物聯(lián)網(wǎng)智能機(jī)器人方案開(kāi)發(fā)

物聯(lián)網(wǎng)智能機(jī)器人是機(jī)器人家族中的一種，具有智能跟蹤、環(huán)境監(jiān)控、數(shù)據(jù)測(cè)試、遠(yuǎn)程操作、跟蹤拍攝、路線循跡等功能，可以通過(guò)電腦上位機(jī)或手機(jī)客戶端遠(yuǎn)程控制電視、空調(diào)等。也可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的智能自動(dòng)跟蹤、自動(dòng)循跡和自動(dòng)避障。在整個(gè)運(yùn)作過(guò)程中可以實(shí)時(shí)拍攝周圍視頻資料，創(chuàng)新云臺(tái)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)全方位無(wú)死角拍攝。當(dāng)前我國(guó)大力提倡節(jié)能減排，創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展，為了響應(yīng)國(guó)家號(hào)召，在設(shè)計(jì)物聯(lián)網(wǎng)機(jī)器人時(shí)創(chuàng)新加入太陽(yáng)能充電裝置，雖然充電效率不高，但太陽(yáng)能是最環(huán)保、有很大前景的能源。

一、智能機(jī)器人總體設(shè)計(jì)方案

物聯(lián)網(wǎng)智能機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

圖1中有兩種控制模式，一種是組成機(jī)器人控制局域網(wǎng)，將上位機(jī)PC端，手機(jī)客戶端APP和智能機(jī)器人連接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)PC端或手機(jī)APP客戶端控制機(jī)器人和顯示視頻數(shù)據(jù)的目的；另一種遠(yuǎn)程控制方案是將機(jī)器人通過(guò)網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)相連，再將上位機(jī)PC端或手機(jī)APP客戶端通過(guò)數(shù)據(jù)線連入互聯(lián)網(wǎng)，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程終端通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)和機(jī)器人相連，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)控制機(jī)器人和視頻傳輸。這兩種設(shè)計(jì)方案的核心技術(shù)相同，都是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)地址和端口號(hào)的設(shè)定，再通過(guò)指令傳輸和視頻數(shù)據(jù)傳輸，進(jìn)而達(dá)到控制的目的。由于考慮到演示的效果和方便操作，本設(shè)計(jì)用局域網(wǎng)機(jī)器人控制的方式進(jìn)行分析說(shuō)明。

從數(shù)據(jù)傳輸方面來(lái)說(shuō)，無(wú)線路由器是手機(jī)APP客戶端、上位機(jī)PC端和下位機(jī)的數(shù)據(jù)核心，終端可以通過(guò)一個(gè)套接字編程，建立網(wǎng)絡(luò)接口，進(jìn)而與無(wú)線路由器進(jìn)行連接，智能機(jī)器人便可以通過(guò)一個(gè)網(wǎng)口轉(zhuǎn)串口的WiFi模塊，再將機(jī)器人的串口數(shù)據(jù)通過(guò)這個(gè)模塊轉(zhuǎn)變成WiFi信號(hào)，就可以實(shí)現(xiàn)和無(wú)線路由器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。其中，手機(jī)客戶端APP、上位機(jī)PC端和下位機(jī)都有相應(yīng)的局域IP地址。通過(guò)設(shè)置正確的IP地址，就可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。

從控制的方面來(lái)說(shuō)，手機(jī)客戶端APP和上位機(jī)PC端是智能機(jī)器人的控制中心n，這兩者可以通過(guò)按鍵，發(fā)出相應(yīng)的指令給智能機(jī)器人，智能機(jī)器人解說(shuō)到對(duì)應(yīng)的指令后給上位機(jī)，再由上位機(jī)將接收到的指令進(jìn)行解析，并執(zhí)行相應(yīng)的程序，完成對(duì)應(yīng)的動(dòng)作。

1.1上位機(jī)PC端軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)PC端嘲的功能是控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，控制機(jī)械手的動(dòng)作，顯示機(jī)器人當(dāng)前的速度，采集機(jī)器人所在環(huán)境的溫濕度，控制云臺(tái)方向，顯示機(jī)器人周圍的視頻數(shù)據(jù)。同時(shí)，可以在上位機(jī)PC端上切換智能機(jī)器人的工作模式，其中機(jī)器人的工作模式有：循跡模式、紅外避障模式、雷達(dá)避障模式、智能模式等，可以根據(jù)環(huán)境的需要切換不同的模式，也可以通過(guò)上位機(jī)PC端發(fā)送對(duì)應(yīng)的指令，控制家用電器如電視、空調(diào)等。上位機(jī)Pc端軟件設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2中的功能實(shí)現(xiàn)主要由兩個(gè)流程完成：第一個(gè)流程核心任務(wù)是完成從機(jī)器人端傳輸過(guò)來(lái)的視頻數(shù)據(jù)和音頻數(shù)據(jù)，而這部分的技術(shù)主要是DirectShow；第二個(gè)流程核心任務(wù)是完成從機(jī)器人端傳輸過(guò)來(lái)的機(jī)器人當(dāng)前速度和溫濕度等信息，選擇當(dāng)前機(jī)器人的工作模式，以及完成在上位機(jī)PC端和機(jī)器人之間的指令傳輸，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的向前、向后、向左、向右、加速、減速、停止、開(kāi)燈和鳴笛等功能。在上位機(jī)PC端上有控制機(jī)械手的進(jìn)度條，可以遠(yuǎn)程控制機(jī)械手的操作完成相應(yīng)的動(dòng)作，也可以設(shè)置機(jī)械手和云臺(tái)舵機(jī)的初始狀態(tài)，避免開(kāi)機(jī)時(shí)燒壞舵機(jī)。在雷達(dá)模式下，上位機(jī)PC端可以顯示當(dāng)前有無(wú)障礙物，并會(huì)做出轉(zhuǎn)向的動(dòng)作避開(kāi)障礙物。在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中上位機(jī)PC端都可以顯示拍攝的視頻畫面，可以用鼠標(biāo)在上位機(jī)視頻顯示區(qū)控制云臺(tái)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人無(wú)死角拍攝。且兩個(gè)流程都設(shè)置有各自互不干擾的套接字，第一個(gè)流程與機(jī)器人的攝像頭模塊完成數(shù)據(jù)傳輸，第二個(gè)流程與機(jī)器人網(wǎng)口轉(zhuǎn)串口模塊完成數(shù)據(jù)交互。

1.2手機(jī)客戶端APP軟件設(shè)計(jì)

本文中的手機(jī)APP客戶端采用Android系統(tǒng)，在Eclipse平臺(tái)上用Java語(yǔ)言編寫開(kāi)發(fā)的?？梢酝ㄟ^(guò)APP手機(jī)客戶端完成的設(shè)置和操作有：設(shè)置機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方向指令；設(shè)置網(wǎng)絡(luò)地址、視頻存儲(chǔ)和拍照存儲(chǔ)地址；設(shè)置是否用觸摸屏控制云臺(tái)；顯示視頻畫面；控制攝像頭方位和機(jī)械臂動(dòng)作角度；重力控制機(jī)器人。手機(jī)APP客戶端軟件控制設(shè)計(jì)流程如圖3所示。

1.3下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

下位機(jī)設(shè)計(jì)是機(jī)器人核心處理器程序的設(shè)計(jì)。其設(shè)計(jì)內(nèi)容主要包含視頻傳輸控制、云臺(tái)操作控制、溫濕度采集、紅外對(duì)管模塊和紅外控制家電的設(shè)置，以及采集到的視頻數(shù)據(jù)和控制指令互傳等。在設(shè)計(jì)過(guò)程中每部分都是分模塊編寫的，都有相應(yīng)的程序模塊，再由主函數(shù)將所有模塊綜合起來(lái)，當(dāng)下位機(jī)程序接收到上位機(jī)PC端或手機(jī)客戶端APP的相關(guān)指令后，就調(diào)用相對(duì)應(yīng)的程序模塊，執(zhí)行設(shè)定好的動(dòng)作，并將完成的結(jié)果發(fā)送給終端，其設(shè)計(jì)流程如圖4所示。

下位機(jī)能夠完成上位機(jī)PC端或手機(jī)客戶端APP指令，并做出相對(duì)應(yīng)的動(dòng)作的核心是機(jī)器人中有網(wǎng)口轉(zhuǎn)串口模塊。機(jī)器人將代碼指令通過(guò)串口轉(zhuǎn)網(wǎng)口模塊，再以WiFi的形式傳出去，上位機(jī)PC端或手機(jī)客戶端APP便可以接收到下位機(jī)發(fā)出的指令，通過(guò)解析并顯示出來(lái)，為機(jī)器人的下一步動(dòng)作做好準(zhǔn)備。使用模塊時(shí)必須設(shè)置正確的IP地址以及端口號(hào)，只有對(duì)應(yīng)的設(shè)置正確了，上位機(jī)PC端、手機(jī)客戶端和下位機(jī)才能進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

二、智能機(jī)器人設(shè)計(jì)方案特點(diǎn)及擴(kuò)展說(shuō)明

2.1特點(diǎn)介紹

本設(shè)計(jì)是以PC軟件、安卓軟件、網(wǎng)絡(luò)通信、物聯(lián)網(wǎng)以及單片機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合當(dāng)今提倡的利用環(huán)保型能源，創(chuàng)新的構(gòu)想設(shè)計(jì)出來(lái)的。從機(jī)器人處理器的選型，各個(gè)模塊的選取，通信協(xié)議方案的制定，以及上位機(jī)PC端、手機(jī)客戶端APP的設(shè)計(jì)都與現(xiàn)有的“機(jī)器人”有較大的區(qū)別。本設(shè)計(jì)利用當(dāng)前最普通的處理器，完成不同尋常的動(dòng)作，其特點(diǎn)總結(jié)如下：攝像頭全方位拍攝；上位機(jī)PC端和APP客戶端可以顯示視頻畫面，并可以實(shí)現(xiàn)控制；上位機(jī)PC端可以控制云臺(tái)，檢查機(jī)器人狀態(tài)；上位機(jī)PC端、APP手機(jī)客戶端和機(jī)器人上位機(jī)可以指示小車的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)刪；可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作機(jī)械手；可以實(shí)現(xiàn)遙控家用電器如電視、空調(diào)等；可以用太陽(yáng)能給蓄電池充電，并有指示燈顯示蓄電池電量；可以接收上位機(jī)的控制指令，實(shí)現(xiàn)控制，上位機(jī)亦可接收反饋指令和視頻的數(shù)據(jù)流。

其中本設(shè)計(jì)中的通信方式利用的是TCP／IP協(xié)議，采用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的控制。只要設(shè)置好IP地址和端口號(hào)后就可實(shí)現(xiàn)連接，可以實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)內(nèi)機(jī)器人的控制，也可以實(shí)現(xiàn)超遠(yuǎn)程對(duì)機(jī)器人的控制。另外上位機(jī)PC端軟件和手機(jī)客戶端APP軟件，控制模式多樣，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，符合當(dāng)前機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)，為當(dāng)前機(jī)器人的發(fā)展提供可行方案。

2.2擴(kuò)展說(shuō)明

物聯(lián)網(wǎng)智能機(jī)器人不僅可以完成上文介紹的功能，還可以擴(kuò)展以下功能：帶有指示燈顯示運(yùn)動(dòng)方向并能夠?qū)崿F(xiàn)通過(guò)重力感應(yīng)對(duì)機(jī)器人的控制；帶有GPS全球定位功能在危機(jī)時(shí)刻或者必要時(shí)可以發(fā)送信息；太陽(yáng)能電池板減輕重量，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人供電補(bǔ)給；語(yǔ)音功能，可以實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音播放；可以利用機(jī)器人無(wú)線設(shè)備上網(wǎng)，打電話等。

三、智能機(jī)器人方案難點(diǎn)及關(guān)鍵技術(shù)

本設(shè)計(jì)方案難點(diǎn)在于：

(1)上位機(jī)PC端在操作控制機(jī)器人時(shí)，對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性要求很高，并要用相應(yīng)的表盤顯示出來(lái)，且對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性要求更高，網(wǎng)絡(luò)通信實(shí)現(xiàn)不問(wèn)斷傳輸更是困難；(2)手機(jī)客戶端APP通過(guò)觸屏控制云臺(tái)，并顯示拍攝視頻畫面。顯示視頻就很困難，而通過(guò)觸摸屏幕不同方位，控制云臺(tái)方向更是困難；(3)視頻處理是利用M—JPEG格式圖片，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)傳輸一定張數(shù)，顯示出視頻畫面。如果對(duì)DierctShow技術(shù)內(nèi)部細(xì)節(jié)掌握不夠，處理視頻時(shí)就會(huì)很困難。關(guān)鍵技術(shù)有：下位機(jī)程序模塊化編寫；上位機(jī)PC端軟件編寫；手機(jī)客戶端APP的編寫；TCP／IP通信協(xié)議的設(shè)定；機(jī)器人作為無(wú)線網(wǎng)接入網(wǎng)絡(luò)；機(jī)器人智能模式的完成。

四、智能機(jī)器人系統(tǒng)整體調(diào)試

機(jī)器人調(diào)試主要包括上位機(jī)PC端的調(diào)試、手機(jī)客戶端APP調(diào)試和機(jī)器人整體調(diào)試。其中機(jī)器人整體調(diào)試包括機(jī)械手調(diào)試，太陽(yáng)能板調(diào)試，智能傳感器模塊調(diào)試智能控制電視、空調(diào)調(diào)試、視頻顯示調(diào)試等。

4.1上位機(jī)PC端調(diào)試

上位機(jī)PC端界面可以設(shè)置網(wǎng)絡(luò)連接模式，顯示視頻、溫濕度和速度等，并實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制、云臺(tái)控制、機(jī)械手控制以及對(duì)應(yīng)的功能調(diào)試。

（1）網(wǎng)絡(luò)連接。網(wǎng)絡(luò)連接IP地址為192.168.1.1，端口號(hào)為2001。其中此IP地址和端口號(hào)分別為機(jī)器人的網(wǎng)絡(luò)地址和WiFi模塊默認(rèn)的端口號(hào)。上位機(jī)設(shè)置成以上地址和端口號(hào)后就可以實(shí)現(xiàn)連接了。這里著重調(diào)試通信協(xié)議，通信指令按照之前設(shè)定好的代碼，當(dāng)發(fā)送相應(yīng)的代碼，機(jī)器人就可以做出相應(yīng)的動(dòng)作。

(2)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。機(jī)器人上位機(jī)PC端連接好網(wǎng)絡(luò)后，用鍵盤就可以控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。分別點(diǎn)擊W，S，A，D是向前、向后、向左、向右的運(yùn)動(dòng)，當(dāng)拖動(dòng)鼠標(biāo)時(shí)就可以控制云臺(tái)，進(jìn)而控制攝像頭方位。

為了能更清晰地指示當(dāng)前機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。在機(jī)器人的上端設(shè)置有指示燈，當(dāng)機(jī)器人向前運(yùn)動(dòng)時(shí)，向前的指示燈亮；當(dāng)向后時(shí)，向后的指示燈亮；向左、向右情況相同。并且機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的方位不同，指示燈顯示的顏色不同。智能機(jī)器人在上位機(jī)PC端可以設(shè)置不同的控制模式，在不同的應(yīng)用領(lǐng)域應(yīng)采用不同的模式。不同的控制模式和控制模式命令代碼分別為：FF130100FF，F(xiàn)F13020OFF，F(xiàn)F130300FF，F(xiàn)F13040OFF，F(xiàn)F13000OFF，F(xiàn)F500OOXFF。

(3)遙控電視。智能機(jī)器人可以通過(guò)紅外控制家中電器電視和空調(diào)等。首先通過(guò)上位機(jī)PC端發(fā)送FF50OOOIFF，讓智能機(jī)器人學(xué)習(xí)一個(gè)“頻道加”按鈕，之后再通過(guò)上位機(jī)PC端發(fā)送FF5IO001FF就可以使用智能機(jī)器人來(lái)控制家中電視“頻道加”。

4.2手機(jī)客戶端APP調(diào)試

(1)網(wǎng)絡(luò)連接。在APP端上可以設(shè)置網(wǎng)絡(luò)地址為192.168.1.1，再設(shè)置端口號(hào)為2001。確認(rèn)連接后，即可以顯示機(jī)器人拍攝的畫面。(2)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。在APP上可以通過(guò)遙感、按鈕控制機(jī)器人，也可以通過(guò)手機(jī)的重力感應(yīng)控制機(jī)器人。同時(shí)亦可通過(guò)控制機(jī)械臂進(jìn)度條來(lái)控制機(jī)械手，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的操作自如。(3)視頻顯示。在整個(gè)控制過(guò)程中，可以實(shí)時(shí)顯示拍攝的視頻畫面。在進(jìn)行超遠(yuǎn)程控制時(shí)，畫面仍然可以傳輸回來(lái)，且能清晰顯示。另外在調(diào)試時(shí)發(fā)現(xiàn)，設(shè)置波特率時(shí)不能調(diào)的特別大，不然顯示的畫面不清晰。

總結(jié)

在經(jīng)過(guò)多次調(diào)試和反復(fù)修改程序，物聯(lián)網(wǎng)智能機(jī)器人基本完成，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的功能。視頻傳輸和指令傳輸正常，系統(tǒng)穩(wěn)定，機(jī)器人各個(gè)控制功能都可以完成，電量顯示的靈敏性，數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性，太陽(yáng)能充電的能量利用率都達(dá)到要求，且無(wú)論是在局域網(wǎng)還是超遠(yuǎn)程互聯(lián)網(wǎng)中都可以對(duì)機(jī)器人操控，其系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性可以和近距離控制相比。

本設(shè)計(jì)將PC軟件技術(shù)、安卓手機(jī)APP、通信技術(shù)、傳感器技術(shù)和單片機(jī)技術(shù)有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，順應(yīng)了當(dāng)今電子行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，擴(kuò)展了物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用領(lǐng)域。本設(shè)計(jì)應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，有很大的市場(chǎng)價(jià)值，另外，機(jī)器人還可以擴(kuò)展GPS全球定位、無(wú)線上網(wǎng)、語(yǔ)音對(duì)話等。

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