基于桁架的多網(wǎng)絡(luò)遠程控制相機精準(zhǔn)移動方法

劉昱顯 來智勇 石復(fù)習(xí) 田建州

摘 要： 提出一種多網(wǎng)絡(luò)遠程控制方法，以平行四桿結(jié)構(gòu)桁架為載臺，基于STM32F407芯片設(shè)計步進電機驅(qū)動電路和反饋信號采集電路。通過4G網(wǎng)絡(luò)、W5200網(wǎng)絡(luò)模塊、OneNET平臺組網(wǎng)實現(xiàn)專家端口和數(shù)據(jù)中心交互控制網(wǎng)絡(luò)相機精準(zhǔn)定位的功能。根據(jù)實時性和精準(zhǔn)性設(shè)計網(wǎng)絡(luò)控制方案，并提出相機定位公式。為使水平移動誤差控制在5%內(nèi)，綜合考慮靈敏度、穩(wěn)定性、移動誤差，設(shè)定電機速度為2.0 cm/s。調(diào)整參數(shù)改善網(wǎng)絡(luò)通信并統(tǒng)計流量消耗，最終設(shè)定系統(tǒng)異常重啟時長為30 s，W5200網(wǎng)絡(luò)通信定時參數(shù)為5 s，W5200網(wǎng)絡(luò)異常重啟時長為10 s，每小時消耗流量3～4 MB。

關(guān)鍵詞： 多網(wǎng)絡(luò); 平行四桿桁架; 步進電機; 交互控制; W5200網(wǎng)絡(luò); 相機定位

中圖分類號： TN711?34; TP273.5 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）12?0006?04

Abstract： A multi?network remote control method is proposed. With the parallel four?bar structure truss as the platform， the stepper motor drive circuit and feedback signal acquisition circuit are designed based on the STM32F407 chip. The accurate positioning function of the network camera interactively controlled by the expert port and data center is realized by means of the networking of 4G network， W5200 network module， and OneNET platform. Network control scheme is designed according to the real?time and precision performances， and the camera positioning formula is put forward. To control the horizontal movement error within 5%， the motor speed is set to 2.0 cm/s， comprehensively considering the sensitivity， stability and movement error. Network communications is improved by adjusting parameters， and traffic consumption statistics is obtained. The abnormal restart time duration of the system is set to 30 s， the timing parameter of W5200 network communications is set to 5 s， and the abnormal restart time duration of W5200 network is set to 10 s， with 3～4 MB traffic consumed per hour.

Keywords： multi?network; parallel four?bar truss; stepper motor; interactive control; W5200 network; camera positioning

0 引 言

基于T型桁架應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)通信和步進電機控制技術(shù)設(shè)計的作物監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)了遠程多點監(jiān)測[1]，但存在以下問題：第一、僅使用有線網(wǎng)絡(luò)在農(nóng)田部署的成本和維護代價較高，且難以實現(xiàn)跨網(wǎng)交互實時控制;第二、T型桁架垂直導(dǎo)桿搭載步進電機震動嚴(yán)重影響網(wǎng)絡(luò)相機運動穩(wěn)定性，且運動方式不靈活;第三、不能精準(zhǔn)定位和實時反饋網(wǎng)絡(luò)相機位置。龔金成等對步進電機的網(wǎng)絡(luò)控制策略、通信方式和安全控制等方面進行了研究，采用在遠程客戶端實時操控電機的方法[2]。4G網(wǎng)絡(luò)無需布線、傳輸速度高、實時性好 [3]，謝相博等基于4G設(shè)計的無人機巡航系統(tǒng)實現(xiàn)了遠程飛行控制和準(zhǔn)確反饋飛行信息[4]。無線網(wǎng)絡(luò)對TCP擁塞控制具有挑戰(zhàn)性，國內(nèi)外多是從擁塞控制算法方面改進以提高TCP通信性能[5]，為應(yīng)對互聯(lián)網(wǎng)擁塞控制異質(zhì)性，Wang Z等提出了一種INVS的新型TCP協(xié)議[6]。由于網(wǎng)絡(luò)通信中存在多種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，基于TCP協(xié)議跨平臺通信會導(dǎo)致很多問題，而基于物聯(lián)網(wǎng)平臺可解決該問題，石棟等設(shè)計的老人活動監(jiān)測系統(tǒng)可通過手機APP或物聯(lián)網(wǎng)云平臺查看 [7];袁穎等為研究環(huán)境參數(shù)對光伏電站的影響利用Yeelink平臺實現(xiàn)上位機監(jiān)測[8]。本文通過專家端口和數(shù)據(jù)中心利用OneNET平臺、W5200硬件TCP/IP協(xié)議棧、4G網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)實現(xiàn)多網(wǎng)絡(luò)交互控制步進電機精準(zhǔn)定位，設(shè)計平行四桿結(jié)構(gòu)桁架并研究步進電機的網(wǎng)絡(luò)控制策略。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 平行四桿結(jié)構(gòu)桁架設(shè)計

所設(shè)計桁架采用單軌雙電機協(xié)同驅(qū)動，以增強縱向穩(wěn)定性，平行四桿結(jié)構(gòu)桁架如圖1所示，網(wǎng)絡(luò)相機運動路徑更加靈活。

1.2 步進電機精準(zhǔn)定位設(shè)計

網(wǎng)絡(luò)相機通過步進電機協(xié)同驅(qū)動，并依據(jù)捕獲的步進電機反饋脈沖信號以實現(xiàn)精準(zhǔn)定位，為此設(shè)計驅(qū)動電路和步進電機反饋信號采集電路，并設(shè)計控制電路以實現(xiàn)信號處理功能。不同控制電路和方法會影響步進電機驅(qū)動性能[9]。李傳明等為改善步進電機失步基于STM32設(shè)計系統(tǒng)的控制誤差[10]小于0.01°。采用基于ARM Cortex?M3架構(gòu)的STM32F407VET6芯片設(shè)計控制電路 [11]。其定時器功能和外部中斷控制器性能滿足雙路驅(qū)動信號輸出和反饋信號采集需求，其時鐘頻率滿足信號處理速度要求。步進電機可將STM32F407VET6芯片輸出的數(shù)字脈沖信號轉(zhuǎn)化為角位移偏量，因此采用LC86H298型兩相閉環(huán)步進電機，根據(jù)搭載網(wǎng)絡(luò)相機重量和桁架機械摩擦力，步進電機相電流為3.0 A，保持力矩為3.0 N·m，均采用37 V直流電壓驅(qū)動。步進電機驅(qū)動器采用LCDA86H型，驅(qū)動脈沖信號和步進電機反饋脈沖信號標(biāo)準(zhǔn)電壓為5 V，而STM32F407VET6芯片標(biāo)準(zhǔn)電壓為3.3 V，因此在驅(qū)動電路和步進電機反饋信號采集電路中采用PC818芯片設(shè)計了光耦隔離功能。STM32F407的PC0，PC1輸出速度脈沖信號和方向脈沖信號給1號步進電機，PC2，PC3輸出速度脈沖信號和方向脈沖信號給2號步進電機， PE0，PE1采集1號步進電機反饋脈沖信號，PE2，PE3采集2號步進電機反饋脈沖信號。反饋信號采集電路外接5 MHz的差分信號轉(zhuǎn)集電極信號模塊，兩相閉環(huán)步進電機每轉(zhuǎn)動1圈產(chǎn)生1 000個脈沖信號，工作頻率滿足要求。其輸入端與閉環(huán)步進電機驅(qū)動器反饋信號連接，輸出端與反饋信號采集電路輸入端相連，所設(shè)計控制器如圖2所示。

1.3 遠程控制步進電機的W5200通信設(shè)計

STM32F407與W5200通過SPI1接口通信，速率高達80 MHz，可觸發(fā)中斷專用發(fā)送和接收，并使用DMA進行數(shù)據(jù)傳輸。為降低網(wǎng)絡(luò)通信功耗，W5200采用以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包網(wǎng)絡(luò)喚醒模式，其以太網(wǎng)接口與4G無線路由器通過網(wǎng)線連接，在軟件中設(shè)置網(wǎng)絡(luò)參數(shù)并通過HTTP報文協(xié)議與OneNET服務(wù)器雙向通信。分析網(wǎng)絡(luò)通信過程：專家端口或數(shù)據(jù)中心通過OneNET服務(wù)器傳遞控制命令，W5200通過4G網(wǎng)絡(luò)連接OneNET服務(wù)器獲取網(wǎng)絡(luò)相機運動控制命令，并由STM32F407解析和驅(qū)動步進電機轉(zhuǎn)動實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)相機精準(zhǔn)移動。STM32F407定時將網(wǎng)絡(luò)相機在桁架坐標(biāo)體系中的位置信息通過W5200和4G網(wǎng)絡(luò)傳遞到OneNET服務(wù)器，專家端口和數(shù)據(jù)中心均通過OneNET服務(wù)器獲取網(wǎng)絡(luò)相機的最新位置。每條控制指令和反饋數(shù)據(jù)通過該組網(wǎng)方案進行傳輸在如下過程產(chǎn)生延時：路由處理、OneNET處理、W5200處理。無線網(wǎng)絡(luò)延時和故障難以避免，增加了對實時性要求較高的步進電機精準(zhǔn)移動控制難度，為此設(shè)計的通信流程如圖4所示。

初始化完成I/O口、時鐘、串口、SPI、W5200、AT24C02、DMA、定時器、中斷配置、網(wǎng)絡(luò)配置的初始化。AT24C02存儲網(wǎng)絡(luò)相機位置信息，以防因系統(tǒng)重啟而導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失，采用先存儲后傳輸模式。W5200實時獲取最新預(yù)定到達位置，并優(yōu)先檢測位置歸零命令。如檢測位置歸零開關(guān)狀態(tài)為ON，則將AT24C02模塊存儲的網(wǎng)絡(luò)相機位置數(shù)據(jù)清零，直至位置歸零狀態(tài)為OFF才檢測其他控制命令。制定網(wǎng)絡(luò)相機運動策略避免因網(wǎng)絡(luò)相機同時水平和垂直運動不穩(wěn)定的弊端。W5200采用DHCP方法獲取IP地址，作為客戶端通過TCP/IP協(xié)議與OneNET服務(wù)器完成數(shù)據(jù)交互，通過Socket方法通信，連接函數(shù)出現(xiàn)超時中斷則需重新調(diào)用，因此W5200網(wǎng)絡(luò)通信中斷處理的設(shè)計至關(guān)重要。利用STM32F407的16個中斷優(yōu)先級嵌套矢量中斷控制器實現(xiàn)更低的W5200網(wǎng)絡(luò)通信中斷處理延遲，直接向內(nèi)核傳遞中斷入口向量表地址，使中斷提前處理，中斷入口在中斷退出時不需指令可自動恢復(fù)，在頻繁調(diào)用的中斷函數(shù)中直接配置寄存器以縮短數(shù)據(jù)處理時間。W5200中斷處理設(shè)計流程如圖5所示。

其中S_tx_process（）函數(shù)指定Socket0發(fā)送數(shù)據(jù)， S_rx_process（）函數(shù)指定Socket0接收數(shù)據(jù)，如果Socket0產(chǎn)生數(shù)據(jù)中斷則調(diào)用該函數(shù)。Read_W5200（）函數(shù)從W5200指定寄存器讀取一個字節(jié)數(shù)據(jù)，Write_W5200（）函數(shù)向W5200指定寄存器寫數(shù)據(jù)，其底層實現(xiàn)使用了SPI1通信方式。

2 系統(tǒng)測試和分析

經(jīng)測試步進電機協(xié)同驅(qū)動過程中無明顯啟動和停止時間差，電機轉(zhuǎn)速越慢網(wǎng)絡(luò)相機晃動幅度越小。實施了網(wǎng)絡(luò)相機移動誤差測試，設(shè)定水平預(yù)定位置為50.0 cm，測試不同速度模式下水平移動誤差，經(jīng)過80次測試平均誤差如表1所示。

為了使水平移動誤差控制在5%內(nèi)，綜合考慮控制靈敏度、網(wǎng)絡(luò)相機運動穩(wěn)定性、移動誤差要求，最終設(shè)定電機速度為2.0 cm/s。該速度模式滿足遠程控制網(wǎng)絡(luò)相機通過桁架進行多點監(jiān)控的要求。通過調(diào)整參數(shù)改善網(wǎng)絡(luò)通信性能并統(tǒng)計流量消耗情況。4G無線路由器采用華為B315S?936型，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是IEEE 802.11b/g/n。經(jīng)過實驗，最終確定系統(tǒng)異常定時重啟時長為30 s，W5200獲取OneNET服務(wù)器最新數(shù)據(jù)定時參數(shù)為5 s，W5200網(wǎng)絡(luò)異常重啟時長為10 s，網(wǎng)絡(luò)相機位置反饋時間間隔為5 s。在該情況下，4G無線路由器每小時消耗流量3～4 MB。

3 結(jié) 語

本文研究了一種基于平行四桿桁架的多網(wǎng)絡(luò)遠程控制網(wǎng)絡(luò)相機精準(zhǔn)移動的方法，采用OneNET平臺、W5200硬件TCP/IP協(xié)議棧、4G網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)實現(xiàn)了專家端口和數(shù)據(jù)中心交互控制網(wǎng)絡(luò)相機定位的功能。通過速度、網(wǎng)絡(luò)參數(shù)調(diào)試，使靈敏度、穩(wěn)定性、移動誤差均滿足網(wǎng)絡(luò)相機多點監(jiān)控的要求。該方法還需對路徑規(guī)劃算法和速度智能調(diào)節(jié)算法進行深入研究。

注：本文通訊作者為來智勇。

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