翟亮森 陳奎 黃琨 王順

摘要

無(wú)線W1-Fi技術(shù)和嵌入式技術(shù)在現(xiàn)代監(jiān)控系統(tǒng)中起著越來(lái)越重要的作用。本文給出一種基于Wi-Fi與Cortex-M3的智能監(jiān)控機(jī)器人平臺(tái)的設(shè)計(jì)方案。系統(tǒng)主要由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、攝像頭、超聲傳感器、電子羅盤、Wi-Fi模塊組成，通過(guò)Wi-Fi由手機(jī)APP或PC界面進(jìn)行無(wú)線控制。實(shí)驗(yàn)表明：系統(tǒng)在滿足高效低能的同時(shí)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)特定場(chǎng)合進(jìn)行無(wú)線圖像監(jiān)控與超限預(yù)警。

【關(guān)鍵詞】Wi-Fi 智能監(jiān)控 Cortex-M3

無(wú)線通信技術(shù)發(fā)展和深入應(yīng)用使傳統(tǒng)監(jiān)控平臺(tái)擺脫了電纜的束縛，可以通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、Wi-Fi進(jìn)行信息交互。智能機(jī)器人監(jiān)控平臺(tái)在實(shí)際工作中需要面對(duì)各種復(fù)雜工作條件，傳統(tǒng)的有線通信方式顯然無(wú)法勝任。因此，國(guó)內(nèi)外對(duì)基于遠(yuǎn)程無(wú)線控制的智能機(jī)器人監(jiān)控平臺(tái)的研究逐步深入，相繼開(kāi)發(fā)了具備圖像交互、自動(dòng)導(dǎo)航、自動(dòng)監(jiān)控等功能的機(jī)器人平臺(tái)。

本文給出一種基于Wi-Fi與Cortex-M3的智能機(jī)器人監(jiān)控平臺(tái)的設(shè)計(jì)方案。監(jiān)控平臺(tái)以兩輪小車為受控對(duì)象，可以自主運(yùn)行，也可以通過(guò)手機(jī)APP或PC控制其自由移動(dòng)和數(shù)據(jù)采集，適用于特殊工作場(chǎng)合內(nèi)的環(huán)境、工況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。監(jiān)控獲取的圖片、視頻和傳感數(shù)據(jù)在手機(jī)APP或PC上存儲(chǔ)。實(shí)驗(yàn)表明：系統(tǒng)在滿足高效低能的同時(shí)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)特定場(chǎng)合進(jìn)行無(wú)線圖像監(jiān)控與傳感數(shù)據(jù)超限預(yù)警，控制方式具有自主和受控兩種方式。

1 相關(guān)技術(shù)與平臺(tái)設(shè)計(jì)

1.1 無(wú)線通信及其標(biāo)準(zhǔn)

Wi-Fi（Wireless Fidelity）是一種面向無(wú)線局域網(wǎng)的無(wú)線通信技術(shù)，采用IEEE802.11b標(biāo)準(zhǔn)方便局域網(wǎng)內(nèi)終端間的無(wú)線互連與互通。Wi-Fi具有組網(wǎng)便捷、移動(dòng)性好、可靠性好、傳輸速度快、高性價(jià)比等特點(diǎn)，已成為無(wú)線局域網(wǎng)主要的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)之一。在特殊場(chǎng)合的監(jiān)控中，通過(guò)合理部署的網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)AP（AccessPoint）可實(shí)現(xiàn)大范圍內(nèi)的通信覆蓋。

1.2 通信方式與控制方式

系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制方式，選取小車作為服務(wù)器端，PC與手機(jī)APP為客戶機(jī)端。包括傳感器信息和攝像頭圖像作為下行數(shù)據(jù)從小車平臺(tái)實(shí)時(shí)傳輸?shù)絇C或手機(jī)。上行數(shù)據(jù)主要是離散的人工控制信息，控制小車移動(dòng)。

小車平臺(tái)移動(dòng)控制方式分為主動(dòng)障礙規(guī)避，人工輔助控制兩種。人工輔助控制所需控制信息通過(guò)PC或APP發(fā)送。

1.3 監(jiān)控平臺(tái)設(shè)計(jì)方案

平臺(tái)組成主要包括三個(gè)部分，即裝載了攝像頭、傳感器等信息采集裝置的移動(dòng)小車平臺(tái)，控制小車平臺(tái)且實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)管理的PC應(yīng)用程序、智能手機(jī)及其APP.移動(dòng)小車平臺(tái)通過(guò)車載傳感器、攝像頭采集環(huán)境信息，通過(guò)Wi-Fi發(fā)送至手機(jī)與PC控制端應(yīng)用程序。系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1中Wi-Fi模塊通過(guò)串口與Cortex-M3連接，數(shù)據(jù)波特率最高可達(dá)46kbps，傳輸速率為46k/8/1000=57.6kb/s，可以滿足攝像頭實(shí)時(shí)圖像和少量傳感器信息的傳輸。

移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)采用兩軸輪式驅(qū)動(dòng)，主要包絡(luò)ARM Cortex-M3，H橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)、OV7670攝像頭、攝像頭擺動(dòng)控制舵機(jī)、Wi-Fi模塊、超聲波、電子羅盤和電源管理部分等。其中攝像頭上安裝夜視燈，方便光線較弱的地方使用。

2 機(jī)器人平臺(tái)實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

STM32F103ZET6作為主控芯片，它是ARM公司新一代32位Cortex^TM-M3內(nèi)核的高性能RISC處理器，最高工作頻率可達(dá)72MHz，可在較低功耗下提供優(yōu)越的計(jì)算性能和先進(jìn)的中斷響應(yīng)。

移動(dòng)機(jī)器人采用兩軸驅(qū)動(dòng)小車，包括MCU、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、攝像頭、攝像頭角度控制舵機(jī)、Wi-Fi模塊、超聲波、電子羅盤和電源管理部分等。其中攝像頭上安裝有夜視燈可以更好的在光線較弱的地方拍照。

作為監(jiān)控平臺(tái)的小車，具備正常自主導(dǎo)航、障礙規(guī)避能力。自主導(dǎo)航是按照設(shè)定位置自主移動(dòng)并進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)與報(bào)警。系統(tǒng)巡航時(shí)通過(guò)超聲傳感器檢測(cè)周圍環(huán)境，控制舵機(jī)規(guī)避障礙。視頻與圖像采集由攝像頭完成，該攝像頭通過(guò)舵機(jī)實(shí)現(xiàn)任意角度拍攝。圖片獲取后采用JPEG壓縮格式發(fā)出，其數(shù)據(jù)量只有4～6KB左右。圖2為智能機(jī)器人平臺(tái)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。

設(shè)計(jì)采用兩路串口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，串口1為高速串口，波特率460800bps，串口2普通串口，波特率9600bps。電機(jī)控制PWM默認(rèn)上電后占空比不是0，而是有一較小值以抵消啟動(dòng)阻力，達(dá)到平穩(wěn)控制。

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程

CortexTm-M3核心控制軟件包括小車前進(jìn)、后退、舵機(jī)旋轉(zhuǎn)、攝像頭轉(zhuǎn)換、攝像頭數(shù)據(jù)獲取與發(fā)送、超聲傳感器和電子羅盤數(shù)據(jù)獲取、以及PC或手機(jī)APP控制命令的接收與解析。

小車監(jiān)控平臺(tái)運(yùn)行方式包括自主運(yùn)行，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、命令接收與解析、數(shù)據(jù)回傳。小車控制流程如圖3所示。系統(tǒng)初始化后各主要模塊進(jìn)行自檢，然后等待PC或手機(jī)APP信息。沒(méi)有信息則進(jìn)入自主模式。否則解析獲取到信息，按照命令內(nèi)容進(jìn)入相應(yīng)動(dòng)作設(shè)置。

對(duì)小車平臺(tái)的控制命令有多種，其格式為：FF-XX-XXXXXX-EE，如圖4所示。其中FF和EE為命令頭部尾部信息，命令A(yù)A-AF對(duì)應(yīng)舵機(jī)、電機(jī)、燈光、攝像頭、信息獲取、停止。數(shù)據(jù)第1字節(jié)8X/4X對(duì)應(yīng)起停;03E8-07D0代表角度值;00-FF表示調(diào)速PWM、亮度、或采樣間隔;01-02表示前后、單張或連續(xù)。詳細(xì)命令如表1所示。

對(duì)小車平臺(tái)返回?cái)?shù)據(jù)包括傳感器數(shù)據(jù)、圖像數(shù)據(jù)，其格式為：FE-XX-XXXX-X-ED，具體如圖5所示，包括頭部尾部信息，數(shù)據(jù)含義、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度和數(shù)據(jù)及部分。

2.3 控制端人機(jī)界面設(shè)計(jì)

系統(tǒng)控制端手機(jī)APP通過(guò)Android開(kāi)發(fā)，用來(lái)遠(yuǎn)程控制智能機(jī)器人平臺(tái)。如圖6所示，可通過(guò)手機(jī)界面實(shí)時(shí)控制平臺(tái)的前進(jìn)后退、轉(zhuǎn)彎、攝像頭的轉(zhuǎn)換角度、攝像頭數(shù)據(jù)的獲取與發(fā)送和對(duì)超聲波和電子羅盤數(shù)據(jù)的獲取等。同時(shí)，手機(jī)加速度傳感器信息按照?qǐng)D4格式編碼后可實(shí)現(xiàn)對(duì)小車的控制，進(jìn)一步增強(qiáng)平臺(tái)的操作性。PC端界面、功能與此類似，采用LabVIEW設(shè)計(jì)。

3 結(jié)語(yǔ)

文中給出一種基于兩輪小車監(jiān)控平臺(tái)的設(shè)計(jì)方法，可實(shí)現(xiàn)自主運(yùn)行和受控運(yùn)行。平臺(tái)采集環(huán)境信息和圖片信息并對(duì)環(huán)境信息進(jìn)行閾值判定與遠(yuǎn)程報(bào)警。為此，詳細(xì)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)了遠(yuǎn)程控制收發(fā)信息的命令格式或私有協(xié)議。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)運(yùn)行正常、可靠、信息收發(fā)準(zhǔn)確、小車控制靈活方便?；诖似脚_(tái)，配置不同的傳感器可完成一定的監(jiān)測(cè)監(jiān)控任務(wù)，PC端利用機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)算法可進(jìn)一步提升系統(tǒng)的智能化水平。

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