基于移动传感器网络的实时环境监控技术

摘要：结合移动机器人Robocar控制及上位机操作软件，通过无线传感器模块Zigbex结点构建ad-hoc无线网络，对特定环境进行实时监控。在模拟的火灾发生现场中，Zigbex监测结点将监测到的异常情况传回监控中心，操作员控制移动机器人前往火灾源。机器人在运动过程中自主完成障碍规避，并对火灾源进行定位测量。实现了对特定环境进行实时监控并对特殊情况做出及时响应的功能。

关键词：环境实时监控；移动机器人；航迹推算；自主避障；Ad-hoc无线网络

中图分类号：TP393文献标识码：A文章编号：1009-3044(2011)22-5445-03

Real-time Environment Monitoring with Mobile Ad-hoc Network

Jiang Cai, FAN Dong, WU Xiao, KANG Jian

(Institute of Electrical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

Abstract: In this paper a real-time environment monitoring system based on an ad-hoc mobile network is represented. The system consists of a wheeled mobile robot Robocar together with its operation software, and an ad hoc network with Zigbex wireless nodes. The system was tested in a scenario where fire alarm arises. The Zigbex nodes measure environmental parameters and inform the monitoring centre exceptional situations. The operator then sends a mobile robot to the source of fire, in order to obtain the accurate position of the fire. The robot accomplishes autonomous obstacle avoidance on its way.

Key words: real-time environment monitoring; mobile robot; dead reckoning; obstacle avoidance; mobile ad-hoc network

从1920年卡雷尔・恰佩克创造出“机器人（Robot）”这个词以来，机器人的理论、技术和产业不断发展。机器人可以代替或协助人类从事繁重、危险的工作并且正在不断开拓新的应用领域。当前，机器人正往多功能、更智能、更易于操作的方向发展，广泛应用于社会各个领域和行业之中，基于智能自主机器人的移动传感器网络就是一个典型的例子。

随着无线移动通信技术和高性能的微型设备技术的飞跃发展，在任意时间和地点都可以为用户提供所需信息及服务的泛在计算（Ubiquitous Computing）已经实现。基于泛在计算的无线传感器结点中集成传感器及其控制电路、CPU、无线通信等模块，通过Ad-hoc通信技术，组建无线通讯网络，把数据传输至汇结点。在大范围监控和数据传输中得到了广泛应用。

本课题采用韩伯电子技术研究所研发的HBE-Robocar轮式机器人和Zigbex Mote无线传感器模块，构建无线传感器网络并结合移动机器人的运动控制，实现了环境实时监控功能。

本课题的目的是：通过无线传感器模块Zigbex结点构建动态Ad-hoc无线网络，对各结点覆盖范围内的温度、湿度、红外值及光照强度的信息进行实时采集并返回上位机。当所监测环境出现火灾等危险时，无线网络监测系统及时告知监控中心发生的紧急情况。然后由操作人员使用上位机操作软件并结合无线传感器网络对移动机器人Robocar进行远程控制，对发生的灾害进行定位并采取特定措施，实现对特定环境进行实时监控并对特殊情况做出及时响应的功能。

1 机器人自主运动的实现

1）Robocar自主避障

在Robocar中装有PSD（Position Sensitive Detector）传感器，该传感器能感知前方10cm至80cm范围内的障碍物。编写控制程序使Robocar对PSD测距返回的数据进行实时监测，当其离障碍物距离小于20cm时自动停止运动，且不再响应“前进”等指令，而只能响应“后退”等指令。

2）基于编码器的航迹推算和实时定位功能

在Robocar的左右轮中都装有编码器，通过编码器计数就能对Robocar左右轮的运动情况进行记录，这为航迹推算算法的实现奠定了基础。

Robocar共有三种运动方式：直线运动、原地旋转运动、绕一侧旋转运动，这三种运动状态也对应着三种不同的编码器计数情况。以下将对各类运动做逐一分析。

变量定义：

在时间间隔Δt内，ΔLL和ΔLR分别为左右轮运动距离，ΔConL和ΔConR为左右轮编码器读数；(x,y)为Robocar中心的起始坐标，(x',y')为绕非中心旋转时圆心坐标，(xN,yN)为运动了Δt 之后的中心坐标； 为起始时Robocar车头指向角度，Δθ为在Δt 时间内车头旋转角度，θ N为在Δt 后车头指向角度；N=650为车轮每转一圈的脉冲数，r=42mm为车轮半径,R1=116.6mm为车轮中心到Robocar中心的距离，R为Robocar旋转中心离车中心的距离。将ΔConR和ΔCon L换算成左右轮的运动距离ΔLR 和ΔLL ,即，可判断出Robocar的运动情况。

实验表明，Robocar在实际运动中左右轮脉冲数有一定差别，且误差随速度的增大误差降低。原因在于速度随着电机转矩的增大而增大，因此Robocar在运动过程中克服静摩擦和滚动摩擦、滑动摩擦时有一定的差别。在实际操作过程中将左右轮计数误差阈值设置为10%。

情况一：直线运动和原地旋转

当Robocar直线运动或原地旋转时，单位时间间隔 内左右轮脉冲数 和 应满足不等式组(1)两个条件中的任意一个：

(1)

不等式组(1)的这两个条件对应于Robocar直线运动的前进、后退过程和原地旋转时的顺时针、逆时针过程。在Δt 的时间间隔之后，Robocar坐标满足方程组(2)：

(2)

其中，当Robocar直线运动时，a=1,b=1;当Robocar原地旋转时，a=-1,b=0。

情况二：绕一侧旋转

当左右轮运动速度不同而发生偏转时，根据Δt内左右轮运动距离可计算出旋转的圆心坐标(x',y')，再计算出Robocar中心经过的距离来推算(xN,yN)和θN。

在实验过程中，车轮打滑现象严重，理论计算结果与实验所测数据相差较大。因此通过多次实验，观察不同运动速度下实际的Robocar运动情况，测得Robocar旋转半径 约为120mm，外侧车轮距旋转中心半径R'约为223mm。

当右轮旋转、左轮停止时，满足方程组(3)：

(3)

当右轮旋转、左轮停止时，d=1，ΔLX=ΔLR；当左轮旋转、右轮停止时，d=-1，ΔLX=ΔLR。

Robocar内的AVR单片机每隔0.1秒计算一次Robocar的实时坐标以及运动方向。通过累积运算便可实现Robocar的航迹推算功能，并对Robocar进行实时定位。

2 基于Zigbex的无线网络组建

1）Zigbex结点

Zigbex模块上集成控制芯片（ATmega128L）、无线通信芯片（CC2420）以及多个传感器模块，如温湿度传感器、光照强度传感器和红外线传感器等。Zigbex以IEEE 802.15.4为通信标准、支持ZigBee通信协议，最达带宽可支持到250kbps，通讯距离最远可达到100米。多个Zigbex模块可组成多跳路由拓扑、组建Ad-hoc无线通讯网络系统。Zigbex模块体积较小、功耗极低、电源管理功能强大，具有较强的环境适配能力。

在实际应用中，需要给不同的监测或实验环境扩展其他传感器模块，例如VOC嗅觉传感器模块等。在某些领域要求Zigbex模块监测范围能够移动，此时可将部分Zigbex结点随Robocar运动、部分结点固定，而形成动静结合的无线网络，可显著提高系统的灵活度。

2）Ad-hoc无线网络

Ad-hoc最显著特点就是可以根据通讯模块物理位置的改变而动态地重组无线网络。因此，移动机器人在运动中只需与任意一个Zigbex节点有连接，即可保证与监控中心的通讯畅通。

图1中（a）图所示，车载的11号Zigbex结点在最初时与1号结点之间交换信息。后来随着11号结点位置的改变，与1号结点之间的通讯断开，无线网络重新构建。在网络系统稳定之后，11号结点与5号结点建立连接（如图1中（b）图），上位机仍可与11号结点交换信息。

3 环境场景设计实现及相关分析

场景中所完成的任务是运用Zigbex无线网络和传感器实现对仓库实时监控并用Robcar精确定位灾害位置。

在模拟仓库中放置多个Zigbex结点，用于监测仓库中火灾等异常情况。当火灾发生时，相应的Zigbex模块传回的数据会发生异常变化，可以初步判断该结点周围可能发生险情。之后，操作人员可远程操作载有Zigbex结点的Robocar进行探测并确认灾害情况，且通过航迹推算算法计算出Robocar的实时位置，并测得灾害点的大地坐标。

在基于Zigbex的无线多跳网络成功组建之后，打开上位机的监控界面。组建无线网络，并使每个Zigbex结点能够正确返回其传感器所测得的即时数据。通过上位机监控界面可以实时观察监控仓库中的环境变化情况。

一段时间后火源模拟器开始工作，模拟仓库局部突发大火的情形。通过监控界面可发现某一Zigbex结点传回的数据发生了异常变化，温度升高，光感增大，湿度减小，红外值增大，此时可以初步认为该结点的监测范围内发生了火灾。

当火灾发生时，离火源较近的7号传感器返回的数值在30秒内发生大幅度变化，具体数值如表1所示：

通过表1的数据可以明显观测到，温度、红外值的增幅都在30%以上，光照强度增幅达到2900%，湿度下降20.6%。

此时操作人员操作载有Zigbex结点的Robocar前往推测地点附近确认是否发生了火灾，并搜寻火灾源，获取火灾源的大地坐标。

在操作人员操作Robocar前往火源过程中，测得当Robocar靠近火源时，Robocar搭载的11号结点返回的即时数据在30秒内也发生了大幅变化。根据前后数据对比，11号结点温度、红外值的增幅都在25%以上，光照强度增幅达到2000%，湿度下降25%。据此可以确定在7号结点附近确实发生了火灾。通过航迹推算法计算得到Robocar与出发原点的相对坐标为x=3.1m、y=3.2m。根据传感器数据可推测火灾源在以Robocar中心为圆心，20cm为半径的范围内。实验结束后，实际测得Robocar的大地坐标为x=3.145m、y=3.100m，这与计算所得数据x=3.1m、y=3.2m之间误差分别为1.43%和3.23%。

4 总结与展望

移动机器人在各行业中广阔的应用前景，使之成为机器人研究领域的一个重要分支，尤其是对于动态环境的响应更是现阶段研究的热点。移动机器人能够通过传感器来检测外部环境和自身状态,从而实现在有障碍物的未知环境中有目的地自主运动。

无线网络在实际生活中也得到了广泛应用，物联网的普及为社会生产生活提供了极大的方便。无线通讯模块结合传感器可以实时返回其监测范围内的环境信息，并返回灾害源点的精确位置。将线通讯模块与移动机器人相结合，可大幅度提高检测系统的适应能力和灵活度。

在目前基础上，可以使Robocar结合加速度传感器，完成对三维空间的实时定位功能。还可以扩展Ad-hoc无线网络监控内容，添加监控模块以扩展系统的运用范围，例如检测挥发性气体的VOC模块。也可以将Robocar与Vision摄像头模块相结合，将Robocar所处的环境更直观地展现给操作人员。

参考文献：

[1] 谢希仁,计算机网络.5版[M].北京:电子工业出版社,2008.

[2] 李浩君,邱飞岳,王丽萍.Ad Hoc无线网络路由协议研究与展望[J].中国有线电视,2004(9):14-16.

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