基于移動物聯網的遠程移動監控系統研究

計軼軒 ，金明生

(1．上海神計信息系統工程有限公司，上海200331;2．浙江工業大學特種裝備制造與先進加工技術教育部/浙江省重點實驗室，浙江杭州310014)

0 引 言

物聯網采用互聯網技術實現人與機器、機器與機器相聯［1］。移動物聯網則采用無線通信技術實現了移動設備之間以及與固定設備的即時信息傳遞。移動監控系統是移動物聯網的重要應用領域之一，其中的移動設備可分為人機交互終端和機器終端，均可實現各自在空間上的自由移動及相互間廣義遠程信息交互。

本研究提出一種基于Cortex 的遠程監控移動終端的解決方案。

1 基于Cortex 的遠程監控移動終端控制系統

移動監控系統中人機交互終端一般可直接使用智能手機、平板電腦和筆記本電腦。可移動機器終端則根據實際需求，有不同的機械結構和電路結構。機械結構可歸納為兩類，一是行走機構，用以驅動和控制移動機器終端在二維和三維空間的移動和轉向;二是執行機構，用以完成機器終端涉及的具體任務，如采集樣本、視覺系統的轉向等。

針對可移動機器終端的典型工作需求，筆者提出一種基于i．MX535 和STM32F103 的通用可移動機器終端控制系統，系統如圖1 所示。

圖1 通用可移動機器終端控制系統

該控制系統以飛思卡爾i．MX535 作為主控制器，用以實現監控系統頂層控制決策，復雜信息處理、導航、無線數據傳輸等功能。i． MX535 以ARM Cortex-A8 為指令構架，主頻1 GHz，通過UART 接口，連接GPS 導航模塊、ZigBee 和GPRS 通訊模塊;同時可以通過SDIO 接口連接Wi-Fi 通訊模塊;可以同時連接兩路CMOS 圖像傳感器。另外，通過i．MX535 的并行I/O、I2C 總線、I2S 總線、USB 接口可方便與各類傳感器連接。在軟件方面，i． MX535 具有強大的多媒體信息處理能力，采用NEON 單指令、多數據的處理器擴展結構，支持MPEG-4、H．264 基準、JPEG、MP3、AAC 等圖像格式，可以對H． 264 和MP3 等媒體編解碼提供加速。

該控制系統采用意法半導體STM32F103xE(增強型)構成前端控制器，該芯片以ARM Cortex-M3 為指令構架，主頻為72 MHz，具有I2C、UART、SPI、CAN、USB 等接口總線，可配置80 個快速I/O 端和3 個ADC(共計21 路輸入通道)。前端控制器承擔可移動機器終端機械系統控制、運動及環境信息感知、行走及機械動作執行器控制等任務。

控制系統配置了多類無線通訊功能。其中，WIFI模塊RS9110-N-11-03 采用SDIO 接口與i． MX535 互聯，采用5 GHz 頻段，兼容802．11a/b/g 和支持單流802．11n。ZigBee 片上系統CC2530 采用8051 為內核，具有適應2．4 GHz IEEE802．15．4 的RF 收發器;GPRS 模塊華為GM323，工作頻段為GSM850/900/1 800/1 900 MHz，CC2530 和GM323 均采用UART 接口與i．MX535 連接。

可移動機器終端的行走部分采用兩輪驅動模式，配合無驅動輔助輪保持機體姿態平穩，通過兩個驅動輪的速度差實現移動機器終端轉向，驅動電機的正反轉控制移動機器終端倒車。本研究采用PMW 信號及H 橋模塊實現對直流伺服電機的控制，PMW 信號由STM32F103 的TIM1 和TIM8 定時器提供。系統采用E6B2-CWZ6C 旋轉編碼器檢測驅動輪的轉速和行程，旋轉編碼器的輸出脈沖通過TIM2 和TIM3 計數器接收。

可移動機器終端的定位信息通過Holux SIRF StarIII 或ENO-6 GPS 導航模塊確定，它們均可通過串行接口與i．MX535 的UART1 連接，采用NMEA0183．22協議傳輸定位信息。

STM32F103 的并行I/O 接口輸出開關量信號，用以控制電磁執行機構或小型直流電機驅動執行機構完成所需要的機械動作。

除采用GPS 外，該控制系統還通過光電、電磁感應等傳感器跟蹤地面所布置的軌跡特征線，進行精確定位。通過i．MX535 的CSI 和I2C 接口，可以連接兩路OV5640 彩色CMOS 攝像頭，CSI 接口用以傳輸圖像數據，I2C 接口則用以接收控制命令。CMOS 攝像頭既可以完成環境或目標物的檢測，也可以用于軌跡跟蹤。攝像頭通過轉向執行機構，可以實現180°旋轉。

2 移動終端的無線接入方法

在圖1 所示控制系統中，可分別或同時使用多種無線接入方法，將自身置于無線通訊網絡中。

通過CC2530 模塊，移動機器終端可接入ZigBee網絡以實現300 m 距離內無線通訊，這種模式功耗低并可支持大量節點和多種網絡拓撲形式，采用IEEE 802．15．4 通信協議(又稱紫蜂協議)，支持250 kbps(全球頻段2．4 GHz)、40 kbps(美洲頻段915 MHz)和20 kbps(歐洲頻段868 MHz)的原始數據吞吐率［2-4］。

圖2 ZigBee 網絡結構

ZigBee 組網方案如圖2 所示。其中:協調器為固定設備，匯聚節點和傳感器節點為移動設備。可移動機器終端可作為全功能傳感器節點(FFD)使用，既可傳遞本體檢測的數據亦可傳遞其他節點發來的數據。移動終端也可作精減功能傳感器節點(RFD)使用，僅限于向其它節點輸出自己檢測到的數據。多個可移動機器終端可組成星型、樹狀和網狀3 種網絡結構，并可通過有線LAN 將局部ZigBee 網連接至中央控制服務器，以實現現場數據的集中處理。

通過華為GM323 模塊，移動機器終端可接入GPRS 網絡。GPRS 面向GSM 用戶，可實現長距離無線通訊，但傳輸速率較低(150 Kbps)，且采用收費機制［5-6］。GPRS 網絡的接入方案如圖3 所示。

圖3 GPRS 網絡結構

GPRS 通訊中，移動機器終端通過GM323 模塊成為移動公司的分站(DTU)，采用動態IP 接入互聯網，多個移動機器終端可以與一臺數據服務中心(DSC)組合構成一個分布式數據采集系統。信息數據由現場移動機器終端上傳到數據中心，數據中心的命令也可無線送達各個移動機器終端。移動機器終端和數據處理中心基于Socket 建立連接，移動機器終端是Socket 客戶端，數據處理中心是Socket 的服務端。Socket 連接有TCP 協議和UDP 協議之分，移動機器終端和數據中心應使用相同的協議，可通過配置軟件進行配置［7］。

移動機器終端通過RS9110-N-11-03 Wi-Fi 模塊接入Wi-Fi 無線網絡，傳輸距離可達到80 m～100 m，使用IEEE802．11 標準，2．4 GHz 頻段，可提供11 Mbps 帶寬，信號較弱時，可自動調整降低帶寬以保證通訊的穩定性和可靠性［8］。Wi-Fi 網絡只需建立熱點(Access Point，接入點)，即可實現設備間的通信。Wi-Fi 網絡的接入方案如圖4 所示。

圖4 WiFi 網絡結構

3 移動監控系統基于XMPP 的通訊

可擴展通訊和表示協議(extensible messaging and presence protocol，XMPP)［9-10］是一種基于SGM 子集XML 的開放式即時通信協議，用以定義XMPP 網絡的基本架構和客戶端與服務器之間、服務器與服務器之間的信息通信細節。擴展協議是對基礎協議的補充，以適應XMPP 在特定領域中的應用。截止到2014年9月底，XEPs 已經超過350 項。

移動監控系統軟件通過XMPP 可以完成移動的人機交互終端、機器終端與服務器之間基于GPRS、WiFi等異構網絡之間的信息通訊。

3．1 移動監控系統的XMPP 通訊方法

XMPP 網絡由XMPP 實體構成，實體包括協調器、中心站點、服務器等異構網絡的數據服務中心，也包括移動機器終端作為XMPP 客戶端。基本的XMPP 網絡由一個服務器和若干客戶端構成。基于XMPP-CORE規定，所有通訊數據須通過服務器中轉。客戶端與服務器基于XML 格式交換數據，其基本語義單位為XML 節，分為message、presence 和iq(Info/Query 的縮寫)3 類，分別對應“推送”、“發布-訂閱”與“廣播”和“請求-響應”機制。XMPP 客戶端-服務器交互示意如圖5 所示。

圖5 XMPP 客戶端-服務器交互示意圖

3．2 移動機器終端使用的物聯網擴展協議

移動機器終端基于XMPP 實現客戶端-服務器通訊時，需使用XMPP 關于物聯網的擴展協議。其中XEP-0323 描述傳感器數據通信的基礎框架以及基本數據模型;XEP-0324 描述網絡的訪問控制管理;XEP-0325 描述控制機制;XEP-0326 描述集中器的管理;XEP-0347 描述機器終端接入XMPP 網絡的方法［11-15］。

3．3 人機交互終端從機器終端獲取數據

人機交互終端請求讀取機器終端數據的過程如圖6 所示。與其對應的XML 報文細節如下:

圖6 人機交互終端請求讀取機器終端數據的過程

3．4 人機交互終端對機器終端的控制

人機交互終端通過向機器終端發送控制命令(Control Commands)來控制機器終端工作，有兩種不同的控制模式，具體如圖7 所示。

(1)采用message 類的XML 節實現簡單模式(請求無需響應):

(2)采用iq 類的XML 節實現請求-響應模式:

圖7 人機交互終端對機器終端的控制

4 移動監控系統的應用案例

4．1 倉庫安全巡檢移動機器人案例

一種倉庫安全巡檢機器人的系統結構圖如圖8 所示。該機器人在圖1 所示通用可移動機器終端平臺基礎上搭載了紅外溫度傳感器、離子式煙霧傳感器、催化燃燒式氣體傳感器、電化學式氣體傳感器和視頻攝像頭，用以巡檢監控化學品倉庫中的容器和管路可燃或有毒氣體、液體的泄露，以及發現存在高溫隱患的部位。

巡檢機器人采用蓄電瓶供電，電氣及驅動部分采取防爆安全設計，其通過GPS 導航和電磁引導方法，沿事先設計的巡檢線路自主行走，通過GPS 導航方法定位所發現隱患點的位置坐標，用以對化學品倉庫進行巡檢。

隱患點的判斷有兩種方法，一是基于檢測數據與標準閾值的對比;二是基于安全巡檢機器人每次途徑同一坐標點是檢測數據和圖像的變化。

安全巡檢機器人的檢測數據和圖像，可通過GPRS 和ZigBee 等移動互聯網，無線傳遞至監控中心平臺。本研究定義機器人狀態包格式和現場控制指令包格式，通過XMPP 協議按字節流實現數據的無線傳遞。視頻攝像頭通過實時傳輸/實時傳輸控制協議(RTP/RTCP)，實現視頻數據流的傳輸。RTP 實現實時數據傳輸，RTCP 提供流量控制和擁塞控制，確保數據包可靠傳送。通過將RTP 和RTCP 配合，能以有效的反饋和最小的開銷使傳輸效率最佳化。

4．2 電子標簽巡檢移動機器人案例

電子標簽巡檢機器人采用通用可移動機器終端平臺，搭載超遠程電子標簽閱讀器、光電傳感器、視頻攝像頭，用以盤點倉庫貨架上對應貨物的種類和存在與否，確定貨物存放的具體位置，并將巡檢結果通過無線網絡傳輸給倉庫管理中心服務器。巡檢機器人的系統結構圖與圖8 類似。

電子標簽讀寫器采用遠睿通IVT920-4A 讀寫器，通過RS-232 與通用可移動機器終端平臺中i． MX535的UART 接口連接進行數據通信。該讀寫器采用Intel的Impinj Indy 讀寫器芯片R2000，工作頻段920 MHz～925 MHz，具有先進的抗干擾性，通過防碰撞性DRM算法，每秒可處理超過250 個標簽;具有超高靈敏度，讀取距離超過12 m。

本研究通過GPS 導航、光電傳感器和視頻攝像頭，保證巡檢機器人按設定的巡檢路徑進行巡檢，并基于GPS 導航、光電傳感器和視頻攝像頭確定貨物位置坐標，巡檢機器人保持與被檢貨架相距0．5 m 左右的距離，可以感應到高達10 m 的貨架頂端的貨物箱體的電子標簽，并可同時讀取多達250 個標簽的標識數據。貨架上按一定距離間隔，布局定位電子標簽，定位電子標簽確定了貨架的空間位置基準。

5 結束語

本研究提出了一種通用可移動機器終端，該終端可采用多種無線網絡接入方法。其中:ZigBee 接入方法，支持多個移動終端實現自組網，可基于位置關系以及遠近優選數據傳輸路徑;GPRS 接入方法不需固定占用無線信道，可融合有線網絡和無線網絡進行移動終端間超遠程數據傳輸;Wi-Fi 接入方法，通過熱點模式建立局域無線網絡，并可以借助熱點與有線網絡的連接實現局域無線網絡之外的超遠程數據傳輸。該系統采用XMPP 的信息通訊模式，不但支持基于ZigBee、GPRS 以及Wi-Fi 同構無線網絡數據傳遞，還可應用于不同接入方法的移動終端在異構移動網絡之間的信息通訊。

本研究給出了兩個應用實例，通過采用本研究提出的通用可移動機器終端為基本平臺，配置相應的擴展器件，構建倉庫安全巡檢移動機器人和電子標簽巡檢移動機器人，實現對倉庫安全和貨架貨物的移動巡檢。

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