崔嘉偉

（廣州南洋理工職業(yè)學(xué)院 廣東 廣州 510925）

1 引言

近年來，物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展關(guān)注度越來越高，在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的研制以及在其應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)上的重視程度也尤為突出，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)逐步成為人們生活中的重要一部分?；谖锫?lián)網(wǎng)技術(shù)在自動化方面的研究應(yīng)用也逐步成為一種趨勢[1]。在城市等地區(qū)，由于建筑物的遮擋和反射，使得機器人采集實時圖像、實時傳感信息傳輸距離較短，機器人的信息也相互割離，需要通過中繼站才能和指揮系統(tǒng)聯(lián)結(jié)。因而，本文研究了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)下多機器人綜合管理系統(tǒng)設(shè)計來解決此問題。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的多機器人系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

現(xiàn)今物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的理念已經(jīng)基本成熟，即圍繞現(xiàn)有的高速傳輸網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為核心，通過數(shù)據(jù)收集端口使目標與網(wǎng)絡(luò)相連接，隨后通過數(shù)據(jù)處理，并傳輸?shù)椒治鱿到y(tǒng)，經(jīng)過分析后將結(jié)果反饋到最終的應(yīng)用終端。

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的多機器人體系結(jié)構(gòu)框架大致分為3個層面，即數(shù)據(jù)收集為主的基礎(chǔ)層，數(shù)據(jù)處理及傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)層及最后應(yīng)用的服務(wù)終端。數(shù)據(jù)收集端口將數(shù)據(jù)傳輸?shù)交A(chǔ)網(wǎng)絡(luò)中進行編碼，通過組網(wǎng)通信協(xié)議后，經(jīng)過分析將信息傳輸回服務(wù)端口，其中還要配備完整的信息安全網(wǎng)絡(luò)保護系統(tǒng)對信息進行實時監(jiān)護[2]。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的多機器人體系的宏觀系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)流程主要分為5部分，即由采集各類數(shù)據(jù)的多參數(shù)末端設(shè)備端口實現(xiàn)多元化數(shù)據(jù)的接收與采集，隨后利用無線網(wǎng)絡(luò)、局域網(wǎng)以及遠程網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器對已采集的信息進行遠端輸送，以此類推，即將各種物體通過傳感器形成數(shù)據(jù)化的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，并將各類端口接收到的物體信息傳輸?shù)浇M網(wǎng)通信的服務(wù)器中，并在指定的服務(wù)器中對傳送來的數(shù)據(jù)進行各類相關(guān)的數(shù)據(jù)信息處理及分析，隨后將監(jiān)控設(shè)備實時狀況的數(shù)據(jù)可視化并以網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的形式反饋到瀏覽器中，通過登錄移動終端APP即能看到已連接的實時監(jiān)控設(shè)備的實況動態(tài)及相關(guān)信息[3]。服務(wù)器還可將所儲備的設(shè)備信息與標準狀態(tài)時的信息進行實時比較分析，當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)異常狀態(tài)時能夠及時發(fā)現(xiàn)，分析原因，并確保能夠采取相關(guān)的補救措施。

針對城市和大工業(yè)區(qū)災(zāi)害險情救援現(xiàn)場的低空觀察、信息采集的需求和特點，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的多機器人系統(tǒng)核心技術(shù)包括有各類地面移動機器人、偵查機器人、救援機器人平臺技術(shù)；各類地面?zhèn)刹鞕C器人和救援機器人的任務(wù)傳感器和信息處理；物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用組網(wǎng)技術(shù)；多機器人系統(tǒng)的地面裝車技術(shù)；機器人的任務(wù)和調(diào)度軟件；綜合信息處理和顯示人機交互終端。

3 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的多機器人系統(tǒng)硬件

3.1 RFID模塊

RFID也就是無線射頻識別技術(shù)[4]。完整的RFID是由3部分構(gòu)成的，其中包括標簽源、天線、閱讀器[5]。標簽源可以嵌入到目標實物當(dāng)中，經(jīng)過觀測的數(shù)據(jù)，進行電子編碼，然后經(jīng)過由發(fā)射元件與芯片組成的裝置，發(fā)射出去。天線接收由標簽源發(fā)射出來的編碼數(shù)據(jù)，閱讀器將天線接收的信息進行解碼操作，可以再次進行數(shù)據(jù)的分析匯總或者分類均可。RFID芯片容量大、壽命長，完全滿足了使用中的需求。

RFID設(shè)備計算能力相對較弱，它可以計算偽隨機函數(shù)，但是這種計算所需的時間（例如，幾毫秒）比我們的距離邊界應(yīng)用程序可接受的最大響應(yīng)延遲方差（幾十納秒）長很多數(shù)量級。加密計算是根據(jù)外部提供的，因此代理讀取器可能會加速時鐘信號，以期獲得更快的響應(yīng)。如果RFID設(shè)備沒有內(nèi)置的高精度時基，例如晶體振蕩器，本設(shè)計采用簡單的模擬帶通濾波器并應(yīng)用于時鐘信號，這樣作為可信時間基準，能夠防止時鐘頻率偏差。事實上，在許多現(xiàn)有的RFID系統(tǒng)中使用的調(diào)諧的磁環(huán)天線，其中載波頻率是時鐘信號。

3.2 傳感器模塊

各個傳感器之間的節(jié)點可以實現(xiàn)與RFID閱讀器之間相連，進而實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的分析。通過無線射頻裝置的安裝實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換，很大程度上提高了數(shù)據(jù)的實時性效果以及其高效性體驗。在不同的環(huán)境應(yīng)用中，無線傳感器原理不盡相同，由數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)加工、數(shù)據(jù)傳送還和電源4大部分構(gòu)成。數(shù)據(jù)收集部分由大量傳感器構(gòu)成，已達到目標要求的檢測。數(shù)據(jù)加工中內(nèi)嵌中央處理器對于收集到的數(shù)據(jù)進行內(nèi)部傳送的編碼處理[6]。而數(shù)據(jù)的傳送則是通過無線通信模塊構(gòu)成，基本可以達到數(shù)據(jù)的實時跟蹤放大。電源則是為實現(xiàn)這一切的功能提供能源支持。將無線傳感器安裝在機器人上，傳感器通過對影像的提取，經(jīng)過無線發(fā)射裝置發(fā)射到接收端，接收端通過與網(wǎng)絡(luò)的連接以及網(wǎng)絡(luò)信息庫的對比實現(xiàn)對觀測物質(zhì)的實時分析，并且可以進行相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析，得到數(shù)據(jù)結(jié)果分析報告。

4 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的多機器人系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)

盡管目前物聯(lián)網(wǎng)多機器人系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)還沒有統(tǒng)一的解決方案，但已經(jīng)有許多不同的通信技術(shù)被提出，目前正在運行并已經(jīng)部署在世界各地的許多設(shè)備上。大多數(shù)連接都將采用固定和短程通信標準，通過傳統(tǒng)蜂窩式物聯(lián)網(wǎng)或低功耗廣域網(wǎng)（LPWAN）實現(xiàn)多機器人系統(tǒng)大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)和關(guān)鍵物聯(lián)網(wǎng)連接。

4.1 遠程網(wǎng)絡(luò)

LPWA技術(shù)是為物聯(lián)網(wǎng)多機器人系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用提供低功耗和遠程連接解決方案的最有前途的技術(shù)之一[7]。本文給出了一些支持遠程MTC的流行LPWAN，如SigFox、LoRa、Ingenu RPMA、Weightless和DASH7，它們與實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)MTC相關(guān)。

4.2 短程網(wǎng)絡(luò)

本文介紹了一些傳統(tǒng)的短距離無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，這些技術(shù)目前正用于支持短距離M2M通信應(yīng)用，包括藍牙、ZigBee和低功耗Wi-Fi。這些技術(shù)是可行的，最適合物聯(lián)網(wǎng)的消費者，但可能無法支持民用、工業(yè)和其他相關(guān)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，因為這些應(yīng)用的需求超出了其特征功能的能力。

4.3 蜂窩技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)多機器人系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的未來需求是推動蜂窩技術(shù)增長的主要關(guān)鍵因素。蜂窩LPWA技術(shù)有望確保提供多機器人系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)各種服務(wù)或應(yīng)用。本文介紹了新一代移動通信中出現(xiàn)的各種模式轉(zhuǎn)變，新一代移動通信已被廣泛用于提高多機器人系統(tǒng)語音通信的質(zhì)量，并為最終用戶提供了一個新的多機器人系統(tǒng)全球連接解決方案的機會，其目標是確保通過新技術(shù)實現(xiàn)無處不在的通信服務(wù)要求。

4.4 物聯(lián)網(wǎng)3GPP蜂窩解決方案

3G、4G等蜂窩技術(shù)，尤其是傳統(tǒng)的第三代伙伴關(guān)系項目長期演進（3GPP LTE）網(wǎng)絡(luò)是目前最有希望的技術(shù)之一，這些技術(shù)被視為實現(xiàn)現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的主要解決方案。這些有希望和有吸引力的技術(shù)能夠提供廣泛的覆蓋范圍，其具有相對較低的部署成本、高安全性、專用頻譜分配和高效的多機器人管理系統(tǒng)。然而，由于為優(yōu)化寬帶網(wǎng)絡(luò)的利益而部署，它們不適合當(dāng)前的MTC。

目前的物聯(lián)網(wǎng)格局包括不同的連通性解決方案，這些解決方案需要在各關(guān)鍵行業(yè)參與者之間協(xié)調(diào)一致，以確保實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)關(guān)鍵績效指標（KPI）的要求。3GPP希望確保在包括UMTS在內(nèi)的4G寬帶網(wǎng)絡(luò)上有效支持M2M應(yīng)用，LTE一直在大力工作，以確保M2M通信在未來得到有效發(fā)展，并有望為大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用設(shè)想的5G新無線系統(tǒng)。3GPP最近推出了3個主要的關(guān)鍵標準，將加強大規(guī)模智能連接設(shè)備和服務(wù)的部署。

現(xiàn)有蜂窩技術(shù)的通信，如GSM、LTE網(wǎng)絡(luò)和NB IoT。希望通過這些新推出的物聯(lián)網(wǎng)LPWA解決方案，提供廣泛的覆蓋范圍、用戶設(shè)備（UE）的復(fù)雜性降低、電池壽命長等。然而，新出現(xiàn)的標準的最終目標是最大限度地重新使用遺留蜂窩網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，這將增強和支持物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序的大規(guī)模連接。

4.5 軟件系統(tǒng)

位于遠程的監(jiān)控服務(wù)器上運行的軟件主要實現(xiàn)對災(zāi)害現(xiàn)場的機器人系統(tǒng)進行監(jiān)控。其運行界面實現(xiàn)遠程機器人采集實時圖像、實時傳感信息顯示，并結(jié)合GIS的數(shù)字地圖，將機器人的軌跡態(tài)勢等同步顯示，提供重要的決策信息，并通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)布控制命令。強大的監(jiān)控能力及友好人機控制界面將體現(xiàn)M2M技術(shù)最核心的意義[8]。

5 結(jié)語

本文基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的多機器人偵察系統(tǒng)采用了物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)將各類移動偵察機器人、救援機器人系統(tǒng)進行融合，即機器人的實時觀察圖像、方位，移動偵察機器人位置、圖像和傳感器信息，及救援機器人位置信息等綜合處理，實現(xiàn)集GPS、GIS、實時圖像、實時傳感信息顯示的救援管理系統(tǒng)。與同步衛(wèi)星相比，系統(tǒng)具有機動性好、成本低、研制周期短等優(yōu)點，增強和提升我國對城市、工業(yè)區(qū)災(zāi)害救援現(xiàn)場險情的救援能力。