機(jī)房自動(dòng)巡監(jiān)機(jī)器人系統(tǒng)初探

阮翔

摘 要：本人介紹了一種機(jī)房自動(dòng)巡監(jiān)機(jī)器人的體系結(jié)構(gòu)，給出了基于該體系結(jié)構(gòu)的各模塊原理，通過制作基礎(chǔ)型自動(dòng)巡監(jiān)機(jī)器人驗(yàn)證了該體系結(jié)構(gòu)的合理性以及可行性，并對該系統(tǒng)存在的缺點(diǎn)與不足進(jìn)行了討論。

關(guān)鍵詞：巡監(jiān)機(jī)器人；機(jī)房巡檢；模塊原理；無線發(fā)射

1 引言與背景

對設(shè)備和儀器的監(jiān)管和檢測是電臺(tái)工作的重要組成部分，是實(shí)現(xiàn)安全播音和高效播音的基礎(chǔ)和保障，因而巡機(jī)抄表和日常巡視也成了我們無線電臺(tái)以及許多工作單位必不可少的工作內(nèi)容。

傳統(tǒng)的巡機(jī)需要人員到機(jī)房去做定期巡查，重復(fù)性做大量的日常巡檢工作，隨著自動(dòng)化水平的提高和電臺(tái)無人化值守的進(jìn)展，也需要人員定期到現(xiàn)場檢查部分設(shè)備的運(yùn)行情況。為了保證機(jī)房設(shè)備安全可靠運(yùn)行，更快地推進(jìn)機(jī)房無人值守的進(jìn)程，提高電臺(tái)的自動(dòng)化、信息化水平，利用自動(dòng)巡監(jiān)機(jī)器人完成機(jī)房設(shè)備的巡檢，以至于只要有網(wǎng)絡(luò)的地方就可以了了解和看到機(jī)房及其設(shè)備的一切狀態(tài)，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和廣闊的市場前景。因此筆者開始了對自動(dòng)巡監(jiān)機(jī)器人的研究，并開發(fā)出了可應(yīng)用于現(xiàn)場的基礎(chǔ)型自動(dòng)巡監(jiān)機(jī)器人。

2 巡監(jiān)機(jī)器人的設(shè)計(jì)與功能

機(jī)房自動(dòng)巡監(jiān)機(jī)器人結(jié)合人工巡機(jī)的經(jīng)驗(yàn)和要求，采用完全自主或遠(yuǎn)程遙控方式，利用單片機(jī)技術(shù)結(jié)合多傳感器技術(shù)、機(jī)器人視覺技術(shù)、視屏讀表系統(tǒng)和無線傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)對機(jī)房內(nèi)設(shè)備的定時(shí)自動(dòng)巡機(jī)抄表和對機(jī)房各部分環(huán)境監(jiān)測，采集并處理聲、光、視屏等數(shù)據(jù)信息。準(zhǔn)確及時(shí)的發(fā)現(xiàn)問題和故障，提高工作效率，減少人為的疏漏，為無人值班機(jī)房的推廣提供了創(chuàng)新型的技術(shù)檢測手段。

2.1 機(jī)器人的設(shè)計(jì)要求

根據(jù)巡監(jiān)機(jī)器人的作業(yè)環(huán)境和工作要求，進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)有以下要求要求：

⑴順利的實(shí)現(xiàn)在機(jī)房環(huán)境中的行走、越障和待作業(yè)位置處的準(zhǔn)確定位，按規(guī)定軌跡運(yùn)行，全程視頻監(jiān)控，定點(diǎn)拍攝。

⑵避開發(fā)射機(jī)干擾，保證上下行信號穩(wěn)定通暢。能根據(jù)上位機(jī)參數(shù)設(shè)定改變巡機(jī)時(shí)間、移動(dòng)速度、移動(dòng)位置，拍攝方位和角度等。

⑶機(jī)器人底部要適合機(jī)房地面及轉(zhuǎn)彎、越障需要，盡可能保證機(jī)器人平穩(wěn)勻速移動(dòng)。機(jī)器人腰部要有足夠大的安裝基面，以保證機(jī)器人在工作時(shí)的整體穩(wěn)定性。同時(shí)，由于機(jī)器人底座和腰座承受了大部分的重量，腰部軸承要有足夠的強(qiáng)度和韌性，而為了減小機(jī)器人運(yùn)動(dòng)慣量，提高控制精度，運(yùn)動(dòng)部分采用輕型材料。

⑷機(jī)器人手臂或者攝像云臺(tái)結(jié)構(gòu)尺寸應(yīng)滿足工作空間要求，腰座以上部件，包括機(jī)械臂，攝像頭等部件盡可能采用輕型材料，以保證運(yùn)行速度和精度。

⑸安全有效，使機(jī)器人在運(yùn)行時(shí)符合機(jī)房的安全守則；經(jīng)濟(jì)實(shí)用，盡可能使各部分組件效用最大化。

2.2 機(jī)器人的功能要求

對巡監(jiān)機(jī)器人的功能要求需基于人工巡機(jī)抄表的要求同時(shí)結(jié)合芯片的選擇來定，基本的巡監(jiān)機(jī)器人功能有：

⑴可以實(shí)現(xiàn)本地、自動(dòng)、遠(yuǎn)程三種操作模式自由切換。機(jī)器人能自動(dòng)沿人為設(shè)定的巡機(jī)路徑運(yùn)動(dòng)。通過無線傳輸模塊，在上位機(jī)上反映機(jī)器人某些參數(shù)，將運(yùn)動(dòng)中的視頻、速度等直接傳到監(jiān)控電腦。

⑵到達(dá)指定點(diǎn)后停留，發(fā)出指定信號，攝像頭拍攝指定照片并保存。

⑶通過視頻讀表系統(tǒng)，讀出表值（或模塊亮燈數(shù)）并記錄。同時(shí)判斷采集到的數(shù)據(jù)是否在正常的數(shù)據(jù)范圍內(nèi)，若不在則發(fā)出告警。

⑷記錄巡機(jī)點(diǎn)，沿巡機(jī)線路去下個(gè)記錄點(diǎn)，直到回到起點(diǎn)，等待下個(gè)巡機(jī)時(shí)間（比如整點(diǎn)）的到來。

⑸下位機(jī)采集各項(xiàng)數(shù)據(jù)，處理后在軟件界面顯示各類數(shù)據(jù)。上位機(jī)可以對各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。

而理想的巡監(jiān)機(jī)器人能在基礎(chǔ)型機(jī)器人的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)語音控制、智能壁障、夜間（斷電）自動(dòng)巡檢、超聲測距、紅外測溫等，并將運(yùn)動(dòng)中的視頻、音頻、環(huán)境溫度、濕度、速度等數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)控電腦，到達(dá)抄表點(diǎn)后，結(jié)合機(jī)械臂的精確控制，進(jìn)行讀表及判斷各模塊使用情況。

理想的巡監(jiān)機(jī)器人由于涉及到機(jī)械臂的開模設(shè)計(jì)，整體費(fèi)用較高，開發(fā)周期長，而基礎(chǔ)型巡監(jiān)機(jī)器人芯片使用STC11F32XE型單片機(jī)便可實(shí)現(xiàn)，鑒于本機(jī)器人處于研發(fā)階段，筆者先開發(fā)基礎(chǔ)型機(jī)器人用于實(shí)驗(yàn)研究。

3 巡監(jiān)機(jī)器人結(jié)構(gòu)組成

整個(gè)自動(dòng)巡監(jiān)的過程可以分為機(jī)器人運(yùn)動(dòng)、數(shù)據(jù)采集、信息處理反饋三個(gè)部分，采用基站和移動(dòng)體相結(jié)合的方式來替代人工巡機(jī)抄表，提供診斷機(jī)房設(shè)備運(yùn)行重的事故隱患和故障的有關(guān)數(shù)據(jù)，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，保證安全播出。基礎(chǔ)型巡監(jiān)機(jī)器人樣機(jī)如圖1所示。

3.1 機(jī)器人的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基礎(chǔ)型巡監(jiān)機(jī)器人分為遠(yuǎn)端基站和機(jī)器人運(yùn)動(dòng)體兩個(gè)部分組成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

3.1.1 遠(yuǎn)端基站控制系統(tǒng)

主要由監(jiān)控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、交換機(jī)以及相應(yīng)的無線通訊設(shè)備組成。監(jiān)控主站系統(tǒng)基于Windows系統(tǒng)，采用C#面向?qū)ο缶幊陶Z言開發(fā)設(shè)計(jì)，提供友好的操作交互界面，完成監(jiān)測功能，負(fù)責(zé)對傳回的視頻圖像進(jìn)行視頻讀表，給機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃提供相應(yīng)的命令及環(huán)境信息，并可以對機(jī)器人采集的設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、存儲(chǔ)，并提供專家診斷功能等。遠(yuǎn)端基站控制系統(tǒng)的視屏控制部分如圖3所示。

3.1.2 機(jī)器人移動(dòng)站系統(tǒng)

移動(dòng)站系統(tǒng)主要由主控芯片、巡視檢測、能源電池、運(yùn)動(dòng)控制、網(wǎng)絡(luò)通信以及視屏采集等系統(tǒng)組成，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)定位、可見光及紅外數(shù)據(jù)檢測采集、能源管理補(bǔ)給以及狀態(tài)信息上傳、視屏傳輸?shù)裙δ?，結(jié)合基站控制系統(tǒng)，完成機(jī)器人遙控巡視和自動(dòng)規(guī)劃巡視等功能。

3.2 機(jī)器人系統(tǒng)模塊原理

基礎(chǔ)型巡監(jiān)機(jī)器人系統(tǒng)主要由無線通訊模塊、運(yùn)動(dòng)控制模塊、視頻采集模塊、電源及上位機(jī)部分組成，其工作方式如圖4所示。

3.2.1 無線通訊模塊

機(jī)器人可以采用WI-FI或藍(lán)牙模式進(jìn)行操作，由于兩者類似，只是WI-FI模塊與藍(lán)牙模塊的區(qū)別，這里以WI-FI為例，需要把普通的無線路由器通過刷入開源的Openwrt系統(tǒng)（經(jīng)思科路由程序改編，可以用在特定芯片的小型系統(tǒng)），讓它變成運(yùn)行Linux（Linux是一種自由和開放源碼的類Unix操作系統(tǒng)）系統(tǒng)的小電腦，然后在WI-FI板上運(yùn)行mjpg-streamer程序（mjpg-streamer可以通過文件或者是HTTP方式訪問Linux UVC兼容攝像頭），進(jìn)行視頻編碼，經(jīng)過WI-FI傳回上位機(jī)，接著，便在電腦上可以看見機(jī)器人傳來的視頻了。一般路由設(shè)有TTL接口，將該串口引出，接著通過路由的Ser2net程序（一個(gè)可以通過電腦向路由的指定端口發(fā)送數(shù)據(jù)，然后路由原封不動(dòng)的將數(shù)據(jù)發(fā)送到路由的TTL接口的程序），讓W(xué)I-FI信道的指令轉(zhuǎn)到串口進(jìn)行輸出，這里串口的作用就是與單片機(jī)通信，讓它知道用戶發(fā)出什么指令。

3.2.2 運(yùn)動(dòng)控制模塊

這里的運(yùn)動(dòng)控制模塊需要和紅外控制系統(tǒng)相結(jié)合，紅外控制系統(tǒng)遵循循跡機(jī)器人原理，利用紅外線在不同顏色物理表面具有不同反射系數(shù)的特點(diǎn)，選擇合適的紅外傳感器，使機(jī)器人能沿既定軌跡運(yùn)行，本機(jī)器人設(shè)定為沿著黑色膠帶軌跡前進(jìn)，并在規(guī)定圖片采集地點(diǎn)處的地面橫向貼一條黑色膠帶，作為給予機(jī)器人拍照采集信號，待機(jī)器人按要求采集完畢后，由上位機(jī)發(fā)送一信號使得機(jī)器人繼續(xù)前進(jìn)。待機(jī)器人完成所有規(guī)定采集點(diǎn)的采集后，機(jī)器人會(huì)回到初始位置，等到上位機(jī)設(shè)定的下個(gè)巡機(jī)時(shí)間的到來時(shí)，機(jī)器人會(huì)進(jìn)行新的一輪巡機(jī)和采集。

3.2.3 單片機(jī)系統(tǒng)與下位機(jī)

單片機(jī)系統(tǒng)是一種集成電路芯片，因?yàn)轭l率低，不能實(shí)現(xiàn)大量數(shù)據(jù)運(yùn)算。我們通過改變單片機(jī)的輸出引腳（即IO口）電平，讓單片機(jī)控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)動(dòng)，控制機(jī)器人前進(jìn)、轉(zhuǎn)彎、后退?；A(chǔ)型機(jī)器人使用STC11F32XE型單片機(jī)，和51單片機(jī)相比，具有以下特點(diǎn)：

⑴STC11系列是1T模式，指令速度是普通51的8～12倍。

⑵抗干擾性強(qiáng)，功耗低。

⑶擁有獨(dú)立的波特率發(fā)生器。

⑷ISP（在系統(tǒng)可編程）/IAP（在應(yīng)用可編程），29K EEPROM空間可用于保存用戶數(shù)據(jù)。

下位機(jī)主要用來監(jiān)測和執(zhí)行上位機(jī)的操作指令。單片機(jī)里面的程序作用是接收來自上位機(jī)的指令，進(jìn)行分析和解碼，給予單片機(jī)的指定引腳對應(yīng)的高低電平。這個(gè)指令先從上位機(jī)發(fā)出經(jīng)由路由也就是WI-FI模塊，到達(dá)單片機(jī)。現(xiàn)在的單片機(jī)和無線模塊的串口以TTL居多，它有三種數(shù)據(jù)線：發(fā)送TX，接收RX，地線GND。相同的電平類型的可以進(jìn)行通信，如果是9針RS232串口，需要接有232轉(zhuǎn)TTL的小板后才能與各種模塊進(jìn)行通信。

3.2.4 上位機(jī)與視頻采集分析模塊

發(fā)送命令的部分稱之為上位機(jī)，命令發(fā)送到無線模塊或者路由器，然后經(jīng)由路由轉(zhuǎn)換，命令達(dá)到芯片，進(jìn)而機(jī)器人執(zhí)行命令，與此同時(shí)，上位機(jī)發(fā)給路由一個(gè)視頻請求，路由會(huì)把攝像頭視頻回傳給上位機(jī)，上位機(jī)對視頻進(jìn)行解碼，并顯示。而上位機(jī)的編程則是通過TCP （Transmission Control Protocol）和UDP（User Datagram Protocol）協(xié)議，用Socket（通常也稱作"套接字"，用于描述IP地址和端口，是一個(gè)通信鏈的句柄。）把數(shù)據(jù)發(fā)送到路由端，機(jī)器人的上位機(jī)是客戶機(jī)模式，路由端是服務(wù)器模式，這樣就不需要什么轉(zhuǎn)發(fā)操作，直接連機(jī)器人就可以控制了。

視頻采集由安裝在機(jī)器人上的網(wǎng)頁攝像頭完成，可以對機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)過程全程監(jiān)控，可以在其外圍配置乳白色毛玻璃罩，利用毛玻璃的半透明性和對光線的彌散作用，消除屏幕反光，取得高質(zhì)量的儀表圖像。上位機(jī)利用視頻讀表系統(tǒng)讀出發(fā)射機(jī)上對應(yīng)表值。目前發(fā)射機(jī)的表值主要有3種，指針式、數(shù)顯式和模塊亮燈式，視頻讀表系統(tǒng)經(jīng)過圖像預(yù)處理，指針、字符及亮燈區(qū)域分割，后續(xù)識別處理對圖像進(jìn)行讀表，然后由上位機(jī)程序?qū)Ρ碇禂?shù)據(jù)進(jìn)行判斷處理。

4 結(jié)語

文章提出了一種基于移動(dòng)機(jī)器人的發(fā)射機(jī)房設(shè)備智能移動(dòng)巡檢系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以根據(jù)預(yù)先設(shè)定的任務(wù)或是操作人員在遠(yuǎn)程電腦控制完成機(jī)房內(nèi)的巡視與抄表，記錄相關(guān)信息提供異常報(bào)警，操作人員只需通過遠(yuǎn)端計(jì)算機(jī)收到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)或圖像等信息即可完成機(jī)房設(shè)備巡檢工作，經(jīng)過現(xiàn)場運(yùn)行表明本基礎(chǔ)型巡監(jiān)機(jī)器人系統(tǒng)的非接觸式移動(dòng)檢測可以有效運(yùn)行。

但是其缺點(diǎn)和不足還是明顯的，首先基礎(chǔ)型機(jī)器人所采用的單片機(jī)在實(shí)現(xiàn)大量數(shù)據(jù)傳輸和處理（比如在結(jié)合對設(shè)備特定部位的紅外溫度探測、超聲測距）時(shí)，不能完全滿足要求；其次是無線模塊在機(jī)房這種電波干擾較大的環(huán)境中穩(wěn)定性還有待進(jìn)一步提高；另外，運(yùn)動(dòng)的精確度，以及以后機(jī)械臂的穩(wěn)定度和精確度都尚需提高，尤其在移動(dòng)方式上，基本型采用的循跡方式，很大程度上限制了機(jī)器人的巡檢路徑規(guī)劃以及運(yùn)動(dòng)的精確性；最后視頻讀表系統(tǒng)準(zhǔn)確性和靈敏度也需要進(jìn)一步改善。

在完成對下位機(jī)的硬件完善、無線模塊的更高效穩(wěn)定及逐步向理想型巡監(jiān)機(jī)器人靠攏后，結(jié)合更為精準(zhǔn)的視頻讀表系統(tǒng)，可以逐步實(shí)現(xiàn)機(jī)房環(huán)境及其設(shè)備的無人化巡監(jiān)，推進(jìn)機(jī)房自動(dòng)化和信息化進(jìn)程，提高機(jī)房設(shè)備運(yùn)行的安全可靠性。

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