基于ARM的建筑能效数据采集机器人设计*

孙富康,方潜生,张 毅,高武双,陈 燕,张红艳

(安徽建筑工业学院 智能建筑实验室,安徽 合肥 230022)

既有建筑的节能改造是我国建筑节能工作的重点内容之一。检测既有建筑的围护结构热工特性、室内温湿度和光照度等信息是评价既有建筑能效指标的主要手段，也为既有建筑的节能改造直接提供数据支持。本文介绍一种在建筑物内部应用于建筑能效数据采集任务的履带机器人设计方案。在安装了传感器结点的建筑物内，该履带机器人将遍历所有的无线传感器信号覆盖区域，采集所有的传感器数据。

1 RSSI技术与惯性导航系统

1.1 RSSI 技术

式中，A为射频参数，n为信号传输常数，d为距发射节点的距离。在计算时，A和n的取值是一个关键的问题；不同的取值对测距的误差影响很大。实际测算RSSI数值时，为了使模型能够尽量真实地反映出无线信号在当前空间环境中的传播特性，需要对A和n进行优化以得到最适合该室内环境情况的参数值[2]。

应用RSSI技术定位的三个步骤：采集RSSI数值；根据信号传播模型和RSSI数值计算距离；结合距离参数进行定位计算。目前，RSSI的数值可以依靠芯片自身的功能获取，如美国TI公司生产的CC2431就可依靠芯片中植入的ZIGBEE协议来获取RSSI强度数值。

1.2 惯性导航系统

惯性导航系统（INS）是一种不依赖于外部信息、不向外部辐射能量的自主式导航系统。惯性导航系统利用安装在运载体上的陀螺仪和加速度计来测定运载体位置。其中，陀螺仪测定航向和姿态角，加速度计测量运动体的加速度[3]。

2 机器人控制系统

2.1 机器人整体结构设计

机器人设计为履带式结构，外观尺寸为：600 mm×450 mm×300 mm。在设计中，机器人外壳采用具备良好机械性能和尺寸稳定性的工程塑料 （ABS）材质。直流电机安装于机器人前侧，左右各置一只。机器人控制系统安装于运动底盘上方，并通过金属支架固定。

2.2 机器人控制系统组成

机器人控制系统包括处理器、电机控制、无线通信、传感器和电源模块,如图1所示。其中,处理器选用ARM11芯片S3C6410；电机控制模块采用大功率MOSFET搭建H桥控制电路实现直流电机的

控制；传感器模块包括陀螺仪、加速度计和车速传感器，其中陀螺仪采用 HMC5883L，加速度计采用MMA7261QT，车速传感器采用AB相增量型旋转编码器；电源模块包括一个12 V 6 800 mA/h和一个7.2 V 4 400 mA/h的锂电池，其中12 V锂电池为两个直流电机提供电源，7.2 V锂电池为直流电机以外的控制芯片和电路提供电源。

2.2.1 主要芯片

(1)S3C6410

S3C6410是三星公司生产的16位RISC ARM11处理器芯片。S3C6410包含TFT24位真彩色液晶显示控制器、系统管理器 （电源管理等）、4通道 UART、32通道DMA、4通道定时器、通用的 I/O端口、I2S总线接口、I2C总线接口、USB主设备、高速多媒体卡接口和用于产生时钟的 PLL[4]。

(2)CC2431

CC2431是美国TI公司生产的一款系统芯片 (SoC)芯片。该芯片整合了ZigBee射频(RF)前端、内存和微控制器。内置一个8位 MCU（8051），具有 128 KB可编程闪存和8 KB的RAM。CC2431芯片集成了模拟数字转换器、定时器、AES128协同处理器、看门狗定时器、32kHz晶振的休眠模式定时器、上电复位电路、掉电检测电路以及21个可编程I/O引脚。与CC2430相比较，CC2431具有一个基于IEEE802.15.4的无线定位引擎，该引擎可以实现0.25 m的定位分辨率和3 m左右的定位精度[5]。

(3)电机驱动

电机驱动电路采用H桥控制电路，如图2所示。电机驱动电路中的H桥电路使用4个N沟道IRF3205 MOSFET搭建[6]。电机控制电路使用不同的电源与控制系统中的其他电路相隔离。

2.2.2 主要传感器

(1)电子罗盘

机器人控制系统中的电子罗盘采用霍尼韦尔公司生产的HMC5883L。HMC5883L是一种弱磁传感器芯片，可广泛应用于低成本罗盘和磁场检测领域。HMC5883L芯片能使罗盘精度控制在1°～2°[7]。HMC5883L与S3C6410之间电路如图3所示。

(2)加速度计

MMA7260QT是Freescale公司生产的一款三轴加速度计芯片[8]。MMA7261QT采用了信号调理、单极低通滤波器和温度补偿技术，并且提供4个量程可选，分别是 2.5 g、3.3 g、6.7 g和 10 g。 由于 MMA7261QT 输出的X、Y和Z轴的加速度数值是模拟量，因而在处理器S3C6410与MMA7261QT之间需加入一个A/D转换模块，将X、Y和Z轴的模拟加速度数值转换成数字量再输出给S3C6410芯片。

(3)车速传感器

系统中，车速传感器采用增量型旋转编码器。该增量型旋转编码器每转400个脉冲,最大机械转速为10 000 r/min，响应频率最大为 20 kHz。

2.3 机器人控制策略

机器人在布置了无线传感器结点的室内环境中运行。这些无线传感器结点不仅采集建筑能效数据，同时还作为机器人定位时计算RSSI数值的参考结点。在环境中，已知无线传感器结点的绝对坐标，机器人在运行中可实时接收周围结点的定位数据(RSSI数值)，同时联合车载的INS系统实现定位和路径规划[9]。机器人运行时的程序流程如图4所示。运行时，由于传感器和RSSI数值均会产生一定的误差,机器人确定目标位置后，将采取实时姿态调整策略，即机器人行驶ΔT时间后重新定位自身的新位置，再生成新的路径规划方案、调整姿态继续行驶,并如此往复，最终达到目标位置[10]。

图4 机器人运行程序流程图

本文为室内机器人控制设计提供了一种硬件设计方案。该机器人采用履带机器人的结构，利用ARM作为系统的控制和数据分析的核心,采取RSSI和INS联合定位的策略实现机器人在室内环境中的实时定位和路径规划。在后续的项目工作中还应该针对室内环境中机器人的定位和路径规划策略做更深入的研究。

[1]朱登科.基于RSSI的无线传感器网络测距和定位技术研究[D].北京：国防科学技术大学，2010.

[2]周艳,李海成.基于RSSI无线传感器网络空间定位算法[J].通信学报,2009,30（6）：75-79.

[3]袁俊刚.GPS/惯性紧组合导航系统研究[D].南京：南京航空航天大学,2011.

[4]叶俊华.基于ARM11的嵌入式视频处理终端设计[D].长沙：中南大学,2009.

[5]陈冬冬.基于CC2431的无线传感器网络硬件节点设计[D].长沙：中南大学,2009.

[6]王名发,江智军,邹会权.智能车竞赛中直流电机调速系统的设计与比较[J].微型机与应用,2009,28(20)：19-21.

[7]胡宁博,李剑,赵榉云.基于 HMC5883的电子罗盘设计[J].传感器世界,2011（6）：36-38.

[8]潘辉,刘靖,赵方园,等.基于 MMA7261的运输包装环境监测系统[J].微计算机信息，2011,27（5）：68-70.

[9]刘晓文,王振华,王淑涵,等.基于 RSSI算法的矿井无线定位技术研究[J].煤矿机械，2009(3)：59-60.

[10]KARTHICK N,PRASHANTH K,VENKATRAMAN K.et al.Location estimation using RSSI and application of extended kalman filter in wireless sensor networks[C].ICACC2009.2009.