基于Zigbee無線網絡通信技術的機器人監(jiān)控系統(tǒng)設計

黃宗偉

（廣東郵電職業(yè)技術學院，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生活中，尤其是在進行各種災難工作時，移動機器人可以代替人類進入現(xiàn)場，執(zhí)行搜索和任務。但對障礙信息的監(jiān)控不夠準確，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無線網絡通信技術設計的機器人監(jiān)控系統(tǒng)設計。Zigbee網絡廣泛應用于電力監(jiān)控、軍事偵察、家庭智能設備等眾多領域[1]。對機器人的功能和技術進行分析，將過程中需要監(jiān)控的指標進行確定，利用Zigbee無線網絡通信技術完善機器人監(jiān)控系統(tǒng)的功能。設計的機器人監(jiān)控系統(tǒng)是一個嵌入式系統(tǒng)，將上位機和RAQ81型微處理器相結合，采用先進的Zigbee無線網絡通信技術，對機器人進入災害現(xiàn)場進行遠程操控監(jiān)控[2]。

1 基于Zigbee無線網絡通信技術的機器人監(jiān)控系統(tǒng)硬件設計

如圖1所示，機器人監(jiān)控系統(tǒng)由硬件機械結構、軟件程序編程、通信、人機交互、環(huán)境感應等關鍵部分構成[5]。其中，為了適應惡劣的災難環(huán)境，硬件機械結構要具有適應性、可靠性和耐用性。

1.1 硬件結構總體設計

如圖2所示，基于Zigbee無線網絡通信技術的機器人監(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、通信網絡、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，能夠適應災難環(huán)境中的錯綜復雜的廢墟。

1.2 硬件結構各個模塊設計

1.2.1 采集器模塊設計

基于Zigbee無線網絡通信技術的機器人監(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。氣體傳感器能夠對氣體成分進行采集，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 處理器模塊設計

基于Zigbee無線網絡通信技術的機器人監(jiān)控系統(tǒng)將上位機和RAQ81型微處理器相結合，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的RAQ81型微處理器，加載使用Wince操作系統(tǒng)，對業(yè)務進行處理。上位機采用通用電腦，是用于管理Zigbee通信服務系統(tǒng)的核心，能夠對整個無線網絡進行控制和管理[9]。具體來說，上位機能夠直觀有效的對整個系統(tǒng)的網絡、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)關鍵技術

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，能夠將采集到的信息進行合理劃分和調度，并行處理系統(tǒng)任務，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公司生產的CAE197型芯片，如圖4所示，該芯片內部的振蕩源是32 MHz的晶體振蕩器和16 MHz的RC振蕩器，能夠對射頻模塊的收發(fā)器和外部系統(tǒng)進行控制，芯片采用中斷嵌套方式，能夠對硬件進行保護和恢復。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，能夠對機器人狀態(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 通信網絡設計

數(shù)據(jù)信息的通信網絡是將采集到的數(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，能夠對被困者進行定位、對環(huán)境信息進行采集，通信網絡在信息傳遞過程中能夠保證數(shù)據(jù)的實時性和準確性。傳統(tǒng)系統(tǒng)中在復雜環(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無線網絡作為通信網絡。Zigbee無線網絡通信技術將傳感器技術和局部網絡技術相融合，采用調頻技術，具有低功率、低能耗、高可靠性等優(yōu)點[12]。

Zigbee無線網絡分為16個信道，網絡節(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、低復雜度、安全穩(wěn)定的無線網。如圖5所示，Zigbee無線網絡節(jié)點一般有路由器、協(xié)調器、終端設備三種硬件設備。依據(jù)802.15.4 標準，Zigbee無線網絡節(jié)點通過路由轉發(fā)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的安全傳輸，突破了Zigbee無線網絡直接傳遞距離較短的局限。

在Zigbee無線網絡系統(tǒng)上，根據(jù)應用需求，拓撲結構能夠實現(xiàn)星型、樹型和網狀結構的自由切換。星型結構是由多個RFD終端節(jié)點和一個FFD協(xié)調器構成。協(xié)調器作為網絡的中心，負責整個網絡的建立和維護。終端節(jié)點分布于協(xié)調器的覆蓋范圍內，能夠直接進行通信。樹型結構是由多個星型結構和一個協(xié)調器構成，沿著網絡的樹主桿完成對數(shù)據(jù)和命令的傳輸，網絡覆蓋范圍較大。協(xié)調器主要負責數(shù)據(jù)的處理和存儲，網絡節(jié)點中存在FFD和RFD兩種類型，F(xiàn)FD處于主導地位，在FFD節(jié)點同意請求后，RFD作為子節(jié)點加入該網絡。網狀結構是將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，該存儲器能夠將采集到的高密度數(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，上位機能夠對存儲器中的信息進行高速讀取，存儲器能夠對上位機中處理后的數(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)存儲于結果存儲模塊，該模塊能夠與顯示器進行直接聯(lián)系，將結果進行顯示。AMS43型存儲器結構簡單、能耗較低，能夠自由轉換高低阻態(tài)不同狀態(tài)，具有通用性和可拓展性，能夠適應不同的業(yè)務變化。

圖4 處理器芯片

圖5 Zigbee無線網絡結構

1.2.5顯示器設計

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)色溫和色坐標進行劃分。液晶顯示器是由數(shù)十萬個LED芯片組成，經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。

顯示器結構圖如圖7所示。

2 基于Zigbee無線網絡通信技術的機器人監(jiān)控系統(tǒng)軟件設計

實時顯示及控制功能在基于Zigbee無線網絡通信技術的機器人監(jiān)控系統(tǒng)中，軟件能夠決定整個系統(tǒng)中不同節(jié)點和設備的運行模式，因此軟件設計在整個系統(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、無線網絡通信軟件和應用軟件三部分，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 顯示器結構

圖8 系統(tǒng)軟件程序工作流程

2.1 管理軟件設計

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)庫的設計、數(shù)據(jù)格式的轉換和提取、界面的整體布局設置和串口通信的實現(xiàn)四部分。

如圖8所示，當系統(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)設置、信息顯示、任務輪循和調動事件處理程序，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)的任務管理器，能夠對所在任務進行管理。操作系統(tǒng)會通過標志位判斷任務時間的執(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輪循階段。任務輪循后要根據(jù)任務的優(yōu)先級，調動事件處理程序對任務進行調度和執(zhí)行。

2.2 無線網絡通信軟件設計

無線網絡通信軟件是在操作系統(tǒng)的不斷輪循下進行任務的完成。操作系統(tǒng)使用函數(shù)指針進行任務事件處理函數(shù)的調用。無線網絡的數(shù)據(jù)最終會通過網關設備協(xié)調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留端口，以中斷方式進行通信事件的觸發(fā)。

2.3 應用軟件設計

應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、瀏覽內容以及快捷服務請求，數(shù)據(jù)收發(fā)模塊主要負責服務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RAQ81型微處理器的需求，應用軟件的開發(fā)包括顯示器驅動和顯示程序、鍵盤驅動程序、應用程序。處理器的數(shù)據(jù)是以串口的方式輸出，經由串并轉換芯片，將其轉換成并行數(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的正常工作啟動的程序作為保障，復位、延時等設計都與硬件參數(shù)相對應。鍵盤作為輸入設備，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，通過分壓電路設計實現(xiàn)按鍵位置的區(qū)分。

3 驗證實驗

3.1 實驗目的

為了檢測本文基于Zigbee無線網絡通信技術的機器人監(jiān)控系統(tǒng)的實際工作效果，設計了對比實驗。

3.2 實驗平臺及參數(shù)設置

在Revit軟件平臺模擬現(xiàn)場，現(xiàn)場圖如圖9所示。

設置機器人監(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)上述設定的參數(shù)進行實驗，選取文獻[3]、文獻[4]設計的機器人監(jiān)控系統(tǒng)和本文基于Zigbee無線網絡通信技術的機器人監(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)的測量結果，分析實驗結果。

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無線網絡通信技術的機器人監(jiān)控系統(tǒng)延時振動圖

3.4 實驗結果與分析

實驗結果如圖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明顯高于設計的基于Zigbee無線網絡通信技術的機器人監(jiān)控系統(tǒng)。時延振動越大，網絡的穩(wěn)定性越差，因此，通過實驗表明，本文系統(tǒng)的網絡通信穩(wěn)定性更高，能夠更好地保證系統(tǒng)的準確性。也就是說，Zigbee無線網絡通信技術的利用，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，具有更高的應用價值。

4 結束語

機器人作為一種新型的工具，能夠及時準確地獲取災難現(xiàn)場信息，從而減少災難現(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無線網絡通信技術對機器人監(jiān)控系統(tǒng)進行設計，利用Zigbee無線網絡通信技術解決機器人監(jiān)控過程穩(wěn)定性差監(jiān)控結果不準確的問題，增加了系統(tǒng)數(shù)據(jù)的完整性和網絡通信的穩(wěn)定性。

目前，基于Zigbee無線網絡通信技術的機器人監(jiān)控系統(tǒng)仍然處于試驗階段，仍缺乏一定的實踐經驗，但隨著Zigbee無線網絡通信技術的不斷成熟，基于Zigbee無線網絡通信技術的機器人監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展前景將會越來越廣闊。

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