基于無線通信網(wǎng)絡技術(shù)的機器人巡檢遠程監(jiān)控系統(tǒng)

摘要：本文介紹了一種基于蜂窩網(wǎng)絡無線通信技術(shù)的機器人巡檢遠程監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)由多個機器人節(jié)點和遠程監(jiān)控中心構(gòu)成。硬件方面，系統(tǒng)采用了Logitech Harmony遙控器機器人、熱線式溫度傳感器、AM335X ARM Cortex-A8處理器和5G全網(wǎng)通DTU TD210模塊。同時，系統(tǒng)還采用了西門子工業(yè)軟件Simatic IPC 330進行支持，并對該系統(tǒng)進行了電力輸電線路的實地測試。經(jīng)過測試，該系統(tǒng)在啟動、運行和停止等方面表現(xiàn)出色。實際巡檢和系統(tǒng)記錄的數(shù)據(jù)比對結(jié)果證明，系統(tǒng)數(shù)據(jù)準確性較高。此外，無線通信網(wǎng)絡的信號強度較強、數(shù)據(jù)傳輸速度較快、數(shù)據(jù)丟包率較低，通信可靠性較高，為系統(tǒng)的實際應用提供了保證。

關鍵詞：無線通信；機器人；遠程監(jiān)控

工業(yè)機器人已經(jīng)在石油、化工、冶金等行業(yè)中得到廣泛的應用。它們可以代替人工進行生產(chǎn)過程中的各種檢測和維護工作，具有安全、高效和準確的特點，能夠有效提高企業(yè)的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。但在我國經(jīng)濟高速發(fā)展的背景下，能源和資源問題變得日益突出。特別是在電力行業(yè)中，如何進行日常維護成為一個重要問題。目前，電力行業(yè)普遍采用人工巡檢方式對變電站等電力設備進行維護，但傳統(tǒng)的巡檢方式存在勞動強度大、效率低、人力成本高、巡檢質(zhì)量不可控等問題，嚴重影響了電力企業(yè)的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

為了解決這些問題，許多國內(nèi)電力企業(yè)積極探索機器人巡檢技術(shù)，并將其應用于變電站等電力設備的巡檢工作中，從而為電網(wǎng)的安全運行提供了有效保障[1-3]。本文針對目前電力設備巡檢方式存在的勞動強度大、效率低、人力成本高等問題，提出了一種基于蜂窩網(wǎng)絡無線通信技術(shù)的機器人巡檢遠程監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對變電站等電力設備巡檢過程中各個環(huán)節(jié)信息的采集、處理和反饋，并通過網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)傳輸?shù)胶笈_管理中心。采用遠程監(jiān)控系統(tǒng)可以及時發(fā)現(xiàn)并處理設備異常情況，提高了巡檢工作的質(zhì)量和效率。通過這種基于蜂窩網(wǎng)絡無線通信技術(shù)的機器人巡檢遠程監(jiān)控系統(tǒng)，電力企業(yè)可以實現(xiàn)對電力設備的精準監(jiān)控，降低勞動強度并節(jié)約人力成本。同時，機器人巡檢技術(shù)的高效、準確和安全性，也可以提高巡檢工作的質(zhì)量和可控性。

一、系統(tǒng)需求分析

（一）市場需求分析

隨著工業(yè)自動化和信息化的發(fā)展，機器人巡檢遠程監(jiān)控系統(tǒng)的市場需求不斷增長。這種系統(tǒng)可以實現(xiàn)對各種設備和設施的遠程監(jiān)控和巡檢，提高生產(chǎn)效率和安全性。在這個背景下，無線通信網(wǎng)絡技術(shù)的快速發(fā)展為機器人巡檢遠程監(jiān)控系統(tǒng)的實現(xiàn)提供了新的解決方案。

（二）用戶需求分析

機器人巡檢遠程監(jiān)控系統(tǒng)需要具備先進的技術(shù)能力，以滿足用戶對實時監(jiān)控和遠程控制的需求。同時，系統(tǒng)應提供靈活的配置和管理選項，以滿足不同用戶的應用場景和需求。

（三）功能需求分析

機器人巡檢遠程監(jiān)控系統(tǒng)需要具備感知層數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、云端存儲和處理、客戶端遠程監(jiān)控和控制、報警和預警、程序調(diào)度和執(zhí)行、用戶管理等功能。

（四）技術(shù)需求分析

基于無線通信網(wǎng)絡技術(shù)的機器人巡檢遠程監(jiān)控系統(tǒng)需要具備無線通信網(wǎng)絡技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、云計算技術(shù)、數(shù)據(jù)挖掘和分析技術(shù)、視頻編碼和傳輸技術(shù)、機器人控制技術(shù)等先進技術(shù)。

（五）性能需求分析

機器人巡檢遠程監(jiān)控系統(tǒng)需要具備高可靠性、高實時性、高擴展性、高安全性和易用性等性能特點，以滿足用戶的需求和場景應用[4]。

（六）開發(fā)工具和環(huán)境需求分析

基于無線通信網(wǎng)絡技術(shù)的機器人巡檢遠程監(jiān)控系統(tǒng)需要使用合適的開發(fā)工具和技術(shù)。編程語言方面，常用的選擇包括Java、Python、C++等；數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)方面，常用的選擇有MySQL、Oracle等；在構(gòu)建系統(tǒng)的框架方面，Spring、Hibernate等框架可以提供便捷的開發(fā)環(huán)境和模塊化的架構(gòu)組件。同時，系統(tǒng)還需要在合適的硬件和軟件環(huán)境下進行開發(fā)和測試[5-8]。

二、機器人巡檢遠程監(jiān)控系統(tǒng)

（一）系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

基于上述需求分析，本文設計了一種基于無線通信技術(shù)的機器人巡檢遠程監(jiān)控系統(tǒng)，總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

感知層：負責采集環(huán)境數(shù)據(jù)和信息，涵蓋各種傳感器，如溫度傳感器、濕度傳感器、光照傳感器和氣體傳感器等。

數(shù)據(jù)層：負責采集和存儲感知層采集的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集層包括數(shù)據(jù)采集器和數(shù)據(jù)傳輸模塊，將感知層采集的數(shù)據(jù)傳輸至云端服務器進行存儲和分析。

控制層：負責控制機器人的行動和執(zhí)行預設的程序。控制層包括控制模塊和云端服務器，可以根據(jù)客戶端發(fā)來的指令控制機器人進行巡檢和數(shù)據(jù)采集。

應用層：負責為用戶提供應用服務和數(shù)據(jù)展示。應用層包括客戶端和云端服務器，用戶可以通過瀏覽器或應用程序訪問云端服務器，獲取機器人巡檢的數(shù)據(jù)信息和視頻圖像，實現(xiàn)對機器人巡檢過程的遠程監(jiān)控和控制。

（二）硬件設計

本文設計了一種基于蜂窩網(wǎng)絡無線通信的機器人巡檢遠程監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用了傳感器技術(shù)、嵌入式技術(shù)以及無線通信技術(shù)等，可以實現(xiàn)機器人巡檢的自動化和遠程監(jiān)控。系統(tǒng)的硬件主要包括機器人本體、傳感器模塊、嵌入式控制器模塊以及無線通信模塊等。

機器人本體采用了羅技公司的Logitech Harmony遙控器，支持多種協(xié)議，可與各種品牌和型號的設備進行通信。該遙控器具有高靈敏度按鍵，操作簡單方便，并支持藍牙4.0和Wi-Fi等多種無線通信方式。傳感器模塊采用了霍尼韋爾公司的熱線式溫度傳感器，能夠測量廣泛的溫度范圍，可達-50℃～150℃。該傳感器模塊具有高測量精度，可達±0.5℃，并且體積小，易于安裝。它使用數(shù)字信號輸出，具有強大的抗干擾能力。

嵌入式控制器模塊采用了德州儀器公司的AM335X ARM Cortex-A8處理器，主頻可達1GHz。內(nèi)置SGX530圖形處理器，支持高清視頻播放。嵌入式控制器模塊還支持多種外設接口，如USB、UART、SPI等。

無線通信模塊采用了5G全網(wǎng)通DTU TD210模塊，支持LTE Cat5網(wǎng)絡，最大下行速率可達150Mbps。該模塊支持多種工作模式，如LTE、WCDMA、GSM等。它體積小，易于集成，并支持透明數(shù)據(jù)傳輸。內(nèi)嵌標準的TCP/IP和UDP/IP協(xié)議棧，并支持環(huán)保212協(xié)議和標準MQTT協(xié)議。

（三）軟件設計

本系統(tǒng)采用西門子工業(yè)軟件Simatic IPC 330。該型號具有豐富的接口、高可靠性、高擴展性等特點，可以滿足大多數(shù)工業(yè)自動化應用的需求。此外，基于蜂窩網(wǎng)絡無線通信的機器人選件遠程監(jiān)控系統(tǒng)是一種集傳感器技術(shù)、嵌入式技術(shù)、無線通信技術(shù)等于一身的現(xiàn)代化工業(yè)自動化系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以通過遠程監(jiān)控的方式，實時監(jiān)測和管理機器人的工作狀態(tài)、性能參數(shù)等，從而提高生產(chǎn)效率、降低成本、保障生產(chǎn)安全。系統(tǒng)主要包括以下幾個方面。

實時監(jiān)測：可以對機器人的位置、速度、姿態(tài)、工作狀態(tài)等參數(shù)進行實時監(jiān)測和記錄，以便更好地了解機器人的工作情況。

遠程控制：可以通過無線通信網(wǎng)絡對機器人進行遠程控制，如啟動、停止、改變運動軌跡等操作，從而實現(xiàn)遠程操作和管理。

數(shù)據(jù)存儲與分析：可以將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫中，并利用相關分析工具進行數(shù)據(jù)分析和處理，以更好地了解機器人的性能和狀態(tài)。

報警功能：可以對機器人的異常狀態(tài)進行報警，并及時通知相關人員進行處理，以保障生產(chǎn)安全。

（四）功能模塊

1.系統(tǒng)架構(gòu)

機器人巡檢遠程監(jiān)控系統(tǒng)由多個機器人節(jié)點和一個遠程監(jiān)控中心組成。機器人節(jié)點包括視覺傳感器節(jié)點、溫度傳感器節(jié)點、振動傳感器節(jié)點等多種類型。根據(jù)不同的巡檢需求，可配置不同的傳感器節(jié)點。機器人節(jié)點的數(shù)量和位置布局也根據(jù)實際巡檢需求而定。例如，在需要進行大面積巡檢的任務中，可以設置較多的機器人節(jié)點以提高巡檢效率。

2.巡檢規(guī)劃

機器人巡檢任務的具體規(guī)劃包括巡檢任務、巡檢路徑規(guī)劃和障礙物識別等。其中，巡檢任務可根據(jù)實際需求而定，有設備溫度監(jiān)測、設備運行狀態(tài)監(jiān)測等。巡檢路徑規(guī)劃可采用啟發(fā)式算法，以實現(xiàn)最優(yōu)或次優(yōu)路徑規(guī)劃，提高巡檢效率。障礙物識別用于確保巡檢過程中避免碰撞和損壞設備，可通過視覺識別和超聲波傳感器等技術(shù)實現(xiàn)。

3.遠程監(jiān)控

遠程監(jiān)控中心的設計和部署應充分考慮硬件和軟件平臺的選擇、聯(lián)網(wǎng)方式和數(shù)據(jù)傳輸速率等因素。同時，為確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性和準確性，遠程監(jiān)控中心應選擇高速聯(lián)網(wǎng)方式，如光纖通信等。在軟件平臺方面，應選擇功能強大、易于操作和維護的軟件系統(tǒng)，如基于云平臺的遠程監(jiān)控軟件等。此外，遠程監(jiān)控中心應具備報警提示功能，以便及時發(fā)現(xiàn)異常情況，采取相應措施。

4.數(shù)據(jù)處理與分析

針對巡檢數(shù)據(jù)的管理和分析是整個系統(tǒng)中至關重要的一環(huán)。利用機器學習和預測算法等技術(shù)，可以對巡檢數(shù)據(jù)進行處理和分析，從而制定更加準確的監(jiān)控策略。例如，通過分析設備溫度變化的規(guī)律，可以預測設備的壽命和潛在故障風險，從而及時采取維護措施。此外，還可以借助數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，從海量數(shù)據(jù)中提取有價值的信息，為決策提供依據(jù)。

三、系統(tǒng)測試

本次測試的目的是對基于無線通信網(wǎng)絡的機器人巡檢遠程監(jiān)控系統(tǒng)在電力輸電線路中進行全面測試，包括系統(tǒng)穩(wěn)定性、數(shù)據(jù)準確性、通信可靠性等方面。測試所使用的設備和工具包括機器人本體、傳感器模塊、嵌入式控制器模塊以及無線通信模塊等。測試方案和測試計劃包括以下內(nèi)容：

系統(tǒng)穩(wěn)定性測試：測試系統(tǒng)在各種操作情況下的穩(wěn)定性，包括啟動、運行和停止等操作。同時，還將測試系統(tǒng)在高負載、低電壓等惡劣環(huán)境條件下的表現(xiàn)，以驗證系統(tǒng)的魯棒性。

數(shù)據(jù)準確性測試：通過實際巡檢過程中的數(shù)據(jù)和系統(tǒng)記錄的數(shù)據(jù)進行比對，驗證系統(tǒng)的數(shù)據(jù)準確性。

通信可靠性測試：測試無線通信網(wǎng)絡的信號強度、數(shù)據(jù)傳輸速度和數(shù)據(jù)丟包率等關鍵指標，以驗證通信的可靠性。

根據(jù)上述內(nèi)容可知，系統(tǒng)啟動、運行、停止等操作正常；在高負載、低電壓等惡劣環(huán)境下表現(xiàn)穩(wěn)定；實際巡檢和系統(tǒng)記錄的數(shù)據(jù)比對結(jié)果證明，系統(tǒng)數(shù)據(jù)準確性較高；無線通信網(wǎng)絡的信號強度較強、數(shù)據(jù)傳輸速度較快、數(shù)據(jù)丟包率較低，通信可靠性較高。

四、結(jié)束語

通過實際應用驗證，基于無線通信網(wǎng)絡技術(shù)的機器人巡檢遠程監(jiān)控系統(tǒng)在解決巡檢過程中遇到的問題方面表現(xiàn)出色。該系統(tǒng)實現(xiàn)了巡檢任務的自動化和遠程化管理，顯著提高了巡檢的效率和準確性，也減少了人工巡檢過程中的危險和風險。隨著無線通信技術(shù)、傳感器技術(shù)和人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展，機器人巡檢遠程監(jiān)控系統(tǒng)將在更多領域得到應用，如無人駕駛、智能家居等。未來，該系統(tǒng)的應用將進一步擴展，為人們的生活帶來更大的便利和價值。

作者單位：李欣 山西信息規(guī)劃設計院有限公司

參考文獻

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李欣（1988-），男，漢族，山西太原，工程師，碩士，研究方向：無線通信。