基于STM32的移動多終端環境監測系統

Mobile Multi-terminal Environment Monitoring System Based on STM32

魏阿勇　凌志浩　葉西寧

(華東理工大學信息科學與工程學院，上海　200237)

基于STM32的移動多終端環境監測系統

Mobile Multi-terminal Environment Monitoring System Based on STM32

魏阿勇凌志浩葉西寧

(華東理工大學信息科學與工程學院，上海200237)

摘要：針對獲取危險場所和未知地域環境信息的應用需求，提出并設計了一種基于嵌入式系統的移動多終端環境監測系統。攜帶多種環境檢測傳感器的多個自主避障移動終端，根據移動規則遍歷搜索環境，在不同的位置反饋環境信息數據；隨后這些數據被用于構建實時環境信息分布圖。仿真和實際運行效果證明，系統可以有效檢測未知環境，呈現可靠的環境信息分布圖。由系統原理和效果可以推斷經進一步改進后的系統可應用于諸如氣體泄漏檢測、未知探險、密閉環境監控等應用場所。

關鍵詞：移動多終端ZigBee無線傳感網絡環境檢測信息分布

Abstract：In accordance with the applicable demands for obtaining environment information of hazardous locations or unknown regions, the mobile multi-terminal environment monitoring system based on embedded system is proposed and designed. Multiple autonomous obstacle avoidance terminals carrying various kinds of environment detection sensors traversal search environment based on move rule, and feedback environmental information data at different locations, then these data are used to construct real time environment information distribution graphic. The effects of simulation and practical operation of the system verify that the system can effectively detect unknown environment, provide reliable environment information distribution graphic. From the principle of system and the effects, it is inferred that after further improvement, the system can be applied in detecting gas leakage, unknown explorers,monitoring confined environment, etc.

Keywords：Mobile multi-terminalZigBeeWSNEnvironment detectionInformation distribution

0引言

化工廠毒害氣體泄漏后需要規劃緊急救援或疏散的通道；突發地震、塌樓等災害事故之后，需要快速探測生命跡象；在放射源外泄的情況下，需要及時掌握射線強度分布，追蹤放射源；在諸如行星探測、未知環境探險、軍事偵查等應用情況下，需要及時感知對象環境以便采取措施。因此，快速監測未知環境，并構建環境信息分布圖，具有重要的研究意義和實現價值。

由于無線傳感網絡節點需要人工提前安裝；節點監測點位置固定和感知范圍有限；網絡對于節點移動的適應性和容錯性較差等缺陷，因而無法適用于突發的動態環境，檢測人員不便到達區域的檢測。如果使用機器人或者自主移動智能終端代替人員，攜帶無線檢測傳感器或儀器，進入待檢測環境展開工作，則可以有效實現無線傳感網絡的自主移動功能。這樣檢測節點可以在三維空間自主移動定位，極大方便特殊環境下的傳感網絡布置，通過節點移動有效應對環境變化，并且可以通過節點的移動來增加網絡覆蓋范圍。

現代人工智能技術、傳感器技術以及控制理論的日趨成熟，移動自組織網絡技術快速發展，為移動無線傳感網絡和智能終端技術相結合的系統實現提供了可能[1-3]。

1系統結構

基于應用需求及技術的可實現性，針對一個二維平面有限范圍未知環境的溫、濕度和空氣質量信息監測，本文提出了一種移動多終端環境監測系統。系統設計了能夠自主運動的多個終端，借助無線通信系統，攜帶環境檢測傳感器在被測環境中運動。這樣既可以實現無線傳感網絡的快速部署，也可以按照設定的檢測密度，覆蓋搜索整個環境區域，并實時返回信息數據。根據返回的環境信息數據，就可以在上位機上構建環境信息分布圖。

監測系統的設計內容主要包括：搭建三個移動檢測終端；構建無線網絡，實現檢測終端之間以及終端和監控中心之間的通信；開發上位機軟件、遙控終端，處理數據和最終顯示溫、濕度分布圖等。系統設計結合了無線傳感網絡、嵌入式終端的數據處理以及智能化終端的移動控制等多方面技術，系統結構框圖如圖1所示。圖1中，三個小車代表移動終端，其上攜帶了環境檢測傳感器，通過無線通信網絡和上位PC連接通信。

圖1　設計結構框圖

設計的終端具有半自主、半受控的特性，既可以在未知環境中實現一定的避障行駛功能，又能夠在接受外部遙控的情況下行駛[4]，單個終端設計框圖如圖2所示。終端攜帶運動檢測傳感器檢測自身運動狀態；攜帶路況檢測傳感器感知路況；攜帶環境檢測傳感器感知環境。根據設定的終端運行規則以及檢測到的終端自身運行狀態和路況信息，由微控制器處理并輸出控制信號，調整終端的運動模式。環境檢測傳感器感知的環境信息，上傳到微控制器，由微控制器進行數據處理，并通過無線通信層將數據發送給上位PC。當需要遠程遙控終端運動狀態時，上位PC通過無線網絡將命令信息發送到終端，由微控制器從終端的無線通信層獲取命令。終端根據微控制器接到的上位機命令信息，調整終端的運作。

圖2　終端設計框圖

2系統終端設計

2.1　檢測終端硬件

根據圖1和圖2，本系統具體設計中采用四輪驅動車底盤作為移動終端平臺，其他部件都在此平臺上搭建。全車采用7.2 V鋰電池供電，底盤車是四輪驅動。使用水平安裝的陀螺儀傳感器，檢測移動終端轉彎的轉向角，使用光柵傳感器檢測移動終端的行駛速度(通過對速度數值的累加得到移動終端的行駛距離)，陀螺儀和光柵傳感器作為自身狀態傳感器。采用超聲波距離傳感器作為路況檢測傳感器，檢測未知環境中的障礙物信息。終端根據障礙信息，按照一定的規則合理避障。此外，設計中采用集成的溫、濕度傳感器和空氣質量傳感器感知環境信息。

2.1.1終端微控制器

終端控制器選擇ST公司Cortex-M3系列的微處理器STM32F103C8T6作為其主控制器，負責終端的傳感器數據采集、處理。STM32F103xx具有高性能的ARM Cortex-M3 32位的RISC內核，工作頻率達到72 MHz，內置高速存儲器(高達128 kB的閃存和20 kB的SRAM)，具有豐富的增強I/O端口和連接到兩條APB總線的外設。其包含了2個12位的ADC、3個通用16位定時器和1個PWM定時器，同時具有標準和先進的通信接口：I2C、SPI、USART、USB和CAN總線等。

2.1.2終端電機驅動

驅動模塊使用L298N雙全橋驅動模塊，1個模塊可以驅動2個電機。通過控制器輸出不同占空比的PWM波來控制驅動模塊的通斷，從而控制電機轉速；雙向導通驅動模塊實現電機正反轉。使用2個L298N模塊即可驅動底盤車4個電機，且每個電機的工作狀態都相互獨立。調節不同輪子的轉向和轉速，可以實現車輛快速加減速、原地任意角度轉向。

2.1.3環境感知傳感器

終端攜帶溫、濕度和空氣質量兩種傳感器，用于感知環境。溫、濕度檢測使用DHT11型傳感器，溫度量程為0～50 ℃，濕度量程為20～95%RH，輸出數字量。通過軟件的編程設置，讀出傳感器輸出的溫、濕度數據，在微控制器上對數據進行一定的換算、修正，即得環境真實溫、濕度數據。

空氣質量傳感器是一種半導體氣體傳感器，能夠感知空氣中的多種有毒和易燃氣體，然后將檢測出的氣體轉換為電阻值的變化。通過A/D采樣該電阻上的壓降，推算空氣質量的等級，然后按等級劃分。

2.1.4避障檢測

超聲波傳感器是一種頻率高、方向性好的定向距離檢測傳感器，可用于移動終端的避障檢測。設計使用中，首先測出超聲波從發射到遇到障礙物返回所經歷的時間，再乘以空氣中聲音傳播的速度就得到二倍的聲源與障礙物之間的距離。采用上下兩層超聲波傳感器，以檢測不同高度的障礙物，減少檢測盲區；將超聲波傳感器安裝在舵機上。隨著舵機在0~80°的空間里轉動時帶動超聲波傳感器檢測正前方左右各90°內的障礙物信息，并保存數據等待處理[56]。

根據舵機轉向不同角度的超聲波傳感器檢測的距離值，就可以判斷在移動終端的不同方位上障礙物情況，并據此分析判斷下一步的移動方向。在超聲波傳感器轉動角度范圍內劃出5個方向，并且賦予每個方向不同的優先級。移動終端在每次檢測完障礙物之后，按照優先級選出無障礙方向作為下一步運行方向。

2.2　終端軟件實現

終端軟件具體負責整個終端的運動控制、通信控制、驅動傳感器、采集數據等工作。下位機軟件使用嵌入式C語言在Keil編譯環境中編寫，軟件功能框圖如圖3所示。

圖3　終端軟件框圖

本系統的終端不僅需要完成終端的移動控制、避障檢測、環境感知、無線通信、數據處理等任務，并且要求具有一定的實時性，一般的單線程微控制器很難滿足上述要求。所以需要移植μC/OS-II嵌入式操作系統，實現一定的任務調度與分配工作。

μC/OS-II是一種可移植的、可裁剪的、搶占式的實時多任務操作系統內核，是專門為計算機的嵌入式應用設計的，具有執行效率高、占用空間小、實時性能優良和擴展性強等特點。μC/OS-II基于任務優先級調度提供最基本的系統服務，如任務管理、時間管理、通信管理、內存管理、中斷管理等。

#define jiance_task_prio9

#define jiance_stack_size 64

OS_STK jaince_task_stack[jiance_stack_size];

voidjiance_task(void *pdata);

上述代碼為在μC/OS-II操作中系統創建某個具體優先級任務的代碼。根據功能需求，按照上述代碼在μC/OS-II中建立多個任務，每個任務負責不同的功能。在μC/OS-II內核的調度下，任務之間按照時間片獲得CPU的控制權。這樣不但可以保證各個任務具有一定的實時性，并且具有類似多任務并行工作的效果，充分利用CPU。

3網絡設計

3.1　ZigBee無線網絡設計

本系統中的網絡不僅承擔傳感數據的收發，還要充當移動終端的命令通信系統。鑒于ZigBee技術在無線傳感網絡中已經有大量成熟的應用實現，故本系統采用ZigBee通信模塊構建無線通信局域網。

ZigBee通信模塊基于802.15.4通信協議，采用2.4 GHz免費頻段，實現低功耗、大量節點的無線自組織網絡，通過多跳方式傳遞數據。設計中采用TI公司開發的CC2530 ZigBee模塊，并集成z-stack協議棧。為提升通信模塊的傳輸距離(≥300 m)和穿透能力，添加CC2591功放模塊，可以基本滿足一定區域有限范圍內的通信需求。

由于在多終端運動過程中，網絡節點的位置一直在變化，所以將網絡結構設計成Mesh結構，這樣可以減少由于終端移動產生的通信不穩定。Mesh網絡結構中各個節點的地位是平等的，每個節點都可以與一個或者多個對等節點進行直接通信，通過多跳路由的方式最終到達指定目的節點，其拓撲結構如圖4所示。設計中將全功能模塊協調器作為網絡中普通的節點，但是其負責網絡的構建與維護。協調器作為上位機PC的一部分，設置在監控PC機旁，不移動，隨時將獲取的數據發送給PC機。

圖4　Mesh網絡拓撲結構圖

將移動終端使用的ZigBee模塊設計為全功能模塊路由器，在z-stack協議棧的支持下實現多跳路由。終端主要實現和監控中心之間的通信，其使用的ZigBee模塊主要是和充當協調器的ZigBee模塊之間數據互發。在終端移動過程中，終端使用的ZigBee模塊發送的數據可以通過其他終端的ZigBee多跳路由傳至協調器。網絡中通信的數據主要包括：終端上傳的自身編號、自身移動角度和移動速度，以及采集到的溫濕度數據等和協調器下傳的終端控制命令等，數據按照一定的數據格式傳輸。

終端ZigBee模塊通過串口引腳與終端的STM32控制器連接通信，STM32控制器將需要上傳的數據通過串口傳給ZigBee模塊，ZigBee模塊將數據發送到協調器。協調器下發的控制命令先發送到終端ZigBee模塊，再由ZigBee通過串口接口傳送給STM32控制器。

3.2　協調器設計及數據傳輸方式

協調器負責整個無線網絡的建立與維護，終端節點加入網絡后，協調器會為各個節點分配網絡地址。各終端將自身網絡地址發送給協調器后，協調器就知道具體終端節點的地址，就可以直接向各個地址發送數據了。協調器的地址固定為0x0000，這樣移動終端就可以直接向協調器地址發送數據。協調器通過串口與PC機相連，在PC機上開發上位機軟件。軟件通過讀取串口來獲得協調器傳送上來的數據，也通過串口將數據傳送給協調器，發送給各個移動終端。

4移動終端控制規則

4.1　終端運行規則

終端運行規則如圖5所示。各個移動終端獨立運行，以間隔固定距離的方式，向著目標點直線行駛。本次行駛完，短暫停車，期間環境檢測傳感器感知本坐標點環境信息，并將環境信息數據和坐標點數據通過無線網絡上傳至協調器。協調器將數據上傳至PC上位機，上位機對數據進行存儲、處理并顯示[7-9]。

圖5　移動終端運行流程圖

暫停期間超聲波感知在下一步運行的范圍內，各方向上是否存在障礙物，并根據方向優先級選擇一個無障礙物的方向作為下一步的方向。按照固定距離計算目標點坐標，將坐標數據和所有可行的無障礙物方向數據發送給上位PC，詢問該坐標是否已經在搜索過的區域內。如果已被搜索則換另一個方向，繼續判斷，直到找到合適的方向，繼續前進。前進過程中，微控制器根據速度和角度傳感器反饋的實時數據，閉環控制移動終端運動[7]。

上位PC搜集并存儲了所有終端在移動過程中反饋的坐標點和各點的障礙物信息。當有新的終端返回其下一個目標點的坐標時，上位PC通過計算該點與以往走過的所有點的距離是否小于終端每次設定的固定距離，判斷該目標點是否已被搜索過。當終端各個方向上都已經被搜索過或者存在障礙物時，向上位PC請求一個新的坐標點。在這種情況下，上位PC根據該終端上傳的目標位置，依次判斷出該終端之前走過的坐標點的可運行方向上是否具有無障礙且沒有被自己和其他終端搜索過的未知坐標。如有，將坐標信息發送給該終端，使其徑直運動到該坐標點，并按照上述規則繼續運行。終端一旦遇到突發狀況或者進入死胡同無法擺脫，則可通過上位機判斷，并遙控其運行擺脫。

4.2　虛擬坐標系建立和新坐標點計算

移動終端坐標點計算示意圖如圖6所示。圖6中，空心、黑色、灰色三種圓圈分別代表三個不同的移動終端。出發前，靜止狀態下，以其中一個主終端(空心圓圈)為原點，構建垂直的虛擬平面坐標系并固定，則主終端的初始坐標為(0,0)。然后根據其余兩終端相距主終端的距離和角度，計算出兩個終端在該坐標系中的初始坐標位置。如黑色終端的初始坐標(x3,y3)可由主終端的初始坐標(0,0)、距離L2和方向角φ2計算得出。

圖6　移動終端坐標點計算示意圖

終端開始移動以后，每個時刻就以該終端上一個時刻的坐標位置，配合本次運行的角度和距離，計算出新的位置坐標。如黑色終端新時刻的位置坐標(x3′,y3′)可由上一時刻坐標(x3,y3)、行駛距離L3和形式方向角φ3計算得出。所以只要確定出發前靜止狀態的坐標，然后各終端根據下一個可行方向的角度和設定好的間斷距離，即可計算出下一個目標點，并發送給上位PC。

從終端開始工作算起，PC存儲了各個終端、各個時刻的坐標。每次終端目標點位置更新，通過判斷與其他已被檢測過的坐標點的距離是否小于設定的檢測密度所要求的距離，來確定新的目標點是否已經被檢測過而無需再檢測。

5系統結果及運行分析

5.1　系統設計結果

在PC機上開發上位機軟件，一方面負責遙控移動終端，另一方面負責移動終端發送過來的數據存儲、處理和顯示。將PC機存儲的坐標數據和相應坐標點的溫、濕度和空氣質量數據結合起來作圖顯示，便可形成環境信息分布圖。本系統共設計采用三個移動終端，依次編號，上位機軟件根據終端編號來區分不同終端。

5.2　系統運行效果

為了對本文中設計的多終端環境監測系統及算法性能進行分析，本節利用Matlab軟件對監測系統進行仿真。仿真中，通過軟件模擬一個虛擬的待搜索空間和多個障礙物，并模擬三個移動終端按照第4節設定的運動規則，在該虛擬空間內同時運動，統計并記錄運行一定時間之后的結果。運行結果表明多個移動終端可以有效地避開障礙物，并且盡量不重復地搜索整個虛擬空間，三個終端都分別承擔了較多的工作量，各司其職。

為了檢驗本系統運作的性能及可靠性，實際運行本系統。在一個放置了障礙物的未知環境中，實際運行設計的系統。將運行的結果在上位PC上作圖顯示，在圖上使用不同顏色的圓圈代表不同機器人在各時刻的檢測點位置，每個圓圈中都可以顯示該位置點的溫、濕度和空氣質量數據，形成一幅完整的針對該被測環境的信息分布圖。由實際運行的效果圖可知，系統運行基本達到了設計要求，實現了對于未知環境的信息分布探測，并且檢測點重復少，檢測覆蓋面積大。

6結束語

本文為了解決掌握未知環境溫、濕度和空氣質量的分布狀況的應用需求，設計了基于無線傳感網絡的移動多終端監測系統。通過仿真分析與系統實際運行效果的對比說明，系統基本達到了設計目的，可以穩定工作，客觀反映環境信息狀況。本文設計的監測系統可以通過改變終端攜帶的傳感器類型、終端數量等，應用于不同的場合：如攜帶溫、濕度傳感器，可用于花房中不同房室溫濕度的檢測；攜帶氧氣、CO、瓦斯等氣體濃度檢測傳感器可用于諸如地窖含氧量分布、礦井危險氣體濃度分布等的快速檢測等[4-5]。

參考文獻

[1] 高杉,葉強.基于ZigBee無線傳感器網絡的氣體濃度監控系統設計[J].現代電子技術,2009,32(23):118-120.

[2] 許建新.工業無線網絡實時通信的研究與開發[D].杭州：浙江大學，2008.

[3] 王鋼,李鵬.WSN環境監測系統節點功耗與能量預警研究[J].計算機與現代化,2010(5):125-126.

[4] 邢濤.工業現場有毒氣氛環境監測系統的研究[D].哈爾濱：哈爾濱理工大學,2009.

[5] 趙德月.基于MSP430F2012單片機的煙霧傳感器設計[J].工礦自動化，2011(8):110-112.

[6] 蘇麗穎,曹志強,王碩,等.多機器人對未知環境進行實時在線探測的一種方法[J].高技術通信，2003,13(11):56-60.

[7] Ahmet Y,Gokhan K,Osman P,et al.A dynamic path planning approach for multi-robot sensor-based coverage considering energy constraints[C]//IEEE International Conference on Intelligent Robots and Systems,2009:5930-5935.

[8] Sebastian T,Wolfram B.A real-time algorithm for mobile robot mapping with applications to multi-robot and 3D mapping[C]//IEEE International Conference on Robotic & Automation,2000:321-328.

[9] 蘇相國,樊繼壯,臧希喆,等.改進的多機器人協作探索策略研究[J].哈爾濱工程大學學報,2010,31(3):371-376.

[10]辛欣,游雄,衛偉,等.基于便攜式移動終端的虛擬地理環境協同感知問題研究[J].測繪工程,2010,19(5):24-28.

中圖分類號：TP273

文獻標志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201503011

修改稿收到日期：2014-09-16。

第一作者魏阿勇(1990-)，男，現為華東理工大學控制科學與工程專業在讀碩士研究生；主要從事嵌入式系統和物聯網技術的研究。