基于物聯(lián)網(wǎng)的機器人伺服系統(tǒng)監(jiān)控

陳家輝 吳雄峰 賀 順 劉漢忠

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科學(xué)評價

基于物聯(lián)網(wǎng)的機器人伺服系統(tǒng)監(jiān)控

陳家輝 吳雄峰 賀 順 劉漢忠

本文針對機器人伺服系統(tǒng)的遠程監(jiān)控提出的解決方案，在機器人系統(tǒng)集成及測控領(lǐng)域內(nèi)起到重要的作用。

如付諸現(xiàn)實，相對于傳統(tǒng)的現(xiàn)場總線將能夠節(jié)省現(xiàn)場的布線成本。

提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的機器人伺服系統(tǒng)監(jiān)控的方案。采用Zigbee技術(shù)組建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)了機器人伺服數(shù)據(jù)的采集和無線傳輸；使用C#語言編寫的服務(wù)器軟件可以對數(shù)據(jù)進行存儲和管理；實驗測試表明，該系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和顯示，完成數(shù)據(jù)的存儲和管理使用，還能使用客戶端查看實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，甚至是控制，有較高的應(yīng)用價值。

近年來，機器人技術(shù)迅猛發(fā)展，但就目前的科技水平而言，完全自主控制、不需要人參與的機器人無法實際使用。所以，遠程控制加機器人局部自主控制相結(jié)合的半自主控制方式才更具有實用性。其中，機器人的遠程監(jiān)控就是重要的一部分。

物聯(lián)網(wǎng)對于機器人的遠程監(jiān)控就是一個很好的解決方案。物聯(lián)網(wǎng)是指將各種信息傳感設(shè)備及系統(tǒng)，如傳感器網(wǎng)絡(luò)、射頻標(biāo)簽閱讀裝置等基于物-物通信的短距離自組織網(wǎng)絡(luò)，通過接入互聯(lián)網(wǎng)而形成的巨大智能網(wǎng)絡(luò)。機器人上安裝了各種用于監(jiān)測運行狀態(tài)或控制機器人的傳感器，這些傳感器能通過某種通信協(xié)議組成傳感器網(wǎng)絡(luò)。

Zigbee工作頻段在2.4GHz的情況下，最高通信速率為250kbps，滿足對伺服系統(tǒng)監(jiān)控的需求，擴展性好，是一種低成本，低功耗，近距離的無線通信組網(wǎng)技術(shù)。

因此，本文設(shè)計了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的機器人伺服監(jiān)控系統(tǒng)，通過采集節(jié)點完成對數(shù)據(jù)的分布式采集，利用Zigbee技術(shù)進行數(shù)據(jù)的無線傳輸，然后網(wǎng)關(guān)進行數(shù)據(jù)的收集并將數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)發(fā)送至服務(wù)器，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、存儲、管理和顯示。

總體方案設(shè)計

基于物聯(lián)網(wǎng)的機器人伺服系統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)是由機器人伺服，采集節(jié)點，網(wǎng)關(guān)，以太網(wǎng)，服務(wù)器以及客戶端組成，其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

本文中Zigbee通信的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)為星型結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)較簡單。網(wǎng)絡(luò)中包含一個SUN節(jié)點，多個PLANET節(jié)點，SUN節(jié)點搭建網(wǎng)絡(luò)，PLANET節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)。本文中SUN節(jié)點即為Zigbee網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)，PLANET節(jié)點為Zigbee網(wǎng)絡(luò)采集節(jié)點。

系統(tǒng)開始工作后，首先網(wǎng)關(guān)會搭建一個Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，然后采集節(jié)點加入該網(wǎng)絡(luò)后，開始不斷的采集數(shù)據(jù)并通過無線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳送到網(wǎng)關(guān)上，網(wǎng)關(guān)不斷地解析從各采集節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)包，再將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成固定格式通過以太網(wǎng)傳送到局域網(wǎng)內(nèi)的服務(wù)器上。服務(wù)器對收到的信息進行解析，得到其中有效數(shù)據(jù)，根據(jù)得到的有效數(shù)據(jù)內(nèi)容，最后將數(shù)據(jù)在服務(wù)器上分類保存并以合適的方式顯示。

操作者在現(xiàn)場可使用現(xiàn)場客戶端通過以太網(wǎng)連接到服務(wù)器，查看保存在服務(wù)器上的數(shù)據(jù)，以及通過服務(wù)器控制連接在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中各個采集上的設(shè)備。若操作者不在現(xiàn)場，也可以使用遠程客戶端通過互聯(lián)網(wǎng)連接到服務(wù)器，實現(xiàn)上述功能。

系統(tǒng)硬件設(shè)計

圖1　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖2所示。網(wǎng)關(guān)與采集節(jié)點的CPU都采用STM32W108，這是一個集成的片上系統(tǒng)，將一個2.4GHz的IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的收發(fā)器，32位的ARM Cortex-M3微處理器、Flash和RAM存儲器融合，添加相應(yīng)的外設(shè)，設(shè)計成基于802.15.4的系統(tǒng)。

圖2　硬件結(jié)構(gòu)框圖

Zigbee網(wǎng)絡(luò)采集節(jié)點設(shè)計

Zigbee網(wǎng)絡(luò)采集節(jié)點功能結(jié)構(gòu)圖如圖2中對應(yīng)部分所示。采集節(jié)點通過CAN總線對機器人進行監(jiān)控，既能接收機器人的各種狀態(tài)信息，又能控制機器人做出相應(yīng)的動作。由于STM32W108芯片內(nèi)部不含CAN總線控制模塊，因此需要采用獨立的CAN控制器來實現(xiàn)CAN總線通信的功能。

本系統(tǒng)采用MCP2515芯片來擴展STM32W108 的CAN總線功能。MCP2515是一款獨立的CAN總線控制器，它符合CAN 2.0B技術(shù)規(guī)范，帶有符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的SPI串行外設(shè)接口，是目前市場上最佳的實現(xiàn)獨立CAN總線通信的方案之一。

Zigbee網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)設(shè)計

Zigbee網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)功能結(jié)構(gòu)圖如圖2中對應(yīng)部分所示。網(wǎng)關(guān)是數(shù)據(jù)的中轉(zhuǎn)站，它與服務(wù)器進行數(shù)據(jù)的收發(fā)，實現(xiàn)監(jiān)控的功能。一般的以太網(wǎng)通信由芯片硬件實現(xiàn)物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，軟件實現(xiàn)其他幾層，但是大部分MCU的RAM空間有限，在移植TCP/IP協(xié)議時會有很大的限制，而且移植工作比較復(fù)雜，所以需要一種方便且占用資源較少的方案，來將MCU接入以太網(wǎng)。

W5500是一款全硬件TCP/IP協(xié)議棧，支持大部分以太網(wǎng)通信協(xié)議。其自身提供了串行外設(shè)接口（SPI），可以方便的與各類MCU連接。采用了高效的SPI協(xié)議，支持80MHz的速率，能夠?qū)崿F(xiàn)高速的網(wǎng)絡(luò)通信。W5500的使用方法十分簡便，只需要一些簡單的Socket編程就能實現(xiàn)以太網(wǎng)應(yīng)用。這種方案比其他嵌入式以太網(wǎng)方案更加快捷、簡便，已在眾多的領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。

系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包含ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)軟件設(shè)計，以及服務(wù)器和客戶端的軟件設(shè)計。

Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)軟件設(shè)計

Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)軟件用C語言編寫，包括了網(wǎng)關(guān)和采集節(jié)點的軟件設(shè)計。在ZigBee無線通信協(xié)議中，各無線模塊以數(shù)據(jù)包的形式傳輸數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)以約定好的格式打包成數(shù)據(jù)包，然后再發(fā)送。收到數(shù)據(jù)包的節(jié)點通過解析數(shù)據(jù)包，得到需要的數(shù)據(jù)或者指令。本系統(tǒng)中所用的數(shù)據(jù)包格式如表1所示。

表1　數(shù)據(jù)包格式

包頭中包含了數(shù)據(jù)包長度，數(shù)據(jù)幀類型，地址類型等信息，ID和地址中包含了16位的目標(biāo)ID，16位的目標(biāo)地址以及16位的本機地址，這些地址都是以先低后高的形式存儲在數(shù)據(jù)包中。數(shù)據(jù)本體則包含了1Byte的負載類型數(shù)據(jù)以及2Bytes的發(fā)送數(shù)據(jù)。

下面分別對Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)中的采集節(jié)點和網(wǎng)關(guān)的軟件設(shè)計進行說明。

Zigbee網(wǎng)絡(luò)采集節(jié)點

采集節(jié)點實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)和無線傳輸?shù)墓δ堋Ｉ想姇r先對硬件及相應(yīng)的變量進行初始化工作，然后申請加入網(wǎng)關(guān)組建的ZigBee網(wǎng)絡(luò)，加網(wǎng)成功后，采集節(jié)點開始周期性地向網(wǎng)關(guān)發(fā)送數(shù)據(jù)包。若采集節(jié)點收到數(shù)據(jù)包，則該數(shù)據(jù)包為網(wǎng)關(guān)發(fā)來的指令，然后對數(shù)據(jù)包進行解析并執(zhí)行相應(yīng)的指令。

Zigbee網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)

網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)數(shù)據(jù)收集和轉(zhuǎn)換后通過以太網(wǎng)上傳至服務(wù)器的功能，其程序流程圖如圖4所示。上電時首先進行硬件及相應(yīng)變量的初始化，然后創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)，循環(huán)監(jiān)測是否有數(shù)據(jù)包。如果接收到數(shù)據(jù)包，對其進行解析，根據(jù)不同類型的數(shù)據(jù)包進行數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換并通過W5500發(fā)送至服務(wù)器，然后檢查是否有輸入指令。如果收到了輸入指令，則根據(jù)不同的指令完成對應(yīng)的操作。

網(wǎng)關(guān)通過W5500實現(xiàn)以太網(wǎng)通信，本文中使用TCP協(xié)議，因此需要初始化設(shè)置W5500的本機MAC地址寄存器、網(wǎng)關(guān)地址寄存器、子網(wǎng)掩碼寄存器和本機IP地址寄存器，設(shè)置目標(biāo)主機的IP地址和端口號以及各Socket分配的緩存。完成了初始化配置之后，進行Socket的新建和設(shè)置，對數(shù)據(jù)的收發(fā)采取條件發(fā)送，中斷接收的方式，完成一次收/發(fā)后，重新進行Socket設(shè)置，如此循環(huán)。

本文中網(wǎng)關(guān)會對采集節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)進行格式轉(zhuǎn)換，使用一個固定的格式來建立字符串，然后將字符串發(fā)送給服務(wù)器，或者接收從服務(wù)器發(fā)來的以同一格式建立的字符串。字符串具體格式如下：

｛method：****， number：****，

type：****， value：****，

type：****，value****……｝

其中method的值為data/action，data表示該字符串用于向服務(wù)器傳輸實時數(shù)據(jù)，action表示該字符串用于服務(wù)器在下達指令。

number的值表示為Zigbee網(wǎng)絡(luò)中采集節(jié)點的編號，method為data時表示該字符串所包含的數(shù)據(jù)是由number指向的節(jié)點采集到的，method為action時表示服務(wù)器下達的指令由number指向的節(jié)點來執(zhí)行。

圖3　服務(wù)器界面

type的值表示數(shù)據(jù)的類型，本系統(tǒng)中設(shè)置為action/ speed/angle，其中action僅在method為action即服務(wù)器下達指令時使用，表示數(shù)據(jù)的類型為操作指令，speed和angle在上傳數(shù)據(jù)時使用，分別表示數(shù)據(jù)類型為速度和角度。type的值可根據(jù)不同的需求自行設(shè)置。

value的值表示上傳的具體數(shù)據(jù)，如type為action時表示具體的指令代號，type為speed或angle時則是指具體的速度和角度的值。

可以在一個字符串中使用多個type和value，用來一次傳輸多個數(shù)據(jù)，提高傳輸?shù)男省?/p>

“｛method：data，number：1，type：speed，value：10，type：angle，value：30｝”字符串表示SUN節(jié)點向服務(wù)器傳輸1號PLANET節(jié)點采集的一個速度數(shù)據(jù)和一個角度數(shù)據(jù)。

服務(wù)器和客戶端的軟件設(shè)計

服務(wù)器與客戶端程序都是使用C#語言，在Visual Stdio 2010編程環(huán)境中建立的，以TCP通信為核心實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時監(jiān)測，節(jié)點控制等功能。

服務(wù)器

服務(wù)器啟動后先開啟一個監(jiān)聽線程，監(jiān)聽客戶端和Zigbee網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)的連接，一旦出現(xiàn)連接就建立一個獨立的線程與其進行通信。Zigbee網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)與服務(wù)器建立了連接，服務(wù)器每接收一幀數(shù)據(jù)，就返回一個確認(rèn)的信息和對采集節(jié)點的控制指令，然后讀取數(shù)據(jù)并存儲。客戶端與服務(wù)器建立了連接，服務(wù)器接收客戶端的傳來的指令然后執(zhí)行，接著等待下一條指令。

客戶端

當(dāng)客戶端連接到服務(wù)器后，服務(wù)器立刻建立一個獨立線程進行與客戶端的通信?？蛻舳讼蚍?wù)器發(fā)送一個指令后，開始接收從服務(wù)器傳來的數(shù)據(jù)并顯示出來。

服務(wù)器和客戶端之間的通信也是以字符串形式來實現(xiàn)的。字符串的格式與上文中介紹的W5500與服務(wù)器通信所用的字符串格式相同。例如，客戶端給服務(wù)器發(fā)送指令，請求服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)，服務(wù)器接收到指令后，客戶端會接收到服務(wù)器發(fā)來的數(shù)據(jù)?？蛻舳私o服務(wù)器的指令的method值即為action，服務(wù)器發(fā)給客戶端的數(shù)據(jù)的method值即為data。

系統(tǒng)測試

服務(wù)器的界面如圖3所示，按下“開始監(jiān)聽”按鈕后，服務(wù)器開始監(jiān)聽192.168.1.104：50000這個端口，等待無線網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)的連接。網(wǎng)關(guān)與服務(wù)器連接之后，服務(wù)器開始接收網(wǎng)關(guān)傳來的數(shù)據(jù)，通過解析，將數(shù)據(jù)以折線圖形式顯示出來，并存入數(shù)據(jù)庫。如圖所示，在采集節(jié)點模擬了一組電機運行的理想數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)器，電機先做加速運動，然后勻速運動，最后減速運動直至停止，曲線1展示了電機速度的變化，曲線2展示了電機轉(zhuǎn)角的變化。界面中還可以通過右上角的“歷史數(shù)據(jù)”按鈕查看采集到的歷史數(shù)據(jù)，通過左下角的三個控制指令按鈕可以對網(wǎng)關(guān)發(fā)出指令。

結(jié)語

本文研制了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的機器人監(jiān)控系統(tǒng)。其優(yōu)點在于：采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進行機器人狀態(tài)的監(jiān)控，組網(wǎng)規(guī)模大，穩(wěn)定性好，無需進行布線，降低了成本，節(jié)約了資源，同時也降低了布置機器人時的局限性，提高了機器人的靈活性。通過基于C#的服務(wù)器系統(tǒng)，對數(shù)據(jù)進行管理和存儲，以及數(shù)據(jù)的顯示，節(jié)省了設(shè)計成本。該系統(tǒng)能夠?qū)C器人的工作狀態(tài)實時監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)會出現(xiàn)的問題，預(yù)防危險的發(fā)生，降低了機器人的出錯率，為正常的工作和生活提供了保障，具有很好的應(yīng)用價值。

陳家輝 吳雄峰 賀 順 劉漢忠

南京工程學(xué)院自動化學(xué)院

陳家輝，男，本科，南京工程學(xué)院自動化學(xué)院，主要研究方向為電子信息。

10.3969/j.issn.1001-8972.2016.11.027

江蘇省大學(xué)生實踐創(chuàng)新訓(xùn)練計劃項目（201511276002Z，201511276057X）