李久勝 ，趙麗麗 ，邵 青，代紹慶 ，孔德彭

(1.浙江工業(yè)大學(xué) 機(jī)器人教育研究中心，浙江 杭州310023；2.嘉興職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息技術(shù)分院，浙江 嘉興314036)

一、引言

工業(yè)系統(tǒng)集成與控制始于繼電器控制，智能化綜合提升得力于可編程邏輯控制，在“互聯(lián)網(wǎng)+”模式下，工業(yè)自動化面臨著新的機(jī)遇與挑戰(zhàn)[1-2]。尤其是物聯(lián)網(wǎng)、通信技術(shù)、大數(shù)據(jù)及云計算的發(fā)展，新業(yè)態(tài)的產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，對應(yīng)的產(chǎn)業(yè)人才需求量隨之增加，然后，需求與供給存在一定的差距[3-4]。為破解該難題，應(yīng)對的措施一方面是適當(dāng)擴(kuò)大人才數(shù)量的供給，另一方面需加強人才培養(yǎng)模式創(chuàng)新，為產(chǎn)業(yè)提供更多的掌握新技術(shù)新方法的專業(yè)人才。所以，在完善對應(yīng)的人才培養(yǎng)方案、培養(yǎng)措施、培養(yǎng)計劃等在理論與知識方面強化之外，還需要從技能與技術(shù)手段全方位地進(jìn)行增強，而這種手段最有效的措施就是實訓(xùn)教學(xué)、實驗環(huán)節(jié)。目前，高校實驗室電氣設(shè)備的管理普遍處于松散的狀態(tài)，電氣設(shè)備繁多，由于人手問題，管理人員需要同時管理多個實驗室，想獲得設(shè)備的運行狀態(tài)往往需要管理員實地檢查，尤其需要逐臺檢查，費時耗力。同時，只有不斷與時俱進(jìn)的先進(jìn)設(shè)備及系統(tǒng)才能培養(yǎng)出新型優(yōu)秀的人才。故必需對傳統(tǒng)的電氣設(shè)備進(jìn)行系統(tǒng)更新及創(chuàng)新集成，即基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，對傳統(tǒng)的電氣設(shè)備系統(tǒng)進(jìn)行改造升級，在工業(yè)4.0建設(shè)背景下，引入人工智能技術(shù)，打造先進(jìn)的一體化物聯(lián)網(wǎng)電氣實訓(xùn)室，為智慧工業(yè)設(shè)備集成提供了新思路新模式。

二、Web服務(wù)機(jī)器人技術(shù)

機(jī)器人技術(shù)是一個國家科技實力及高端制造水平的體現(xiàn)，隨著制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級，生產(chǎn)力在提高，工業(yè)機(jī)器人的市場需求在增加，公共安全、康復(fù)醫(yī)療、抗震救災(zāi)、特種服務(wù)機(jī)器人、教育機(jī)器人等如雨后春筍一般快速發(fā)展[5-6]。而基于Web服務(wù)的機(jī)器人，比較適用于物聯(lián)網(wǎng)集成系統(tǒng)。一般情況下，機(jī)器人的操作是通過有線模型進(jìn)行遠(yuǎn)程或近距離控制的。隨著通信距離與傳輸速率也在不斷增加，用戶與機(jī)器人進(jìn)行相互通信通過無線電波實現(xiàn)變成了可能，還可以不斷滿足眾多場合的應(yīng)用需求[7-8]。

1994年，著名藝術(shù)家機(jī)器人學(xué)及自動化領(lǐng)域的科研工作者肯·戈德堡首次提出了基于Web瀏覽器的遠(yuǎn)程操作機(jī)器人，而其最初的構(gòu)想僅僅是給公眾提供一個可通過互聯(lián)網(wǎng)訪問的遠(yuǎn)程控制機(jī)器人，并支持用戶對其實施遠(yuǎn)程操作[9]。該領(lǐng)域經(jīng)過十多年的研究，已取得不少成就。其發(fā)展大致可分為兩個階段：第一階段主要集中在機(jī)械手的網(wǎng)絡(luò)控制，例如Ken Goldberg的水星計劃[9](Mercury Project)。第二階段以自主式移動機(jī)器人作為主要對象，使得與遠(yuǎn)程環(huán)境的交互沒有空間的限制，從而實現(xiàn)遠(yuǎn)距離環(huán)境下的真實無界交互作用。例如由德國波恩大學(xué)和卡內(nèi)基梅隆大學(xué)開發(fā)的博物館導(dǎo)游機(jī)器人Rhino和Minervaf，它們能夠在高度動態(tài)的環(huán)境中實現(xiàn)安全自主導(dǎo)航，能與現(xiàn)場的觀眾 “友好相處”。特別是Minerva，它能夠進(jìn)行地圖的學(xué)習(xí)以及上下文地圖(texture map)的定位，其路徑規(guī)劃器考慮了移動機(jī)器人運動的不確定性，以避免移動機(jī)器人迷失方向[10]。目前可通過Web瀏覽器訪問的復(fù)雜的自主式移動機(jī)器人是Simmons開發(fā)的Xavier機(jī)器人Il。它具有一定的智能規(guī)劃能力，可以在樓內(nèi)各層的各個房間進(jìn)行一些簡單的傳送文件、敲門、說話等動作。

本文以電氣綜合實驗室為例，利用物聯(lián)網(wǎng)及巡檢機(jī)器人技術(shù)，打造一套現(xiàn)代化綜合的電氣物聯(lián)網(wǎng)實訓(xùn)系統(tǒng)，將所有電氣設(shè)備進(jìn)行集中化管理，實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，提升實驗室電氣設(shè)備的管理效率，達(dá)到集成化、智能化管理的目的。

三、電氣物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)集成

在“互聯(lián)網(wǎng)+”思維下，課題組借助于人工智能即機(jī)器人技術(shù)（巡檢機(jī)器人），以所屬的教學(xué)場地暢遠(yuǎn)樓A實驗室、B實驗室的十多臺PLC控制設(shè)備為核心，將這十幾臺電氣設(shè)備集成到一個系統(tǒng)，實現(xiàn)對電氣物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行智能一體化化綜合管理，形成一個完整系統(tǒng)機(jī)器人電氣物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 基于巡檢機(jī)器人的電氣物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計

1.典型電氣設(shè)備的選取與集成

實驗室A選取了三個歐姆龍PLC實驗設(shè)備，PLC型號為歐CPM1A-40CDR-A-V1；同時還選取六個PLC系統(tǒng)電氣柜，其上PLC型號分別有歐姆龍CPM1AMAD02-CH兩臺、西門子SIMATIC S7-300兩臺、西門子SIMATIC S7-200 smart一臺、臺達(dá)DELTA DVP32ES2一臺；而實驗室B選取了三臺光機(jī)電一體化裝置，其上PLC型號分別有匯川H2u-0016ERN一臺、歐姆龍SYSMAC CPM2AH一臺、三菱MELSEC FX3u-48M一臺。

圖2 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)電氣設(shè)備集成系統(tǒng)拓?fù)鋱D

針對每一臺PLC裝置，都對應(yīng)地配置并設(shè)計了一個獨立的項目，也就是每一臺裝置都視作獨立運作完成一個具有一定功能性質(zhì)的系統(tǒng)，如“某液體混合裝置”、“某生產(chǎn)線物料分揀設(shè)備”、“某遠(yuǎn)程恒壓供水系統(tǒng)”、“某電力綜合變電裝置”、“某中水回用系統(tǒng)”等，改造前，設(shè)備之間并沒有任何關(guān)聯(lián)，均為相互獨立運行、獨立控制與操作。故而，如果需要對其運行狀態(tài)進(jìn)行檢測，甚至是控制與管理，都必須實地查看，效率低。為此，將每臺PLC輸入輸出端口與“無線傳輸模塊”相連，將PLC運行狀態(tài)輸至所相連的無線傳輸模塊中，借由無線傳感技術(shù)ZigBee技術(shù)，將運行狀態(tài)信號通過電磁波以無線信號的形式進(jìn)行短距離傳輸，無線信號經(jīng)由多個無線節(jié)點，即無線信號中繼站——路由器，逐步傳輸至電氣設(shè)備集成系統(tǒng)的監(jiān)控中心，例如可以設(shè)置在暢遠(yuǎn)B實驗室，這些無線信號經(jīng)過控制中心協(xié)調(diào)器信號處理，即可將A實驗室、B實驗室這十幾臺PLC的運行狀態(tài)即時刷新，呈現(xiàn)在控制中心的顯示屏幕上。當(dāng)然，控制中心所需要的ZigBee技術(shù)中的協(xié)調(diào)器所需的程序，需要根據(jù)通訊形式、設(shè)備數(shù)量等實時編寫；顯示運行狀態(tài)的觸摸屏組態(tài)程序，需要根據(jù)所監(jiān)測的PLC型號及其通訊方式進(jìn)行同步編寫。

2.集成系統(tǒng)優(yōu)勢

改進(jìn)中，采用了ZigBee無線傳輸技術(shù)，大大免去了有線傳輸?shù)穆闊┡c巨大成本。我們知道，若不是利用無線技術(shù)，而是有線方式傳輸，通常需要設(shè)計鋪設(shè)管道、拉設(shè)線路。如，從現(xiàn)有的A實驗室和B實驗室開鑿出一條線路，將每臺PLC輸入、輸出信號通過線橋或通道傳輸至控制中心。這樣一是過多的信號線通過有線鋪設(shè)成本會增加很多；二是長距離敷設(shè)線路，占用實驗室寶貴的空間，讓本來稀缺的空間資源顯得更加捉襟見肘；三是線路的可用性評估測試變得有困難，每增加一種線路時間，都需要預(yù)估可能存在的干擾情況，即結(jié)合現(xiàn)有電線的鋪設(shè)，進(jìn)行可行性評估，以免影響先前其他線路；四是維護(hù)不方便。首期工作完成，線路完成鋪設(shè)后調(diào)試完畢進(jìn)行封蓋，隨著時間推移，信號不暢或通信錯誤，進(jìn)行故障排除時，則都撬開線路槽進(jìn)行檢修，而后再封合，如此反復(fù)，不但耽誤教學(xué)工作開展，也無形中增加了成本。

為此，采用無線傳輸技術(shù)，即可免去鋪設(shè)信號傳輸線路的以上苦惱。借由ZigBee技術(shù)，無線傳輸模塊采集到PLC設(shè)備的輸入、輸出等信號后，以電磁波為載體的無線信號形式發(fā)出，經(jīng)由若干個路由器進(jìn)行信號的中繼傳遞，直至傳送至控制中心的協(xié)調(diào)器，接收信號，經(jīng)信號處理后，顯示在觸摸屏上。其中，無線節(jié)點作為信號中繼站的路由器，其成本低，功耗低，安裝方便，甚至比安裝一盞普通照明燈都方便，即只要將其固定在走廊、過道的天花板上的某一個適合之處，都不必外連其他線路，只需半年左右更換一次電池即可。這樣，管理者只需要切換觸摸屏上的界面，即可選擇對任一個PLC運行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，甚至有需要時，可以如此直接在觸摸屏上進(jìn)行點擊控制，即可實現(xiàn)遠(yuǎn)程對PLC運行狀態(tài)的改變與操控，從而免去了管理者實地查看的辛勞，只需要在控制中心的顯示屏幕上畫面切換進(jìn)行監(jiān)測，實現(xiàn)了對電氣設(shè)備集成管理，顯著提升了實驗管理員對實驗室電氣設(shè)備管理的有效性，增強了對電氣設(shè)備的控制性，提高了對安全隱患排查的時效性。

四、機(jī)器人技術(shù)融入系統(tǒng)的總體設(shè)計

機(jī)器人技術(shù)的進(jìn)步也促進(jìn)了電氣綜合控制技術(shù)的發(fā)展。目前，機(jī)器人學(xué)已經(jīng)包括了復(fù)雜機(jī)械、電子電力、通信、現(xiàn)代控制、生物仿真等多個學(xué)科，但其核心技術(shù)卻是智能技術(shù)，因為它涵蓋了多個研究領(lǐng)域，具有高度的滲透性、創(chuàng)新性和實踐性[11]。因此，它未來的發(fā)展也不再局限于機(jī)械手臂的發(fā)展或是機(jī)器人機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，更重要的是與外圍設(shè)備的交互以及功能擴(kuò)展正推進(jìn)機(jī)器人技術(shù)往前發(fā)展[12]。物聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)和快速發(fā)展為機(jī)器人技術(shù)發(fā)展提供了新的思路?；谖锫?lián)網(wǎng)技術(shù)的機(jī)器人系統(tǒng)是由機(jī)器人單元、各電氣設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)的實驗箱、上機(jī)位等組成，其總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖3

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的機(jī)器人系統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)框架：一是感知層，用于檢測如PLC、機(jī)器人、觸摸屏、變頻器等比較常用的電氣智能設(shè)備的數(shù)據(jù)情況的傳感器單元（溫濕度傳感器，振動傳感器，霍爾傳感器）；二是網(wǎng)絡(luò)層，作用是在兩個節(jié)點之間進(jìn)行數(shù)據(jù)上的傳送（串口數(shù)據(jù)傳輸、無線數(shù)據(jù)接收發(fā)送、USB等）單元等；三是應(yīng)用層[13]，將感知層所收集到的最終數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的計算、處理與進(jìn)一步的運用于中心單元融合。

由于Zigbee通信技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為串 （樹/簇）型網(wǎng)絡(luò)，結(jié)構(gòu)較簡單，可以覆蓋到較大的范圍。在串（樹/簇）型網(wǎng)絡(luò)中必包含至少一個全功能設(shè)備（FFD）作為Zigbee網(wǎng)絡(luò)中的主協(xié)調(diào)器節(jié)點，負(fù)責(zé)建立起系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)，為系統(tǒng)的通信做準(zhǔn)備，這在三種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中必不可少。此外，全功能設(shè)備（FFD）也可以當(dāng)做主協(xié)調(diào)器的從屬設(shè)備路由器和終端節(jié)點，既可以和其他設(shè)備進(jìn)行通訊，傳遞由終端節(jié)點傳送到主協(xié)調(diào)器的數(shù)據(jù)，也可以單純地向上一級傳送數(shù)據(jù)。而簡化功能設(shè)備（RFD）只能作為終端節(jié)點，由路由器或是主協(xié)調(diào)器進(jìn)行管理。

五、系統(tǒng)工作流程

將各設(shè)備打開，用RS232串口線將上機(jī)位與物聯(lián)網(wǎng)實驗箱聯(lián)接起來，并將編寫好的Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)程序燒錄進(jìn)實驗箱中的核心模塊，為整個系統(tǒng)的開啟工作做好準(zhǔn)備。系統(tǒng)工作的流程如下：用戶通過上機(jī)位下達(dá)命令，管理實驗室空間內(nèi)的電氣設(shè)備；由于上機(jī)位與物聯(lián)網(wǎng)實驗箱已經(jīng)通過RS232串口線聯(lián)接完畢，相關(guān)命令由上機(jī)位的串口傳遞給物聯(lián)網(wǎng)實驗箱中的主協(xié)調(diào)器。而Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)在整個系統(tǒng)中起著信號傳遞的作用，主協(xié)調(diào)器通過已建立的網(wǎng)絡(luò)將命令傳遞給路由器，路由器接收從協(xié)調(diào)器發(fā)送而來的命令并將命令轉(zhuǎn)發(fā)送給終端節(jié)點。該終端節(jié)點設(shè)計安裝有W-003 WiFi模塊，可以實現(xiàn)ZigBee與WiFi模塊之間的相互通信。終端節(jié)點接收到用戶的命令后，通過W-003 WiFi模塊，將命令信號發(fā)送給機(jī)器人嵌入式處理器中進(jìn)行相應(yīng)的處理，控制機(jī)器人對電氣設(shè)備進(jìn)行智能管理與控制。同時，裝有相應(yīng)傳感器（溫濕度傳感器、振動傳感器、霍爾傳感器）的ZigBee終端節(jié)點時時刻刻監(jiān)控著PLC、機(jī)器人、觸摸屏、變頻器等電氣智能設(shè)備，采集傳輸信號，提煉出有價值及意義的采集及控制的數(shù)據(jù)，并由路由器接收發(fā)送傳遞給物聯(lián)網(wǎng)實驗箱中的主協(xié)調(diào)器，主協(xié)調(diào)器將這些數(shù)據(jù)通過RS232串口線發(fā)送給上機(jī)位，方便用戶進(jìn)行隨時查看與監(jiān)控[14]。此外，本課題使用的是WiFi型機(jī)器人，用戶可以通過手機(jī)或是上機(jī)位與目標(biāo)機(jī)器人通過WiFi連接進(jìn)行直接控制。

六、系統(tǒng)優(yōu)勢

該系統(tǒng)從側(cè)面驗證了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在未來科技發(fā)展中起著不可缺少的作用，歸納為系統(tǒng)具有如下六方面優(yōu)勢：一是在充分利用物聯(lián)網(wǎng)通信的多用性、靈活性和魯棒性情況下，搭建好智能電氣設(shè)備信號的采集、傳輸、處理及應(yīng)用的全通道，保證整個信號流程的實時通暢[15]；二是該系統(tǒng)通過將物聯(lián)網(wǎng)體系構(gòu)造的核心技術(shù)的深度解刨，對感知層所采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)分類處置和進(jìn)一步的挖掘，從而完成對物理世界的及時控制、明確經(jīng)管和科學(xué)決策；三是使用的Zigbee技術(shù)，雖然其硬件資源電源的容量有限，通信能量能力低下，計算能力也較為有限，數(shù)據(jù)傳輸速度低，但它節(jié)點數(shù)量眾多，可以進(jìn)行較為密集的分布，可以保證系統(tǒng)打破區(qū)域限制，將相互隔離實驗室中的電氣設(shè)備特別是智能設(shè)備如PLC、機(jī)器人、觸摸屏、變頻器及工業(yè)領(lǐng)域比較常用的設(shè)備及信息進(jìn)行全面采集與綜合管理，從而使各個實驗室之間實現(xiàn)互通有無，全方面整體的管理；四是實現(xiàn)了電氣設(shè)備弱電信號的無線采集，智能設(shè)備強電信號無線監(jiān)控，從而將典型的電氣試驗設(shè)備電控信號實現(xiàn)無線上網(wǎng)及相關(guān)實驗教學(xué)的深度融合；五是通過將機(jī)器人技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)集成進(jìn)而控制電氣設(shè)備，從而形成一個基于物聯(lián)網(wǎng)的實驗室教學(xué)與管理系統(tǒng)，實現(xiàn)典型案例的演示與教學(xué)模板的塑造；六是系統(tǒng)發(fā)揮了移動機(jī)器人的優(yōu)勢,普及了相關(guān)傳感器的應(yīng)用，可以有效避免在某些非人為可以干預(yù)的情景下需要進(jìn)行的一些操作，傳感器件可以24小時實現(xiàn)自檢，提高了工作效率，節(jié)省了檢測的人力、物力。

七、結(jié)束語

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的加速發(fā)展為探測監(jiān)察等提供了新的思路與方案設(shè)計，也為機(jī)器人遠(yuǎn)程遙感技術(shù)提供了無線技術(shù)支持。本文對基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的機(jī)器人系統(tǒng)集成進(jìn)行了深入研究，充分利用目前發(fā)展前景良好的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，并對高校實驗室內(nèi)的智能電氣設(shè)備的控制檢測等進(jìn)行有效的集成。設(shè)計中，將Zigbee無線傳感技術(shù)與用戶基礎(chǔ)廣泛的WiFi技術(shù)相結(jié)合，能夠?qū)δ繕?biāo)機(jī)器人快速下達(dá)指令，保證相關(guān)檢測數(shù)據(jù)的實時傳輸與全天候的檢測，更重要的是這二者的無線技術(shù)與目前的有線技術(shù)相比能夠打破區(qū)域限制，將幾個甚至幾十個實驗室的電氣檢測及控制信息全面采集與綜合管理。其次，系統(tǒng)中大數(shù)量的節(jié)點布置可以保證基于CC2431芯片定位方案的可行性，也可忽略發(fā)射信號因不可控因素的影響而造成的誤差。

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