基于移動物聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程移動監(jiān)控系統(tǒng)研究

計軼軒 ，金明生

(1．上海神計信息系統(tǒng)工程有限公司，上海200331;2．浙江工業(yè)大學(xué)特種裝備制造與先進(jìn)加工技術(shù)教育部/浙江省重點實驗室，浙江杭州310014)

0 引 言

物聯(lián)網(wǎng)采用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)人與機器、機器與機器相聯(lián)［1］。移動物聯(lián)網(wǎng)則采用無線通信技術(shù)實現(xiàn)了移動設(shè)備之間以及與固定設(shè)備的即時信息傳遞。移動監(jiān)控系統(tǒng)是移動物聯(lián)網(wǎng)的重要應(yīng)用領(lǐng)域之一，其中的移動設(shè)備可分為人機交互終端和機器終端，均可實現(xiàn)各自在空間上的自由移動及相互間廣義遠(yuǎn)程信息交互。

本研究提出一種基于Cortex 的遠(yuǎn)程監(jiān)控移動終端的解決方案。

1 基于Cortex 的遠(yuǎn)程監(jiān)控移動終端控制系統(tǒng)

移動監(jiān)控系統(tǒng)中人機交互終端一般可直接使用智能手機、平板電腦和筆記本電腦?？梢苿訖C器終端則根據(jù)實際需求，有不同的機械結(jié)構(gòu)和電路結(jié)構(gòu)。機械結(jié)構(gòu)可歸納為兩類，一是行走機構(gòu)，用以驅(qū)動和控制移動機器終端在二維和三維空間的移動和轉(zhuǎn)向;二是執(zhí)行機構(gòu)，用以完成機器終端涉及的具體任務(wù)，如采集樣本、視覺系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向等。

針對可移動機器終端的典型工作需求，筆者提出一種基于i．MX535 和STM32F103 的通用可移動機器終端控制系統(tǒng)，系統(tǒng)如圖1 所示。

圖1 通用可移動機器終端控制系統(tǒng)

該控制系統(tǒng)以飛思卡爾i．MX535 作為主控制器，用以實現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)頂層控制決策，復(fù)雜信息處理、導(dǎo)航、無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?。i． MX535 以ARM Cortex-A8 為指令構(gòu)架，主頻1 GHz，通過UART 接口，連接GPS 導(dǎo)航模塊、ZigBee 和GPRS 通訊模塊;同時可以通過SDIO 接口連接Wi-Fi 通訊模塊;可以同時連接兩路CMOS 圖像傳感器。另外，通過i．MX535 的并行I/O、I2C 總線、I2S 總線、USB 接口可方便與各類傳感器連接。在軟件方面，i． MX535 具有強大的多媒體信息處理能力，采用NEON 單指令、多數(shù)據(jù)的處理器擴展結(jié)構(gòu)，支持MPEG-4、H．264 基準(zhǔn)、JPEG、MP3、AAC 等圖像格式，可以對H． 264 和MP3 等媒體編解碼提供加速。

該控制系統(tǒng)采用意法半導(dǎo)體STM32F103xE(增強型)構(gòu)成前端控制器，該芯片以ARM Cortex-M3 為指令構(gòu)架，主頻為72 MHz，具有I2C、UART、SPI、CAN、USB 等接口總線，可配置80 個快速I/O 端和3 個ADC(共計21 路輸入通道)。前端控制器承擔(dān)可移動機器終端機械系統(tǒng)控制、運動及環(huán)境信息感知、行走及機械動作執(zhí)行器控制等任務(wù)。

控制系統(tǒng)配置了多類無線通訊功能。其中，WIFI模塊RS9110-N-11-03 采用SDIO 接口與i． MX535 互聯(lián)，采用5 GHz 頻段，兼容802．11a/b/g 和支持單流802．11n。ZigBee 片上系統(tǒng)CC2530 采用8051 為內(nèi)核，具有適應(yīng)2．4 GHz IEEE802．15．4 的RF 收發(fā)器;GPRS 模塊華為GM323，工作頻段為GSM850/900/1 800/1 900 MHz，CC2530 和GM323 均采用UART 接口與i．MX535 連接。

可移動機器終端的行走部分采用兩輪驅(qū)動模式，配合無驅(qū)動輔助輪保持機體姿態(tài)平穩(wěn)，通過兩個驅(qū)動輪的速度差實現(xiàn)移動機器終端轉(zhuǎn)向，驅(qū)動電機的正反轉(zhuǎn)控制移動機器終端倒車。本研究采用PMW 信號及H 橋模塊實現(xiàn)對直流伺服電機的控制，PMW 信號由STM32F103 的TIM1 和TIM8 定時器提供。系統(tǒng)采用E6B2-CWZ6C 旋轉(zhuǎn)編碼器檢測驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)速和行程，旋轉(zhuǎn)編碼器的輸出脈沖通過TIM2 和TIM3 計數(shù)器接收。

可移動機器終端的定位信息通過Holux SIRF StarIII 或ENO-6 GPS 導(dǎo)航模塊確定，它們均可通過串行接口與i．MX535 的UART1 連接，采用NMEA0183．22協(xié)議傳輸定位信息。

STM32F103 的并行I/O 接口輸出開關(guān)量信號，用以控制電磁執(zhí)行機構(gòu)或小型直流電機驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)完成所需要的機械動作。

除采用GPS 外，該控制系統(tǒng)還通過光電、電磁感應(yīng)等傳感器跟蹤地面所布置的軌跡特征線，進(jìn)行精確定位。通過i．MX535 的CSI 和I2C 接口，可以連接兩路OV5640 彩色CMOS 攝像頭，CSI 接口用以傳輸圖像數(shù)據(jù)，I2C 接口則用以接收控制命令。CMOS 攝像頭既可以完成環(huán)境或目標(biāo)物的檢測，也可以用于軌跡跟蹤。攝像頭通過轉(zhuǎn)向執(zhí)行機構(gòu)，可以實現(xiàn)180°旋轉(zhuǎn)。

2 移動終端的無線接入方法

在圖1 所示控制系統(tǒng)中，可分別或同時使用多種無線接入方法，將自身置于無線通訊網(wǎng)絡(luò)中。

通過CC2530 模塊，移動機器終端可接入ZigBee網(wǎng)絡(luò)以實現(xiàn)300 m 距離內(nèi)無線通訊，這種模式功耗低并可支持大量節(jié)點和多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫问?，采用IEEE 802．15．4 通信協(xié)議(又稱紫蜂協(xié)議)，支持250 kbps(全球頻段2．4 GHz)、40 kbps(美洲頻段915 MHz)和20 kbps(歐洲頻段868 MHz)的原始數(shù)據(jù)吞吐率［2-4］。

圖2 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

ZigBee 組網(wǎng)方案如圖2 所示。其中:協(xié)調(diào)器為固定設(shè)備，匯聚節(jié)點和傳感器節(jié)點為移動設(shè)備?？梢苿訖C器終端可作為全功能傳感器節(jié)點(FFD)使用，既可傳遞本體檢測的數(shù)據(jù)亦可傳遞其他節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)。移動終端也可作精減功能傳感器節(jié)點(RFD)使用，僅限于向其它節(jié)點輸出自己檢測到的數(shù)據(jù)。多個可移動機器終端可組成星型、樹狀和網(wǎng)狀3 種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并可通過有線LAN 將局部ZigBee 網(wǎng)連接至中央控制服務(wù)器，以實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的集中處理。

通過華為GM323 模塊，移動機器終端可接入GPRS 網(wǎng)絡(luò)。GPRS 面向GSM 用戶，可實現(xiàn)長距離無線通訊，但傳輸速率較低(150 Kbps)，且采用收費機制［5-6］。GPRS 網(wǎng)絡(luò)的接入方案如圖3 所示。

圖3 GPRS 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

GPRS 通訊中，移動機器終端通過GM323 模塊成為移動公司的分站(DTU)，采用動態(tài)IP 接入互聯(lián)網(wǎng)，多個移動機器終端可以與一臺數(shù)據(jù)服務(wù)中心(DSC)組合構(gòu)成一個分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。信息數(shù)據(jù)由現(xiàn)場移動機器終端上傳到數(shù)據(jù)中心，數(shù)據(jù)中心的命令也可無線送達(dá)各個移動機器終端。移動機器終端和數(shù)據(jù)處理中心基于Socket 建立連接，移動機器終端是Socket 客戶端，數(shù)據(jù)處理中心是Socket 的服務(wù)端。Socket 連接有TCP 協(xié)議和UDP 協(xié)議之分，移動機器終端和數(shù)據(jù)中心應(yīng)使用相同的協(xié)議，可通過配置軟件進(jìn)行配置［7］。

移動機器終端通過RS9110-N-11-03 Wi-Fi 模塊接入Wi-Fi 無線網(wǎng)絡(luò)，傳輸距離可達(dá)到80 m～100 m，使用IEEE802．11 標(biāo)準(zhǔn)，2．4 GHz 頻段，可提供11 Mbps 帶寬，信號較弱時，可自動調(diào)整降低帶寬以保證通訊的穩(wěn)定性和可靠性［8］。Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)只需建立熱點(Access Point，接入點)，即可實現(xiàn)設(shè)備間的通信。Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)的接入方案如圖4 所示。

圖4 WiFi 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

3 移動監(jiān)控系統(tǒng)基于XMPP 的通訊

可擴展通訊和表示協(xié)議(extensible messaging and presence protocol，XMPP)［9-10］是一種基于SGM 子集XML 的開放式即時通信協(xié)議，用以定義XMPP 網(wǎng)絡(luò)的基本架構(gòu)和客戶端與服務(wù)器之間、服務(wù)器與服務(wù)器之間的信息通信細(xì)節(jié)。擴展協(xié)議是對基礎(chǔ)協(xié)議的補充，以適應(yīng)XMPP 在特定領(lǐng)域中的應(yīng)用。截止到2014年9月底，XEPs 已經(jīng)超過350 項。

移動監(jiān)控系統(tǒng)軟件通過XMPP 可以完成移動的人機交互終端、機器終端與服務(wù)器之間基于GPRS、WiFi等異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間的信息通訊。

3．1 移動監(jiān)控系統(tǒng)的XMPP 通訊方法

XMPP 網(wǎng)絡(luò)由XMPP 實體構(gòu)成，實體包括協(xié)調(diào)器、中心站點、服務(wù)器等異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)服務(wù)中心，也包括移動機器終端作為XMPP 客戶端。基本的XMPP 網(wǎng)絡(luò)由一個服務(wù)器和若干客戶端構(gòu)成?；赬MPP-CORE規(guī)定，所有通訊數(shù)據(jù)須通過服務(wù)器中轉(zhuǎn)?？蛻舳伺c服務(wù)器基于XML 格式交換數(shù)據(jù)，其基本語義單位為XML 節(jié)，分為message、presence 和iq(Info/Query 的縮寫)3 類，分別對應(yīng)“推送”、“發(fā)布-訂閱”與“廣播”和“請求-響應(yīng)”機制。XMPP 客戶端-服務(wù)器交互示意如圖5 所示。

圖5 XMPP 客戶端-服務(wù)器交互示意圖

3．2 移動機器終端使用的物聯(lián)網(wǎng)擴展協(xié)議

移動機器終端基于XMPP 實現(xiàn)客戶端-服務(wù)器通訊時，需使用XMPP 關(guān)于物聯(lián)網(wǎng)的擴展協(xié)議。其中XEP-0323 描述傳感器數(shù)據(jù)通信的基礎(chǔ)框架以及基本數(shù)據(jù)模型;XEP-0324 描述網(wǎng)絡(luò)的訪問控制管理;XEP-0325 描述控制機制;XEP-0326 描述集中器的管理;XEP-0347 描述機器終端接入XMPP 網(wǎng)絡(luò)的方法［11-15］。

3．3 人機交互終端從機器終端獲取數(shù)據(jù)

人機交互終端請求讀取機器終端數(shù)據(jù)的過程如圖6 所示。與其對應(yīng)的XML 報文細(xì)節(jié)如下:

圖6 人機交互終端請求讀取機器終端數(shù)據(jù)的過程

3．4 人機交互終端對機器終端的控制

人機交互終端通過向機器終端發(fā)送控制命令(Control Commands)來控制機器終端工作，有兩種不同的控制模式，具體如圖7 所示。

(1)采用message 類的XML 節(jié)實現(xiàn)簡單模式(請求無需響應(yīng)):

(2)采用iq 類的XML 節(jié)實現(xiàn)請求-響應(yīng)模式:

圖7 人機交互終端對機器終端的控制

4 移動監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用案例

4．1 倉庫安全巡檢移動機器人案例

一種倉庫安全巡檢機器人的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖8 所示。該機器人在圖1 所示通用可移動機器終端平臺基礎(chǔ)上搭載了紅外溫度傳感器、離子式煙霧傳感器、催化燃燒式氣體傳感器、電化學(xué)式氣體傳感器和視頻攝像頭，用以巡檢監(jiān)控化學(xué)品倉庫中的容器和管路可燃或有毒氣體、液體的泄露，以及發(fā)現(xiàn)存在高溫隱患的部位。

巡檢機器人采用蓄電瓶供電，電氣及驅(qū)動部分采取防爆安全設(shè)計，其通過GPS 導(dǎo)航和電磁引導(dǎo)方法，沿事先設(shè)計的巡檢線路自主行走，通過GPS 導(dǎo)航方法定位所發(fā)現(xiàn)隱患點的位置坐標(biāo)，用以對化學(xué)品倉庫進(jìn)行巡檢。

隱患點的判斷有兩種方法，一是基于檢測數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)閾值的對比;二是基于安全巡檢機器人每次途徑同一坐標(biāo)點是檢測數(shù)據(jù)和圖像的變化。

安全巡檢機器人的檢測數(shù)據(jù)和圖像，可通過GPRS 和ZigBee 等移動互聯(lián)網(wǎng)，無線傳遞至監(jiān)控中心平臺。本研究定義機器人狀態(tài)包格式和現(xiàn)場控制指令包格式，通過XMPP 協(xié)議按字節(jié)流實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳遞。視頻攝像頭通過實時傳輸/實時傳輸控制協(xié)議(RTP/RTCP)，實現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)流的傳輸。RTP 實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)傳輸，RTCP 提供流量控制和擁塞控制，確保數(shù)據(jù)包可靠傳送。通過將RTP 和RTCP 配合，能以有效的反饋和最小的開銷使傳輸效率最佳化。

4．2 電子標(biāo)簽巡檢移動機器人案例

電子標(biāo)簽巡檢機器人采用通用可移動機器終端平臺，搭載超遠(yuǎn)程電子標(biāo)簽閱讀器、光電傳感器、視頻攝像頭，用以盤點倉庫貨架上對應(yīng)貨物的種類和存在與否，確定貨物存放的具體位置，并將巡檢結(jié)果通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸給倉庫管理中心服務(wù)器。巡檢機器人的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖與圖8 類似。

電子標(biāo)簽讀寫器采用遠(yuǎn)睿通IVT920-4A 讀寫器，通過RS-232 與通用可移動機器終端平臺中i． MX535的UART 接口連接進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。該讀寫器采用Intel的Impinj Indy 讀寫器芯片R2000，工作頻段920 MHz～925 MHz，具有先進(jìn)的抗干擾性，通過防碰撞性DRM算法，每秒可處理超過250 個標(biāo)簽;具有超高靈敏度，讀取距離超過12 m。

本研究通過GPS 導(dǎo)航、光電傳感器和視頻攝像頭，保證巡檢機器人按設(shè)定的巡檢路徑進(jìn)行巡檢，并基于GPS 導(dǎo)航、光電傳感器和視頻攝像頭確定貨物位置坐標(biāo)，巡檢機器人保持與被檢貨架相距0．5 m 左右的距離，可以感應(yīng)到高達(dá)10 m 的貨架頂端的貨物箱體的電子標(biāo)簽，并可同時讀取多達(dá)250 個標(biāo)簽的標(biāo)識數(shù)據(jù)。貨架上按一定距離間隔，布局定位電子標(biāo)簽，定位電子標(biāo)簽確定了貨架的空間位置基準(zhǔn)。

5 結(jié)束語

本研究提出了一種通用可移動機器終端，該終端可采用多種無線網(wǎng)絡(luò)接入方法。其中:ZigBee 接入方法，支持多個移動終端實現(xiàn)自組網(wǎng)，可基于位置關(guān)系以及遠(yuǎn)近優(yōu)選數(shù)據(jù)傳輸路徑;GPRS 接入方法不需固定占用無線信道，可融合有線網(wǎng)絡(luò)和無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行移動終端間超遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸;Wi-Fi 接入方法，通過熱點模式建立局域無線網(wǎng)絡(luò)，并可以借助熱點與有線網(wǎng)絡(luò)的連接實現(xiàn)局域無線網(wǎng)絡(luò)之外的超遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸。該系統(tǒng)采用XMPP 的信息通訊模式，不但支持基于ZigBee、GPRS 以及Wi-Fi 同構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳遞，還可應(yīng)用于不同接入方法的移動終端在異構(gòu)移動網(wǎng)絡(luò)之間的信息通訊。

本研究給出了兩個應(yīng)用實例，通過采用本研究提出的通用可移動機器終端為基本平臺，配置相應(yīng)的擴展器件，構(gòu)建倉庫安全巡檢移動機器人和電子標(biāo)簽巡檢移動機器人，實現(xiàn)對倉庫安全和貨架貨物的移動巡檢。

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［2］張 任，王堅鋒，嚴(yán) 海．基于ZigBee 的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計［J］．機電工程，2008，25(8):18-28．

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