物联网技术下多机器人综合管理系统设计

崔嘉伟

（广州南洋理工职业学院 广东 广州 510925）

1 引言

近年来，物联网的发展关注度越来越高，在物联网技术的研制以及在其应用系统的开发上的重视程度也尤为突出，物联网技术的应用已经逐步成为人们生活中的重要一部分。基于物联网技术在自动化方面的研究应用也逐步成为一种趋势[1]。在城市等地区，由于建筑物的遮挡和反射，使得机器人采集实时图像、实时传感信息传输距离较短，机器人的信息也相互割离，需要通过中继站才能和指挥系统联结。因而，本文研究了物联网技术下多机器人综合管理系统设计来解决此问题。

2 基于物联网技术的多机器人系统的结构

现今物联网技术的理念已经基本成熟，即围绕现有的高速传输网络技术为核心，通过数据收集端口使目标与网络相连接，随后通过数据处理，并传输到分析系统，经过分析后将结果反馈到最终的应用终端。

基于物联网技术的多机器人体系结构框架大致分为3个层面，即数据收集为主的基础层，数据处理及传输的网络层及最后应用的服务终端。数据收集端口将数据传输到基础网络中进行编码，通过组网通信协议后，经过分析将信息传输回服务端口，其中还要配备完整的信息安全网络保护系统对信息进行实时监护[2]。

物联网技术的多机器人体系的宏观系统的运转流程主要分为5部分，即由采集各类数据的多参数末端设备端口实现多元化数据的接收与采集，随后利用无线网络、局域网以及远程网络服务器对已采集的信息进行远端输送，以此类推，即将各种物体通过传感器形成数据化的互联网络，并将各类端口接收到的物体信息传输到组网通信的服务器中，并在指定的服务器中对传送来的数据进行各类相关的数据信息处理及分析，随后将监控设备实时状况的数据可视化并以网络数据的形式反馈到浏览器中，通过登录移动终端APP即能看到已连接的实时监控设备的实况动态及相关信息[3]。服务器还可将所储备的设备信息与标准状态时的信息进行实时比较分析，当设备出现异常状态时能够及时发现，分析原因，并确保能够采取相关的补救措施。

针对城市和大工业区灾害险情救援现场的低空观察、信息采集的需求和特点，基于物联网技术的多机器人系统核心技术包括有各类地面移动机器人、侦查机器人、救援机器人平台技术；各类地面侦察机器人和救援机器人的任务传感器和信息处理；物联网应用组网技术；多机器人系统的地面装车技术；机器人的任务和调度软件；综合信息处理和显示人机交互终端。

3 基于物联网技术的多机器人系统硬件

3.1 RFID模块

RFID也就是无线射频识别技术[4]。完整的RFID是由3部分构成的，其中包括标签源、天线、阅读器[5]。标签源可以嵌入到目标实物当中，经过观测的数据，进行电子编码，然后经过由发射元件与芯片组成的装置，发射出去。天线接收由标签源发射出来的编码数据，阅读器将天线接收的信息进行解码操作，可以再次进行数据的分析汇总或者分类均可。RFID芯片容量大、寿命长，完全满足了使用中的需求。

RFID设备计算能力相对较弱，它可以计算伪随机函数，但是这种计算所需的时间（例如，几毫秒）比我们的距离边界应用程序可接受的最大响应延迟方差（几十纳秒）长很多数量级。加密计算是根据外部提供的，因此代理读取器可能会加速时钟信号，以期获得更快的响应。如果RFID设备没有内置的高精度时基，例如晶体振荡器，本设计采用简单的模拟带通滤波器并应用于时钟信号，这样作为可信时间基准，能够防止时钟频率偏差。事实上，在许多现有的RFID系统中使用的调谐的磁环天线，其中载波频率是时钟信号。

3.2 传感器模块

各个传感器之间的节点可以实现与RFID阅读器之间相连，进而实现了数据的分析。通过无线射频装置的安装实现数据的交换，很大程度上提高了数据的实时性效果以及其高效性体验。在不同的环境应用中，无线传感器原理不尽相同，由数据收集、数据加工、数据传送还和电源4大部分构成。数据收集部分由大量传感器构成，已达到目标要求的检测。数据加工中内嵌中央处理器对于收集到的数据进行内部传送的编码处理[6]。而数据的传送则是通过无线通信模块构成，基本可以达到数据的实时跟踪放大。电源则是为实现这一切的功能提供能源支持。将无线传感器安装在机器人上，传感器通过对影像的提取，经过无线发射装置发射到接收端，接收端通过与网络的连接以及网络信息库的对比实现对观测物质的实时分析，并且可以进行相应的数据分析，得到数据结果分析报告。

4 基于物联网技术的多机器人系统通信网络

尽管目前物联网多机器人系统通信网络还没有统一的解决方案，但已经有许多不同的通信技术被提出，目前正在运行并已经部署在世界各地的许多设备上。大多数连接都将采用固定和短程通信标准，通过传统蜂窝式物联网或低功耗广域网（LPWAN）实现多机器人系统大规模物联网和关键物联网连接。

4.1 远程网络

LPWA技术是为物联网多机器人系统通信网络应用提供低功耗和远程连接解决方案的最有前途的技术之一[7]。本文给出了一些支持远程MTC的流行LPWAN，如SigFox、LoRa、Ingenu RPMA、Weightless和DASH7，它们与实现物联网MTC相关。

4.2 短程网络

本文介绍了一些传统的短距离无线网络技术，这些技术目前正用于支持短距离M2M通信应用，包括蓝牙、ZigBee和低功耗Wi-Fi。这些技术是可行的，最适合物联网的消费者，但可能无法支持民用、工业和其他相关物联网应用，因为这些应用的需求超出了其特征功能的能力。

4.3 蜂窝技术

物联网多机器人系统通信网络应用的未来需求是推动蜂窝技术增长的主要关键因素。蜂窝LPWA技术有望确保提供多机器人系统通信网络各种服务或应用。本文介绍了新一代移动通信中出现的各种模式转变，新一代移动通信已被广泛用于提高多机器人系统语音通信的质量，并为最终用户提供了一个新的多机器人系统全球连接解决方案的机会，其目标是确保通过新技术实现无处不在的通信服务要求。

4.4 物联网3GPP蜂窝解决方案

3G、4G等蜂窝技术，尤其是传统的第三代伙伴关系项目长期演进（3GPP LTE）网络是目前最有希望的技术之一，这些技术被视为实现现代物联网应用的主要解决方案。这些有希望和有吸引力的技术能够提供广泛的覆盖范围，其具有相对较低的部署成本、高安全性、专用频谱分配和高效的多机器人管理系统。然而，由于为优化宽带网络的利益而部署，它们不适合当前的MTC。

目前的物联网格局包括不同的连通性解决方案，这些解决方案需要在各关键行业参与者之间协调一致，以确保实现物联网技术关键绩效指标（KPI）的要求。3GPP希望确保在包括UMTS在内的4G宽带网络上有效支持M2M应用，LTE一直在大力工作，以确保M2M通信在未来得到有效发展，并有望为大规模物联网应用设想的5G新无线系统。3GPP最近推出了3个主要的关键标准，将加强大规模智能连接设备和服务的部署。

现有蜂窝技术的通信，如GSM、LTE网络和NB IoT。希望通过这些新推出的物联网LPWA解决方案，提供广泛的覆盖范围、用户设备（UE）的复杂性降低、电池寿命长等。然而，新出现的标准的最终目标是最大限度地重新使用遗留蜂窝网络基础设施，这将增强和支持物联网应用程序的大规模连接。

4.5 软件系统

位于远程的监控服务器上运行的软件主要实现对灾害现场的机器人系统进行监控。其运行界面实现远程机器人采集实时图像、实时传感信息显示，并结合GIS的数字地图，将机器人的轨迹态势等同步显示，提供重要的决策信息，并通过网络发布控制命令。强大的监控能力及友好人机控制界面将体现M2M技术最核心的意义[8]。

5 结语

本文基于物联网技术的多机器人侦察系统采用了物联网通信技术将各类移动侦察机器人、救援机器人系统进行融合，即机器人的实时观察图像、方位，移动侦察机器人位置、图像和传感器信息，及救援机器人位置信息等综合处理，实现集GPS、GIS、实时图像、实时传感信息显示的救援管理系统。与同步卫星相比，系统具有机动性好、成本低、研制周期短等优点，增强和提升我国对城市、工业区灾害救援现场险情的救援能力。