基于Wi-Fi的智能機器人監控平臺

翟亮森 陳奎 黃琨 王順

摘要

無線W1-Fi技術和嵌入式技術在現代監控系統中起著越來越重要的作用。本文給出一種基于Wi-Fi與Cortex-M3的智能監控機器人平臺的設計方案。系統主要由驅動電機、攝像頭、超聲傳感器、電子羅盤、Wi-Fi模塊組成，通過Wi-Fi由手機APP或PC界面進行無線控制。實驗表明：系統在滿足高效低能的同時，可實現對特定場合進行無線圖像監控與超限預警。

【關鍵詞】Wi-Fi 智能監控 Cortex-M3

無線通信技術發展和深入應用使傳統監控平臺擺脫了電纜的束縛，可以通過無線網絡、Wi-Fi進行信息交互。智能機器人監控平臺在實際工作中需要面對各種復雜工作條件，傳統的有線通信方式顯然無法勝任。因此，國內外對基于遠程無線控制的智能機器人監控平臺的研究逐步深入，相繼開發了具備圖像交互、自動導航、自動監控等功能的機器人平臺。

本文給出一種基于Wi-Fi與Cortex-M3的智能機器人監控平臺的設計方案。監控平臺以兩輪小車為受控對象，可以自主運行，也可以通過手機APP或PC控制其自由移動和數據采集，適用于特殊工作場合內的環境、工況進行實時監控。監控獲取的圖片、視頻和傳感數據在手機APP或PC上存儲。實驗表明：系統在滿足高效低能的同時，可實現對特定場合進行無線圖像監控與傳感數據超限預警，控制方式具有自主和受控兩種方式。

1 相關技術與平臺設計

1.1 無線通信及其標準

Wi-Fi（Wireless Fidelity）是一種面向無線局域網的無線通信技術，采用IEEE802.11b標準方便局域網內終端間的無線互連與互通。Wi-Fi具有組網便捷、移動性好、可靠性好、傳輸速度快、高性價比等特點，已成為無線局域網主要的國際標準之一。在特殊場合的監控中，通過合理部署的網絡接入點AP（AccessPoint）可實現大范圍內的通信覆蓋。

1.2 通信方式與控制方式

系統遠程控制方式，選取小車作為服務器端，PC與手機APP為客戶機端。包括傳感器信息和攝像頭圖像作為下行數據從小車平臺實時傳輸到PC或手機。上行數據主要是離散的人工控制信息，控制小車移動。

小車平臺移動控制方式分為主動障礙規避，人工輔助控制兩種。人工輔助控制所需控制信息通過PC或APP發送。

1.3 監控平臺設計方案

平臺組成主要包括三個部分，即裝載了攝像頭、傳感器等信息采集裝置的移動小車平臺，控制小車平臺且實現數據管理的PC應用程序、智能手機及其APP.移動小車平臺通過車載傳感器、攝像頭采集環境信息，通過Wi-Fi發送至手機與PC控制端應用程序。系統組成如圖1所示。

圖1中Wi-Fi模塊通過串口與Cortex-M3連接，數據波特率最高可達46kbps，傳輸速率為46k/8/1000=57.6kb/s，可以滿足攝像頭實時圖像和少量傳感器信息的傳輸。

移動機器人平臺采用兩軸輪式驅動，主要包絡ARM Cortex-M3，H橋電機驅動、OV7670攝像頭、攝像頭擺動控制舵機、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 機器人平臺實現

2.1 系統硬件設計

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

移動機器人采用兩軸驅動小車，包括MCU、電機驅動、攝像頭、攝像頭角度控制舵機、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。

作為監控平臺的小車，具備正常自主導航、障礙規避能力。自主導航是按照設定位置自主移動并進行安全監測與報警。系統巡航時通過超聲傳感器檢測周圍環境，控制舵機規避障礙。視頻與圖像采集由攝像頭完成，該攝像頭通過舵機實現任意角度拍攝。圖片獲取后采用JPEG壓縮格式發出，其數據量只有4～6KB左右。圖2為智能機器人平臺實驗樣機。

設計采用兩路串口進行數據傳輸，串口1為高速串口，波特率460800bps，串口2普通串口，波特率9600bps。電機控制PWM默認上電后占空比不是0，而是有一較小值以抵消啟動阻力，達到平穩控制。

2.2 系統軟件設計流程

CortexTm-M3核心控制軟件包括小車前進、后退、舵機旋轉、攝像頭轉換、攝像頭數據獲取與發送、超聲傳感器和電子羅盤數據獲取、以及PC或手機APP控制命令的接收與解析。

小車監控平臺運行方式包括自主運行，實時監測、命令接收與解析、數據回傳。小車控制流程如圖3所示。系統初始化后各主要模塊進行自檢，然后等待PC或手機APP信息。沒有信息則進入自主模式。否則解析獲取到信息，按照命令內容進入相應動作設置。

對小車平臺的控制命令有多種，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AA-AF對應舵機、電機、燈光、攝像頭、信息獲取、停止。數據第1字節8X/4X對應起停;03E8-07D0代表角度值;00-FF表示調速PWM、亮度、或采樣間隔;01-02表示前后、單張或連續。詳細命令如表1所示。

對小車平臺返回數據包括傳感器數據、圖像數據，其格式為：FE-XX-XXXX-X-ED，具體如圖5所示，包括頭部尾部信息，數據含義、數據長度和數據及部分。

2.3 控制端人機界面設計

系統控制端手機APP通過Android開發，用來遠程控制智能機器人平臺。如圖6所示，可通過手機界面實時控制平臺的前進后退、轉彎、攝像頭的轉換角度、攝像頭數據的獲取與發送和對超聲波和電子羅盤數據的獲取等。同時，手機加速度傳感器信息按照圖4格式編碼后可實現對小車的控制，進一步增強平臺的操作性。PC端界面、功能與此類似，采用LabVIEW設計。

3 結語

文中給出一種基于兩輪小車監控平臺的設計方法，可實現自主運行和受控運行。平臺采集環境信息和圖片信息并對環境信息進行閾值判定與遠程報警。為此，詳細設計與實驗了遠程控制收發信息的命令格式或私有協議。實驗驗證系統運行正常、可靠、信息收發準確、小車控制靈活方便。基于此平臺，配置不同的傳感器可完成一定的監測監控任務，PC端利用機器學習和深度學習算法可進一步提升系統的智能化水平。

參考文獻

[1]孫浩.基于Wi-Fi技術和Android系統的智能家居系統設計[D].中國礦業大學，2014.

[2]卞秀輝.基于Wi-Fi的智能移動機器人控制系統設計[J].工業控制計算機，2016，29（04）：152-153.

[3]鐘翔，佃松宜，王德玉.基于智能手機遠程監控的倒閘服務機器人系統[J].兵工自動化，2017，36（05）：66-72.

[4]夏則恒.基于Wi-Fi的遙操作移動機器人研究[D].南京林業大學，2016.

[5]張浩華等.基于Wi-Fi技術的智能搜救機器人[J].智能計算機與應用，2016，6（02）：78-81.

[6]勾慧蘭，劉光超.基于STM32的最小系統及串口通信的實現[J].工業控制計算機，2012，25（09）：30-32.

[7]胡國梁.智能家庭服務監控機器人的避障實現與路徑規劃研究[D].山東大學2014.

[8]艾山.智能服務機器人結構設計及控制研究[D].哈爾濱工程大學，2013.