作為軟件開發(fā)工具，其組成示意如圖2所示。

圖2 無線通信控制模塊結(jié)構(gòu)示意圖

智能設(shè)備身上含有各種類型的傳感器，包括距離傳感器、溫度傳感器、速度傳感器、聲音傳感器和圖像傳感器，這使得智能設(shè)備對周圍環(huán)境有很好的感知能力，并且通過傳感器感知到的數(shù)據(jù)能形成一定的自主決策。為了讓控制器對智能設(shè)備的控制更加高效，必須優(yōu)化無線通信效率，除了可以通過增加網(wǎng)絡(luò)帶寬來提升數(shù)據(jù)吞吐率以外，還需要對軟件模塊進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，讓各個(gè)功能解耦合，并采用并行的數(shù)據(jù)傳輸方式來與智能設(shè)備本體進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

并行輸入接口主要是智能設(shè)備身上的各類傳感器，接收傳感器上傳的各類數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)類型主要包括以下幾類：

①紅外傳感器和超聲波傳感器接收的距離信息；

②溫度傳感器接收的溫度信息；

③速度傳感器接收的實(shí)時(shí)速度信息；

④圖像傳感器接收的圖像信息；

⑤聲音傳感器接收的音頻信息；

⑥驅(qū)動(dòng)電機(jī)的狀態(tài)信息；

⑦無線控制模塊的通信報(bào)文。

并行輸出接口主要是輸出控制命令報(bào)文信息，主要包括以下幾類：

①電機(jī)控制命令；

②智能設(shè)備各種狀態(tài)信息。

編程接口主要是指控制軟件與DSP模塊之間銜接的約定，為了更好地對智能設(shè)備系統(tǒng)進(jìn)行操控，需要事先對系統(tǒng)的各種功能進(jìn)行合理的劃分，降低各部門的相互依賴，弱化各模塊之間的耦合性，這樣才能有效提高整個(gè)系統(tǒng)的維護(hù)性和拓展性。

顯示接口主要用于調(diào)試時(shí)監(jiān)視系統(tǒng)各部分的狀態(tài)信息。

通信接口主要包含串行接口和RS232通信接口，并且預(yù)留可擴(kuò)展接口。

4 無線通信模塊設(shè)計(jì)

近程無線通信技術(shù)主要有藍(lán)牙技術(shù)、Wi-Fi技術(shù)、IrDA技術(shù)和低功率短距離無線通信技術(shù)等。借助無線通信技術(shù)，智能設(shè)備可以更加自如地完成復(fù)雜的功能。藍(lán)牙技術(shù)、Wi-Fi技術(shù)和IrDA技術(shù)，這些技術(shù)都相當(dāng)比較成熟，在一些小型設(shè)備上運(yùn)用是非常合適的，但是每個(gè)技術(shù)也有各自的局限性，如IrDA技術(shù)需要兩個(gè)通訊設(shè)備對準(zhǔn)，之間不能有障礙物遮擋，并且節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)不能拓展；藍(lán)牙技術(shù)和Wi-Fi技術(shù)主要受限于傳輸距離，當(dāng)距離稍微遠(yuǎn)一點(diǎn)，信號就會明顯變?nèi)酢?/p>

為了使得智能設(shè)備擴(kuò)展其移動(dòng)區(qū)域，使得最長通信距離能達(dá)到300m左右，很多有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)者更傾向于選擇傳輸距離更遠(yuǎn)的低功率短距離無線通信技術(shù)作為無線智能設(shè)備控制模塊的通信方式，低功率短距離無線通信技術(shù)一般選擇DSP作為射頻收發(fā)芯片，為了構(gòu)建完整的無線通信模塊，還需要微控制器來配合使用。通信模塊與其他設(shè)備主要通過數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，同時(shí)為了數(shù)據(jù)的安全，還需要使用必要的加密協(xié)議，對于設(shè)計(jì)者來說，不需要對通信原理進(jìn)行深入的研究，只要按照協(xié)議格式設(shè)計(jì)不同的功能操控報(bào)文，同時(shí)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速傳輸。

智能設(shè)備控制模塊通過PC機(jī)發(fā)出的指令以及傳感器對周圍環(huán)境獲取到的感知數(shù)據(jù)形成判斷決策，來計(jì)算智能設(shè)備的位置目標(biāo)的路徑，然后調(diào)用實(shí)現(xiàn)該動(dòng)作的代碼，生成對智能設(shè)備的速度控制命令。計(jì)算機(jī)通過串口將這些命令發(fā)送給無線通信模塊。無線通信模塊中的發(fā)射器對智能設(shè)備的控制指令進(jìn)行編碼形成數(shù)據(jù)包并將數(shù)據(jù)包發(fā)射出去。無線接收模塊一般安置在智能設(shè)備本體上，當(dāng)有無線數(shù)據(jù)發(fā)送過來的時(shí)候，智能設(shè)備能完整的接收下來并進(jìn)行解碼，生成對應(yīng)的智能設(shè)備控制報(bào)文，智能設(shè)備根據(jù)操控報(bào)文，調(diào)節(jié)輸出的PWM脈沖，不同的PWM脈沖可以決定不同的速度和方向，大大提升了智能設(shè)備操控的靈活性。

5 結(jié)語

如今，DSP在智能控制領(lǐng)域運(yùn)用越來越廣泛，這主要得益于它能實(shí)現(xiàn)很多復(fù)雜的控制算法和功能，并且完成高精度的控制。智能設(shè)備控制模塊作為控制系統(tǒng)里的核心部件，決定著智能設(shè)備行為的智能化程度，現(xiàn)在大部分的智能設(shè)備控制系統(tǒng)都是基于DSP機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的，在整體結(jié)構(gòu)中，DSP是整個(gè)硬件電路的核心，除此之外，還包括存儲器電路和信號隔離電路，為了完成無線操控，還要完成無線通信模塊的電路設(shè)計(jì)，主要包括發(fā)射電路和接收電路，同時(shí)約定通信協(xié)議，整個(gè)設(shè)計(jì)需要通過C語言進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，并且部署到硬件平臺。

隨著智能設(shè)備越來越智能化，其攜帶的傳感器也會越來越多，智能設(shè)備對周圍的環(huán)境感知能力也會相應(yīng)地增強(qiáng)，同時(shí)也會要求控制模塊與智能設(shè)備本體的傳輸延時(shí)越來越小，這就會對通信模塊和信息處理模塊提出更高的設(shè)計(jì)要求，相信在不遠(yuǎn)的將來，智能設(shè)備發(fā)展會到達(dá)一個(gè)新的高度，滿足各行業(yè)各場景的全方位需求。