張浩華 趙小姝 劉玲 于欣禾 程立英

摘 要：為了實現對地震、泥石流等災害現場的實時監(jiān)控，依托WiFi網絡和遙控機器人技術設計了一臺智能搜救機器人，引入多種傳感器設備，實現災后現場的實時監(jiān)控和救援。通過無線傳輸技術實現機器人上位機與下位機之間的通信，下位機軟件將機器人采集到的視頻信息傳送到上位機，上位機根據所接收到的視頻信息向下位機發(fā)送控制命令，實現遠距離移動監(jiān)控。通過在機器人車體上搭載機械臂拓展機器人的搬運功能，實現作業(yè)現場障礙物清除工作。重點闡明了基于WiFi技術的智能控制機器人系統(tǒng)的硬件和軟件設計。實驗結果表明，本次設計的智能搜救機器人能有效實現災后現場的遠程移動監(jiān)控和救援，具有一定的可靠性和實用性。

關 鍵 詞：WiFi；移動監(jiān)控；機器人

中圖分類號：TP391 文獻標志碼：A

（寶寶，英文摘要在文后，麻煩你找一下）

0引 言

近年來地震、泥石流等自然災害頻發(fā)為人們的生命財產安全帶來了極大的威脅，災后搶險救援工作更是因為現場作業(yè)環(huán)境復雜、通訊中斷等問題變得極為困難。WiFi無線網絡互聯技術因其無線接入、高效傳輸、價格低廉等特點迅速進入人們的視野[ ]，并被眾多的專家、學者運用到智能控制的研究中。通過WiFi網絡控制的機器人能夠有效彌補傳統(tǒng)機器人的操控局限性，也可以實現實時視頻圖像傳輸以及機器人攜帶傳感器的相關信息采集，更能夠使機器人的控制端便捷化、多樣化。

1系統(tǒng)框架設計

本次設計的智能搜救機器人是以IAP15F2K61S2芯片為核心控制器，加上無線通信技術實現的履帶式機器人。根據履帶式機器人的功能要求設計了機器人的機械結構和驅動系統(tǒng)，通過單片機實現對各個驅動電機的控制；通過在小車上增設視頻攝像頭、紅外線傳感器、超聲波傳感器等模塊實現機器人對周圍環(huán)境信息的采集；通過無線WiFi模塊實現機器人與控制終端之間的通信，采用2.4G無線通信技術[ ]實現語音、圖像、視頻等信號的無線傳送。控制終端可以選擇PC機、智能手機或平板電腦等智能設備，通過安裝C#語言開發(fā)的PC端和Android系統(tǒng)控制軟件實現對機器人的無線控制。并通過增加超聲波傳感器，機械臂

2系統(tǒng)硬件設計

智能搜救機器人的系統(tǒng)主要由控制終端、硬件電路和軟件設計三個模塊組成，其硬件部分主要包括處理器、機器人載體、電機驅動、電源供電系統(tǒng)、傳感器、機器人顯示屏、無線通信模塊、機械臂、攝像頭等。

2.1處理器選擇及設計

本次設計選用宏晶公司最新STC15系列IAP15F2K61S2芯片，該芯片是增強型的8051CPU，1T單時鐘機器周期，速度比普通8051快8-12倍。具有ISP/IAP（在系統(tǒng)編程/在應用編程）功能，并且不需要編程器仿真器，可以直接當仿真器使用。片內擁有大容量2048字節(jié)的SRAM和EEPROM，可擦寫10萬次以上。片內還擁有8通道10位高速ADC和3路PCA模塊。開發(fā)板上還搭載了許多功能模塊，完全能夠滿足我們的設計要求。

2.2機器人載體及驅動模塊設計

為滿足機器人搭載多個功能模塊的載重需求，克服作業(yè)現場的復雜環(huán)境要求，本次設計選用了大功率路虎雙履帶式車體底盤作為機器人載體。履帶式底盤具有很強的附著力和越障能力，可在凹凸不平的地面上行走，能夠適應災后復雜的地形變化。為保證機器人運動流暢，在設計中為路虎底盤安裝了兩個12V大功率電機，同時采用了L298N驅動芯片驅動兩個直流電機。L298N芯片是恒壓恒流橋式2A驅動芯片，即可

驅動兩個二相電機，也可驅動一個四相電機，輸出電壓最高可達50V可以直接通過電源來調節(jié)輸出電壓，可以直接用單片機的IO口提供信號，電路簡單，使用方便。

2.3舵機云臺攝像頭

攝像頭[ ]是捕捉作業(yè)現場視頻信息的重要部件，為適應災后現場煙霧、灰塵等不良因素的影響，本次設計為機器人配備了高清免驅攝像頭和紅外攝像頭，提升了黑暗條件下的圖像捕捉能力，增強了對人體等生命信息的辨識能力，提升了機器人的搜救效率。攝像頭采用了雙軸云臺底座，可實現上下、左右各180度旋轉，增大了攝像頭的掃描范圍。云臺通過PWM脈沖控制舵機的旋轉角度，當云臺移動到特定位置時，控制終端發(fā)送動作命令，云臺根據接受到的PWM脈沖長度調整轉動角度，實現多角度多方位的現場視頻信息采集。

2.4無線通信模塊

無線通信模塊[ ]是實現單片機與機器人小車控制端通信的主要部件，也是整個無線智能視頻監(jiān)控機器人設計的重點。無線通信模塊需要與單片機進行通信，單片機采用的是TTL串口通信，所以本次設計選擇了帶有TTL串口的WiFi模塊。把普通的無線路由器[ ]刷入開源的Openwrt系統(tǒng)，使之成為一個運行了Linux系統(tǒng)的小電腦。然后在機器人小車上安裝設置Ser2net程序、驅動、加載USB攝像頭。通過在WiFi模塊中安裝mjpg-streamer程序，對USB攝像頭的視頻進行編碼，然后以無線傳輸的方式返回到PC機（或Android手機）控制端。無線路由器一般都預留TTL串口，主要用來調試或者刷機。WiFi把這個TTL串口引出來，通過安裝在路由器中的Ser2net軟件，把WiFi信道的指令傳輸到串口輸出，串口就可以與單片機芯片MCU通信[ ]，把指令傳輸到單片機芯片上，從而執(zhí)行相應的操作任務。

2.5機械臂

機械臂[ ]是機器人動作的執(zhí)行機構，主要任務是抓舉或搬運重物，因此需要為機械臂提供足夠的動力。本次設計的機械臂是具有6個自由度的機械臂，并且配備了6個MG996R大扭矩舵機，通過鋼架結構組合到一起，實現機械臂的多角度旋轉。

2.5傳感器及顯示屏

機器人車體搭載了一個溫濕度傳感器、3個超聲波傳感器和一個液晶顯示屏。

溫濕度傳感器[ ]采用DHT11數字溫濕度傳感器，它應用專用的數字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，并且內含已校準數字信號輸出信號，具有極高的可靠性和極強的穩(wěn)定性。DHT11傳感器包括一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件，并與一個高性能8位單片機相連接，直接將檢測到的數字信號發(fā)送到模塊。

超聲波傳感器[ ]使用HC-SR04超聲波傳感器，超聲波傳感器使用的是HC-SR04超聲波傳感器，該傳感器所需供電電壓為5V，工作靜態(tài)電流小于2mA，感應角度不大于15°，探測距離在2cm-450cm之間，探測精度可達0.3cm。

顯示屏采用Nokia5110液晶顯示屏，此液晶屏是84x48 的點陣LCD，可以顯示4 行漢字。

3系統(tǒng)軟件設計

3.1 WiFi模塊

WiFi模塊通過構建一個可以運行TCP/IP協議的局域網將機器人的上位機與下位機連接到一起，進行數據傳輸。機器人啟動后會首先創(chuàng)建一個套接字Socket，同時建立一個IP地址，用于監(jiān)聽有效的Socket端口，再調用accept函數從連接請求隊列中獲得連接信息，等待與操作終端構成連接。若連接成功，則服務器端的線程與客戶端進行數據通信，服務器端根據客戶端的請求做出相應的處理；客戶端在接收數據后，根據需要發(fā)送的控制信號設置移動驅動信息給服務器端；數據通信完成后關閉該線程，重新進入主線程循環(huán)。

局域網通信是機器人上位機與下位機連接的重要環(huán)節(jié)，在這一環(huán)節(jié)中通信協議起到至關重要的作用。上位機與下位機之間進行通信有兩種方式，一種是單字符通信，另一種是數據包格式通信。由于單字符通信方式煩擾較大，因此本次設計采用了數據包格式傳送指令，包頭用0xFF，包尾用0xFF，無校驗位。上位機利用無線網卡通過Socket發(fā)送數據包到路由器，路由器通過解包機制把數據包解開，通過串口發(fā)送到單片機并通過控制模塊執(zhí)行相關操作。其協議規(guī)定如表1所示。

3.2上位機軟件設計

上位機軟件的主要功能是實時接收并顯示WIFI模塊傳輸的視頻數據、下位機傳感器數據和發(fā)送控制命令。軟件主界面中包含若干控制按鈕和視頻顯示窗口，控制按鈕用來進行網絡連接、開關視頻、設置參數、發(fā)送機器人移動命令、機械臂動作命令等。上位機控制軟件使用C#.NET語言開發(fā)的客戶端，IDE為Visual Studio 2010[ ]。首先利用編程器的自帶控件設置客戶端的兩個窗口，包括一個顯示主窗口和屬性配置窗口，分別用于實現視頻顯示及運動控制和機器人控制指令的自定義鍵值設置；再通過TCP/IP協議創(chuàng)建Socket套接字實例[ ]，對按鈕設置相應的指令代碼；然后上位機通過Connect方法連接到路由器，通過Send方法向路由器發(fā)送數據，數據發(fā)送完成后使用Close方法關閉Socket以釋放所占用資源。

3.3下位機軟件設計

下位機程序主要包括：主循環(huán)、串口中斷、定時器0中斷（舵機控制）等。

3.3.1 主循環(huán)

3.3.2 串口中斷

3.3.3 定時器0中斷

定時器0用于舵機控制的中斷服務子程序，并且為了最大限度地減少命令接收延時和防止數據丟失，我們將命令接收程序放在中斷服務程序中。當路由器發(fā)來數據時，單片機產生串口中斷，進入中斷服務程序，在中斷服務程序中接收數據，并保存在數組中。在接收完數據后調用數據分析函數，把數據賦值給相應變量，最終執(zhí)行命令。

4系統(tǒng)運行測試

經測試證明，本機器人可通過上位機看到智能搜救機器人采集的視頻信息，通過上位機的對應按鈕的操作，可控制機器人實現前進、后退、左轉、右轉等基本移動功能，且履帶式底盤設計使機器人具有良好的越障性能。并可在上位機上看到機器人采集的溫度、濕度和超聲波測量的距離?？煽刂茩C械臂實現簡單的動作。

5結束語

本文設計并實現了基于WiFi技術的智能搜救機器人，分別從機器人的硬件設計、軟件設計以及系統(tǒng)測試等方面做了詳細介紹?；赪iFi技術的智能搜救機器人結合了實際需要，通過WiFi技術解決了遠程視頻監(jiān)控、環(huán)境信息采集、數據回傳和遠程機器人控制的任務，可采用PC機或者Andriod系統(tǒng)手機等電子設備對機器人進行控制，操作簡便，可應用于多種危險環(huán)境中的救援作業(yè)，具有很強的創(chuàng)新性、實用性和可推廣性。

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WiFi technology based Intelligent search and rescue robot

Zhao Xiaoshu，Zhang Haohua，Yu Xinhe

（College of Physical Science and Technology，Shenyang Normal University，Shenyang 110034，China）

Abstract：In order to realize real-time monitoring of the earthquake and the mud-rock flow，this article based on WiFi network and Remote control robot technology to design a set of Intelligent search and rescue robot，introducing a variety of transducer，to achieve real-time monitoring and rescue at the scene of the disaster.The superordination machine and the lower-computer through wifi network exchange information to each other. The software of singlechip processor to collected the robot video information transmitted to the PC and PC based on the received video information send control commands to the lower-computer to make mobile monitoring over a long distance come true.The robot's mechanical arm was loaded on robot to achieve equipments of handing so as to obstacles cleanup operation on the spot.This paper mainly expounded Intelligent control of robots of the hardware and software of the control system based on wifi network technology design.The experimental result shows that the design of the Intelligent search and rescue robot can effectively realize the real-time monitoring and rescue at the scene of the disaster.It is has certain reliability and practicability.

Key Words：WiFi；Mobile monitoring；Robot；

雜志郵寄地址（快遞可以收到）：遼寧省沈陽市皇姑區(qū)黃河北大街253號 110034 趙小姝 15140156211

請為本論文開具發(fā)票，發(fā)票抬頭：沈陽師范大學

張浩華（1977年1月），陜西西安，沈陽師范大學物理科學與技術學院，副教授，碩士生導師，博士，研究方向：智能控制、復雜網絡、嵌入式系統(tǒng)開發(fā)與應用；

趙小姝（1993年1月），遼寧開原，沈陽師范大學物理科學與技術學院，碩士研究生，研究方向：智能控制、復雜網絡；

通訊地址：遼寧省沈陽市皇姑區(qū)黃河北大街253號（110034）；

郵箱：zxshude@163.com；

聯系電話：15140156211；

基金來源：遼寧省教育廳高等學?？茖W研究項目（L2013418）；遼寧省科技廳博士啟動基金項目（20141091）；沈陽師范大學博士科研項目啟動基金