基于Wi-Fi的智能机器人监控平台

翟亮森 陈奎 黄琨 王顺

摘要

无线W1-Fi技术和嵌入式技术在现代监控系统中起着越来越重要的作用。本文给出一种基于Wi-Fi与Cortex-M3的智能监控机器人平台的设计方案。系统主要由驱动电机、摄像头、超声传感器、电子罗盘、Wi-Fi模块组成，通过Wi-Fi由手机APP或PC界面进行无线控制。实验表明：系统在满足高效低能的同时，可实现对特定场合进行无线图像监控与超限预警。

【关键词】Wi-Fi 智能监控 Cortex-M3

无线通信技术发展和深入应用使传统监控平台摆脱了电缆的束缚，可以通过无线网络、Wi-Fi进行信息交互。智能机器人监控平台在实际工作中需要面对各种复杂工作条件，传统的有线通信方式显然无法胜任。因此，国内外对基于远程无线控制的智能机器人监控平台的研究逐步深入，相继开发了具备图像交互、自动导航、自动监控等功能的机器人平台。

本文给出一种基于Wi-Fi与Cortex-M3的智能机器人监控平台的设计方案。监控平台以两轮小车为受控对象，可以自主运行，也可以通过手机APP或PC控制其自由移动和数据采集，适用于特殊工作场合内的环境、工况进行实时监控。监控获取的图片、视频和传感数据在手机APP或PC上存储。实验表明：系统在满足高效低能的同时，可实现对特定场合进行无线图像监控与传感数据超限预警，控制方式具有自主和受控两种方式。

1 相关技术与平台设计

1.1 无线通信及其标准

Wi-Fi（Wireless Fidelity）是一种面向无线局域网的无线通信技术，采用IEEE802.11b标准方便局域网内终端间的无线互连与互通。Wi-Fi具有组网便捷、移动性好、可靠性好、传输速度快、高性价比等特点，已成为无线局域网主要的国际标准之一。在特殊场合的监控中，通过合理部署的网络接入点AP（AccessPoint）可实现大范围内的通信覆盖。

1.2 通信方式与控制方式

系统远程控制方式，选取小车作为服务器端，PC与手机APP为客户机端。包括传感器信息和摄像头图像作为下行数据从小车平台实时传输到PC或手机。上行数据主要是离散的人工控制信息，控制小车移动。

小车平台移动控制方式分为主动障碍规避，人工辅助控制两种。人工辅助控制所需控制信息通过PC或APP发送。

1.3 监控平台设计方案

平台组成主要包括三个部分，即装载了摄像头、传感器等信息采集装置的移动小车平台，控制小车平台且实现数据管理的PC应用程序、智能手机及其APP.移动小车平台通过车载传感器、摄像头采集环境信息，通过Wi-Fi发送至手机与PC控制端应用程序。系统组成如图1所示。

图1中Wi-Fi模块通过串口与Cortex-M3连接，数据波特率最高可达46kbps，传输速率为46k/8/1000=57.6kb/s，可以满足摄像头实时图像和少量传感器信息的传输。

移动机器人平台采用两轴轮式驱动，主要包络ARM Cortex-M3，H桥电机驱动、OV7670摄像头、摄像头摆动控制舵机、Wi-Fi模块、超声波、电子罗盘和电源管理部分等。其中摄像头上安装夜视灯，方便光线较弱的地方使用。

2 机器人平台实现

2.1 系统硬件设计

STM32F103ZET6作为主控芯片，它是ARM公司新一代32位Cortex^TM-M3内核的高性能RISC处理器，最高工作频率可达72MHz，可在较低功耗下提供优越的计算性能和先进的中断响应。

移动机器人采用两轴驱动小车，包括MCU、电机驱动、摄像头、摄像头角度控制舵机、Wi-Fi模块、超声波、电子罗盘和电源管理部分等。其中摄像头上安装有夜视灯可以更好的在光线较弱的地方拍照。

作为监控平台的小车，具备正常自主导航、障碍规避能力。自主导航是按照设定位置自主移动并进行安全监测与报警。系统巡航时通过超声传感器检测周围环境，控制舵机规避障碍。视频与图像采集由摄像头完成，该摄像头通过舵机实现任意角度拍摄。图片获取后采用JPEG压缩格式发出，其数据量只有4～6KB左右。图2为智能机器人平台实验样机。

设计采用两路串口进行数据传输，串口1为高速串口，波特率460800bps，串口2普通串口，波特率9600bps。电机控制PWM默认上电后占空比不是0，而是有一较小值以抵消启动阻力，达到平稳控制。

2.2 系统软件设计流程

CortexTm-M3核心控制软件包括小车前进、后退、舵机旋转、摄像头转换、摄像头数据获取与发送、超声传感器和电子罗盘数据获取、以及PC或手机APP控制命令的接收与解析。

小车监控平台运行方式包括自主运行，实时监测、命令接收与解析、数据回传。小车控制流程如图3所示。系统初始化后各主要模块进行自检，然后等待PC或手机APP信息。没有信息则进入自主模式。否则解析获取到信息，按照命令内容进入相应动作设置。

对小车平台的控制命令有多种，其格式为：FF-XX-XXXXXX-EE，如图4所示。其中FF和EE为命令头部尾部信息，命令AA-AF对应舵机、电机、灯光、摄像头、信息获取、停止。数据第1字节8X/4X对应起停;03E8-07D0代表角度值;00-FF表示調速PWM、亮度、或采样间隔;01-02表示前后、单张或连续。详细命令如表1所示。

对小车平台返回数据包括传感器数据、图像数据，其格式为：FE-XX-XXXX-X-ED，具体如图5所示，包括头部尾部信息，数据含义、数据长度和数据及部分。

2.3 控制端人机界面设计

系统控制端手机APP通过Android开发，用来远程控制智能机器人平台。如图6所示，可通过手机界面实时控制平台的前进后退、转弯、摄像头的转换角度、摄像头数据的获取与发送和对超声波和电子罗盘数据的获取等。同时，手机加速度传感器信息按照图4格式编码后可实现对小车的控制，进一步增强平台的操作性。PC端界面、功能与此类似，采用LabVIEW设计。

3 结语

文中给出一种基于两轮小车监控平台的设计方法，可实现自主运行和受控运行。平台采集环境信息和图片信息并对环境信息进行阈值判定与远程报警。为此，详细设计与实验了远程控制收发信息的命令格式或私有协议。实验验证系统运行正常、可靠、信息收发准确、小车控制灵活方便。基于此平台，配置不同的传感器可完成一定的监测监控任务，PC端利用机器学习和深度学习算法可进一步提升系统的智能化水平。

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