機房自動巡監機器人系統初探

阮翔

摘 要：本人介紹了一種機房自動巡監機器人的體系結構，給出了基于該體系結構的各模塊原理，通過制作基礎型自動巡監機器人驗證了該體系結構的合理性以及可行性，并對該系統存在的缺點與不足進行了討論。

關鍵詞：巡監機器人；機房巡檢；模塊原理；無線發射

1 引言與背景

對設備和儀器的監管和檢測是電臺工作的重要組成部分，是實現安全播音和高效播音的基礎和保障，因而巡機抄表和日常巡視也成了我們無線電臺以及許多工作單位必不可少的工作內容。

傳統的巡機需要人員到機房去做定期巡查，重復性做大量的日常巡檢工作，隨著自動化水平的提高和電臺無人化值守的進展，也需要人員定期到現場檢查部分設備的運行情況。為了保證機房設備安全可靠運行，更快地推進機房無人值守的進程，提高電臺的自動化、信息化水平，利用自動巡監機器人完成機房設備的巡檢，以至于只要有網絡的地方就可以了了解和看到機房及其設備的一切狀態，具有重要的現實意義和廣闊的市場前景。因此筆者開始了對自動巡監機器人的研究，并開發出了可應用于現場的基礎型自動巡監機器人。

2 巡監機器人的設計與功能

機房自動巡監機器人結合人工巡機的經驗和要求，采用完全自主或遠程遙控方式，利用單片機技術結合多傳感器技術、機器人視覺技術、視屏讀表系統和無線傳輸技術實現對機房內設備的定時自動巡機抄表和對機房各部分環境監測，采集并處理聲、光、視屏等數據信息。準確及時的發現問題和故障，提高工作效率，減少人為的疏漏，為無人值班機房的推廣提供了創新型的技術檢測手段。

2.1 機器人的設計要求

根據巡監機器人的作業環境和工作要求，進行系統設計時有以下要求要求：

⑴順利的實現在機房環境中的行走、越障和待作業位置處的準確定位，按規定軌跡運行，全程視頻監控，定點拍攝。

⑵避開發射機干擾，保證上下行信號穩定通暢。能根據上位機參數設定改變巡機時間、移動速度、移動位置，拍攝方位和角度等。

⑶機器人底部要適合機房地面及轉彎、越障需要，盡可能保證機器人平穩勻速移動。機器人腰部要有足夠大的安裝基面，以保證機器人在工作時的整體穩定性。同時，由于機器人底座和腰座承受了大部分的重量，腰部軸承要有足夠的強度和韌性，而為了減小機器人運動慣量，提高控制精度，運動部分采用輕型材料。

⑷機器人手臂或者攝像云臺結構尺寸應滿足工作空間要求，腰座以上部件，包括機械臂，攝像頭等部件盡可能采用輕型材料，以保證運行速度和精度。

⑸安全有效，使機器人在運行時符合機房的安全守則；經濟實用，盡可能使各部分組件效用最大化。

2.2 機器人的功能要求

對巡監機器人的功能要求需基于人工巡機抄表的要求同時結合芯片的選擇來定，基本的巡監機器人功能有：

⑴可以實現本地、自動、遠程三種操作模式自由切換。機器人能自動沿人為設定的巡機路徑運動。通過無線傳輸模塊，在上位機上反映機器人某些參數，將運動中的視頻、速度等直接傳到監控電腦。

⑵到達指定點后停留，發出指定信號，攝像頭拍攝指定照片并保存。

⑶通過視頻讀表系統，讀出表值（或模塊亮燈數）并記錄。同時判斷采集到的數據是否在正常的數據范圍內，若不在則發出告警。

⑷記錄巡機點，沿巡機線路去下個記錄點，直到回到起點，等待下個巡機時間（比如整點）的到來。

⑸下位機采集各項數據，處理后在軟件界面顯示各類數據。上位機可以對各項參數進行設定。

而理想的巡監機器人能在基礎型機器人的基礎上實現語音控制、智能壁障、夜間（斷電）自動巡檢、超聲測距、紅外測溫等，并將運動中的視頻、音頻、環境溫度、濕度、速度等數據傳送到監控電腦，到達抄表點后，結合機械臂的精確控制，進行讀表及判斷各模塊使用情況。

理想的巡監機器人由于涉及到機械臂的開模設計，整體費用較高，開發周期長，而基礎型巡監機器人芯片使用STC11F32XE型單片機便可實現，鑒于本機器人處于研發階段，筆者先開發基礎型機器人用于實驗研究。

3 巡監機器人結構組成

整個自動巡監的過程可以分為機器人運動、數據采集、信息處理反饋三個部分，采用基站和移動體相結合的方式來替代人工巡機抄表，提供診斷機房設備運行重的事故隱患和故障的有關數據，以便及時發現問題，保證安全播出。基礎型巡監機器人樣機如圖1所示。

3.1 機器人的系統結構

基礎型巡監機器人分為遠端基站和機器人運動體兩個部分組成，其系統結構圖如圖2所示。

3.1.1 遠端基站控制系統

主要由監控計算機系統、交換機以及相應的無線通訊設備組成。監控主站系統基于Windows系統，采用C#面向對象編程語言開發設計，提供友好的操作交互界面，完成監測功能，負責對傳回的視頻圖像進行視頻讀表，給機器人運動規劃提供相應的命令及環境信息，并可以對機器人采集的設備數據進行分析、存儲，并提供專家診斷功能等。遠端基站控制系統的視屏控制部分如圖3所示。

3.1.2 機器人移動站系統

移動站系統主要由主控芯片、巡視檢測、能源電池、運動控制、網絡通信以及視屏采集等系統組成，實現機器人運動定位、可見光及紅外數據檢測采集、能源管理補給以及狀態信息上傳、視屏傳輸等功能，結合基站控制系統，完成機器人遙控巡視和自動規劃巡視等功能。

3.2 機器人系統模塊原理

基礎型巡監機器人系統主要由無線通訊模塊、運動控制模塊、視頻采集模塊、電源及上位機部分組成，其工作方式如圖4所示。

3.2.1 無線通訊模塊

機器人可以采用WI-FI或藍牙模式進行操作，由于兩者類似，只是WI-FI模塊與藍牙模塊的區別，這里以WI-FI為例，需要把普通的無線路由器通過刷入開源的Openwrt系統（經思科路由程序改編，可以用在特定芯片的小型系統），讓它變成運行Linux（Linux是一種自由和開放源碼的類Unix操作系統）系統的小電腦，然后在WI-FI板上運行mjpg-streamer程序（mjpg-streamer可以通過文件或者是HTTP方式訪問Linux UVC兼容攝像頭），進行視頻編碼，經過WI-FI傳回上位機，接著，便在電腦上可以看見機器人傳來的視頻了。一般路由設有TTL接口，將該串口引出，接著通過路由的Ser2net程序（一個可以通過電腦向路由的指定端口發送數據，然后路由原封不動的將數據發送到路由的TTL接口的程序），讓WI-FI信道的指令轉到串口進行輸出，這里串口的作用就是與單片機通信，讓它知道用戶發出什么指令。

3.2.2 運動控制模塊

這里的運動控制模塊需要和紅外控制系統相結合，紅外控制系統遵循循跡機器人原理，利用紅外線在不同顏色物理表面具有不同反射系數的特點，選擇合適的紅外傳感器，使機器人能沿既定軌跡運行，本機器人設定為沿著黑色膠帶軌跡前進，并在規定圖片采集地點處的地面橫向貼一條黑色膠帶，作為給予機器人拍照采集信號，待機器人按要求采集完畢后，由上位機發送一信號使得機器人繼續前進。待機器人完成所有規定采集點的采集后，機器人會回到初始位置，等到上位機設定的下個巡機時間的到來時，機器人會進行新的一輪巡機和采集。

3.2.3 單片機系統與下位機

單片機系統是一種集成電路芯片，因為頻率低，不能實現大量數據運算。我們通過改變單片機的輸出引腳（即IO口）電平，讓單片機控制電機驅動模塊，電機驅動模塊驅動電機運動，控制機器人前進、轉彎、后退。基礎型機器人使用STC11F32XE型單片機，和51單片機相比，具有以下特點：

⑴STC11系列是1T模式，指令速度是普通51的8～12倍。

⑵抗干擾性強，功耗低。

⑶擁有獨立的波特率發生器。

⑷ISP（在系統可編程）/IAP（在應用可編程），29K EEPROM空間可用于保存用戶數據。

下位機主要用來監測和執行上位機的操作指令。單片機里面的程序作用是接收來自上位機的指令，進行分析和解碼，給予單片機的指定引腳對應的高低電平。這個指令先從上位機發出經由路由也就是WI-FI模塊，到達單片機。現在的單片機和無線模塊的串口以TTL居多，它有三種數據線：發送TX，接收RX，地線GND。相同的電平類型的可以進行通信，如果是9針RS232串口，需要接有232轉TTL的小板后才能與各種模塊進行通信。

3.2.4 上位機與視頻采集分析模塊

發送命令的部分稱之為上位機，命令發送到無線模塊或者路由器，然后經由路由轉換，命令達到芯片，進而機器人執行命令，與此同時，上位機發給路由一個視頻請求，路由會把攝像頭視頻回傳給上位機，上位機對視頻進行解碼，并顯示。而上位機的編程則是通過TCP （Transmission Control Protocol）和UDP（User Datagram Protocol）協議，用Socket（通常也稱作"套接字"，用于描述IP地址和端口，是一個通信鏈的句柄。）把數據發送到路由端，機器人的上位機是客戶機模式，路由端是服務器模式，這樣就不需要什么轉發操作，直接連機器人就可以控制了。

視頻采集由安裝在機器人上的網頁攝像頭完成，可以對機器人的運動過程全程監控，可以在其外圍配置乳白色毛玻璃罩，利用毛玻璃的半透明性和對光線的彌散作用，消除屏幕反光，取得高質量的儀表圖像。上位機利用視頻讀表系統讀出發射機上對應表值。目前發射機的表值主要有3種，指針式、數顯式和模塊亮燈式，視頻讀表系統經過圖像預處理，指針、字符及亮燈區域分割，后續識別處理對圖像進行讀表，然后由上位機程序對表值數據進行判斷處理。

4 結語

文章提出了一種基于移動機器人的發射機房設備智能移動巡檢系統，該系統可以根據預先設定的任務或是操作人員在遠程電腦控制完成機房內的巡視與抄表，記錄相關信息提供異常報警，操作人員只需通過遠端計算機收到的實時數據或圖像等信息即可完成機房設備巡檢工作，經過現場運行表明本基礎型巡監機器人系統的非接觸式移動檢測可以有效運行。

但是其缺點和不足還是明顯的，首先基礎型機器人所采用的單片機在實現大量數據傳輸和處理（比如在結合對設備特定部位的紅外溫度探測、超聲測距）時，不能完全滿足要求；其次是無線模塊在機房這種電波干擾較大的環境中穩定性還有待進一步提高；另外，運動的精確度，以及以后機械臂的穩定度和精確度都尚需提高，尤其在移動方式上，基本型采用的循跡方式，很大程度上限制了機器人的巡檢路徑規劃以及運動的精確性；最后視頻讀表系統準確性和靈敏度也需要進一步改善。

在完成對下位機的硬件完善、無線模塊的更高效穩定及逐步向理想型巡監機器人靠攏后，結合更為精準的視頻讀表系統，可以逐步實現機房環境及其設備的無人化巡監，推進機房自動化和信息化進程，提高機房設備運行的安全可靠性。

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