基于ZigBee无线传感网络的奥运场馆服务机器人说明书

1基于ZIGBEE无线传感网络的奥运场馆服务机器人华中科技大学作品02007年首届STEMBEST嵌入式比赛设计报告论文参赛作品2008奥运机器人志愿者MONITOREDROBOTSYSTEMFOROLYMPIAD参赛学校华中科技大学参赛团队MIC团队2007年1月28日华中科技大学电工电子科技创新中心基于ZIGBEE无线传感网络的奥运场馆服务机器人华中科技大学作品12008奥运机器人志愿者摘要本作品创造性地以STR912FW44X6为核心,以智能型服务机器人和ZIGBEE无线传感网络技术为依托,设计一种服务于奥运场馆的机器人志愿者,旨在能够在2008年北京奥运会上为各国游客提供服务该系统具备语音识别,智能避障,人机交互,自动拍照等功能,是一个全自主的人工智能系统同时人可以通过手持的PDA终端对整个系统进行管理和调控设计紧抓“科技奥运“的主题,主要体现人工智能设计的一种新理念,提倡机器人的人性化,智能化本系统实用性强,可靠性高,移植性好,符合未来服务型机器人的发展方向关键词奥运机器人STR912FW44X6ZIGBEE协议语音识别人机交互分布式远程监控基于ZIGBEE无线传感网络的奥运场馆服务机器人华中科技大学作品2MONITOREDROBOTSYSTEMFOROLYMPIADABSTRACTTHISSYSTEMCREATIVELYUSESSTR912FW44X6ASTHECORE,COMBININGWITHNETWORKTECHNOLOGYTOCONSTRUCTAMONITOREDCONTROLSYSTEMFORINTELLIGENTHOUSEHOLDSWHICHCANBEWITHTHEOLYMPICJAMSTHESYSTEMAIMSATPROVIDING2SERVICESFORTHEVISITORSFROMALLOVERTHECOUNTRYATTHE2008BEIJINGOLYMPICGAMESTHESYSTEMCONSISTSOFMONITORNETWORKANDMONITORPLATFORMTHEMONITORNETWORKUTILIZESADVANCEDZIGBEEWIRELESSSENSORNETWORKTECHNOLOGYTOCOLLECTREALTIMEENVIRONMENTPARAMETERSSUCHASTEMPERATURE,HUMIDITY,ANDOTHERINDOORENVIRONMENTINFORMATIONALSO,ITPROVIDESEMERGENCYCALLFUNCTIONTHEMONITORPLATFORMANALYZES,PROCESSES,ANDDISPLAYSTHECOLLECTEDDATAATTHESAMETIME,PEOPLECANCONTROLANDMANAGETHESYSTEMBYUSINGPDASYSTEMTHEDESIGNISMAINLYAROUNDTHETHESIS“TECHNOLOGICOLYMPIC“,TRYINGTOSHOWTHENEWLOGOSABOUTTHEINTELLIGENTHOUSEHOLDSTHESYSTEMHASLOWPRICE,HIGHRELIABILITY,STRONGPRACTICALITY,GOODEXPANDABILITY,SOITEFFECTIVELYGUARANTEESINTELLIGENTHOUSEHOLDPRODUCTIONANDPROVIDESAVIGOROUSMETHODFORCONVENIENTSUPERVISIONOFHOUSEHOLDPRODUCTIONINOURCOUNTRYKEYWORDSOLYMPICROBOT,STR912FW44X6,VOICEIDENITY,WIRELESSSENSORNETWORK,DISTRIBUTEDLONGDISTANCESTAKEOUT,基于ZIGBEE无线传感网络的奥运场馆服务机器人华中科技大学作品3第一章引言5第二章系统概述3621系统功能描述622系统方案设计7221机器人嵌入式服务平台设计7222室内分布式无线网络设计8第三章机器人嵌入式服务平台设计931机器人机械平台设计1032机器人电路部分设计15321ARM9电路板设计15322电机驱动电路设计1833机器人各功能模块设计421331全景视觉模块21332语音识别模块22333电子地图模块26334智能避障模块29第四章室内分布式无线网络设计3441ZIGBEE无线传感器网络概述34411ZIGBEE协议介绍34412网络节点分类35413网络拓扑结构36414室内无线网络拓扑结构的选择53842ZIGBEE无线传感网络节点硬件设计38421设计原则38422设计方案38423无线通信单元CC242039424数据处理单元PIC18F462039425数据采集单元39427供电单元4043ZIGBEE无线传感网络节点程序设计41431MICROCHIPZIGBEE协议栈41432室内应用程序设计641第五章远程分布式监控系统设计4451系统概述4452实时无线网络数据传输4553基于WINCENET的远程监控设备4654基于H263的无线视频流传输解决方案52第六章系统特色54第七章结束语55致谢56基于ZIGBEE无线传感网络的奥运场馆服务机器人华中科技大学作品4附录758附录ZIGBEE无线传感网络硬件电路图58附录ZIGBEE无线传感网络接点实物图59附录III超声波测距模块实物图60基于ZIGBEE无线传感网络的奥运场馆服务机器人华中科技大学作品5第一章引言未来社会是一个高度智能化的社会,而机器人则科技发展的必然产物然而在智能服务型机器人平台上,国内的研究水平相对于日本等研究机器人的大国还有一定的差距所以在国家中长期科学和技术发展规划纲要中特别提到要大力发展智能服务机器人等前沿技术当然在我国机器人研究中也有走在前面的,哈工大机器人研究所的研究人员已经研制出了迎宾导游,表演,家庭服务,医疗专用等智能机器人现在科研人员们研制的智能服务型机器人通过多种传感器信息的综合,可具有较强的避障和一定的路径规划能力同时利用语音识别和语音合成技术,可根据不同的场景讲一些礼貌,问候话语和一些简单的对话此外,一些机器人可以应用到家庭,做些帮助人们打扫卫生,看护老人,给病人递水喂药等服务类工作并且可以应用到医院代替护士或医生,照顾病人并利用信息网络技术的合成给病人会诊看病虽然未来构想和发展形式喜人,但具体实现上仍存在各种问题,进入实际应用的也不多借08年奥运会在我们中国举办之机,我们设计了一种新型多功能服务型机器人平台,旨在能够在2008年北京奥运会上为各国游客提供服务,如果想法能够得以实现,那么这个机器人志愿者无疑将成为奥运会上的一个亮点随着计8算机技术和无线通讯技术的发展,设计出具有上述特性的服务型机器人已经成为了可能,这些充满智慧与灵感的模块使得奥运会更加新颖和写意基于ZIGBEE无线传感网络的奥运场馆服务机器人华中科技大学作品6第二章系统概述21系统功能描述本系统是可以分成服务型机器人平台和ZIGBEE无线传感网络两大部分服务型机器人在奥运场馆做迎宾,巡逻,监控等工作,并处理由ZIGBEE无线传感网络传输上来的数据,同时管理员可以通过手持的PDA终端与机器人进行无线通讯对整个场馆的情况进行实时监控系统的整体框图如图21所示图21系统结构设计框图本奥运机器人志愿者主要完成如下功能基于ZIGBEE无线传感网络的奥运场馆服务机器人华中科技大学作品7信息采集处理传输实时采集奥运场馆内的环境参数数据如氧气浓度,一氧化碳浓度,温湿度,等信息并将这些信息通过ZIGBEE无线通讯网络上传给ARM嵌入式控制平台同时我们考虑到奥运场馆内可能会有一些心脏病患者等特殊人群,在进场时我们就会为其配备手持的心肌氧测试仪等测量仪器,实时将患者的生理信息传给ARM平台经过ARM平台对上述信息处理后发送给管理员的手持PDA终端实现了管理员对环境参数,安防信息,特殊人群监测,方便人对实时情况的了解远程监控当机器人在奥运场馆巡逻时,安装在其身上的全景视觉系统可以拍摄到其四周的事物,并通过无线网络将展开的图象传给管理员的手持PDA终端从而打破了以往管理员只能在室内监控的局面,使得管理员可以随时随地的对奥运场馆进行实时动态监控语音识别集成了语音识别系统的奥运机器人志愿者能够听懂一些国家的语言,能够与各国的游客进行简单的交流,并且能够根据游客下达的命令做出相应的动作9电子地图由于北京奥运会期间会有全国各地的人以及许多国外游客前来,对奥运场馆间的乘车路线不熟悉而我们设计的机器人便提供了这种服务,通过良好的人机交互界面,游客只需要通过触摸屏任意点击两个奥运场馆,它们之间的路线即会显示在屏幕上自动避障本系统抛弃了以往单个传感器避障的形式,采用了超声波传感器避障阵列进行避障,通过一定算法设计,机器人取得了良好的避障效果避障更具有鲁棒性22系统方案设计221机器人嵌入式服务平台设计根据本系统的设计需要,机器人采用全向轮的底盘设计结构,使得机器人的运动更加灵活,同时上层搭载了全景视觉监控系统,使得机器人拥有360度视觉,友好的人机界面提供诸如电子地图等多种服务查询功能而且机器人子模块具有一定的避障和路径规划能力,可以实现对室内的智能巡逻,与以往的固定式控制平台相比更显灵活性,方便性另外机器人嵌入式服务平台收集室内ZIGBEE无线传感网络采集的传感器数据并对数据进行分析,判断室内环境状况当环境变化时,立即向ARM监控平台发送信息由上可见,该服务平台实现了无线实时监控,友好的查询服务,智能避障的基于ZIGBEE无线传感网络的奥运场馆服务机器人华中科技大学作品8移动平台,是一个比较复杂的系统因此,本系统决定采用ARM嵌入式平台来构建,它为我们的平台提供了巨大的灵活性,由于需要自行设计开发板,这样我们可以根据自己的需要设计外围电路,不必设计所有的接口,节省了不少资源开发整套系统也更具有针对性222室内分布式无线网络设计场馆内监控网络实时采集馆内的瓦斯浓度,一氧化碳浓度,温湿度等信息并将采集到的信息传给机器人监控平台当环境发生变化时,包括室内光照信息,温湿度信息和发生异常情况时如瓦斯浓度超标,机器人监控平台会自动根据情况作出相关控制调节灯光亮度,改变空调温度,控制加湿器开关,语音求救本系统采用基于ZIGBEE协议的无线传感器网络作为监控网络,主要因为10无线传输具有有线传输无可比拟的优点目前我国室内通讯基本上是用有线装置,依靠电缆传输信息然而现有有线布局容易出现线路年久失修,氧化腐蚀等情况,出现问题后不易检查解决,并且无线通讯是科技发展的趋势,它可以很好的解决应用有线传输布线的弊端,提高经济效益,而且还可以通过动态联接随时改变采集地点无线传感器网络具有十分广阔的应用前景无线传感器网络WSN是由大量传感器结点通过无线通信技术自组织构成的网络,它综合了传感器技术,嵌入式计算技术,现代网络及无线通信技术,分布式信息处理技术等,能够实现数据的采集量化,处理融合和传输应用,具有十分广阔的应用前景ZIGBEE协议是目前最具竞争力的无线传感器网络协议无线传感器网络一般不需要很高的带宽,但是对功耗要求却很高,大部分时间必须保持低功耗由于无线传感结点通常使用存储容量受限的嵌入式处理器控制器,因此对协议栈的大小也有严格限制另外,WSN对网络安全性,结点自动配置,网络动态重组等方面也有一定的要求WSN的特殊性对应用于该技术的网络协议提出了较高要求虽然蓝牙是人们谈论的热点,但是其芯片价格高,协议栈复杂程度高,功耗高,厂商支持力度不够ZIGBEE是一种新兴的近距离,低复杂度,低功耗,低数据速率,低成本和有着更小容量协议栈的无线网络技术,在无线传感器网络应用领域极具发展潜力,是目前最具竞争力的WSN网络协议基于ZIGBEE无线传感网络的奥运场馆服务机器人华中科技大学作品9第三章机器人嵌入式服务平台设计ROBOTPLATFORMSOFTWAREANDHARDWARE嵌入式操作系统有如下选择LINUX,WINDOWSCE,VXWORKS,UCLINUX,PALM,MICROC/OSII等等,我们选用的是WINDOWSCE,主要原因是我们以前用PC机开发过的不少项目许多软件能够较为方便的移植到WINDOWSCE操作系统上面,这样加快了我们项目的进度,减小了项目的开发难度ARM嵌入式系统组成框图如下图31所示图31机器人嵌入式服务平台方框图机器人服务平台要求实现以下功能11完成对ZIGBEE节点传感器数据的收集,处理,储存,显示等全景视觉实时监控机器人四周情况自动根据环境参数信息调整场馆内空调等电气设备的工作状态触摸屏和语音识别为电子地图等服务提供了一个良好的接口机器人的自动巡逻和避障通过无线网络将所有信息传送给PDA终端基于ZIGBEE无线传感网络的奥运场馆服务机器人华中科技大学作品1031机器人机械平台设计“2008奥运机器人志愿者“主要是在奥运场馆内进行服务为了使机器人更好的适应场馆环境,运动更加灵活,我们设计了全向轮底层驱动,中央控制层和顶端全景视觉系统的三层结构图32为机器人的整体结构图图32机器人整体结构图机器人机械部分设计的难点即在于其万向轮结构的机械底盘,下面我们着重介绍全向轮底层驱动的设计全向轮运动机构概述全向轮运动机构是指使用三个或者三个以上经过特殊加工的全向车轮驱动车体运动的一种方式机器人采用由三个全向车轮组成的全向轮运动机构,其效果图如图33所示其中全向车轮基本构造是大轮的边缘套有侧向的小轮,结构图如图34所示在运动过程中母轮在电机的驱动下沿径向转动,子轮在随母轮转动的同时又沿轴向做从动滚动基于ZIGBEE无线传感网络的奥运场馆服务机器人华中科技大学作品11图33全向轮运动机构效果图图34全向车轮的基本结构图机器人采用全新的全向轮结构来提高机器人的灵活性和实时性通过构成底层驱动主体的全向轮结构,机器人可以实现在机器人车体的方向不变的情况下在XY轴平面内向任意方向运动,车体在做直线运动的同时做旋转运动,车体的向着某一固定或移动的目标的同时做直线运动等复杂的运动方式全向轮的减震模块12由于采用非互补式结构的全向车轮的两个小轮之间有间隙,所以整个车轮实际上只是一个近似的圆,在机器人运动的过程中轮子的直径在运动中会有变化,机器人相应的会有上下的机械震动,对上层的图像采集及传感器信息的采集会产生干扰车轮的着地点变化曲线如图35所示,车轮直径变化曲线如图36所示,车轮的直径变化幅度的理论值为而机器人的底盘与上层的连接采用了减震装置该减震装置由直线轴承,直线导轨以及线性弹簧组成,具体的装配图如图37所示图37全向车轮减震装置全向轮解耦控制算法机器人配备了北京奕山科技公司的50W大功率电机,同时配备了500细图36全向车轮直径变化曲线图35全向车轮直径变化曲线分的高精度编码器,这使得对于电机的转角控制可以精确到秒级精度为了配合万向运动所需的高精度数学结算和运动合成需要,我们采用了STR公司的STR912FW44X6系统构成电机驱动模块,内置了转速闭环,位置闭环,功率闭环三种反馈控制算法,同时内置了路径规划系统,上层控制结构只需要发送期望目标位置,电机驱动器可以自动规划最优路径机器人的采用的是由三个互成120度主动轮组成的全向轮结构底盘,对于三个参数X,Y,是完整约束也正是由于上述参数得约束关系,使得机器人得角速度和线速度之间有耦合关系,而上层控制时我们希望这两个速度是独立的,角速度控制信号和线速度的控制信号由上层决策系统分别给出,即需要控制算法将两个速度进行“解耦“MUIR和NEUMAN提出了基于坐标变换的轮式机器人运动学建模系统方法如图38所示建模图形图38三轮全向轮的数学建模OXYW坐标系中的运动学方程由上述三个代数式得到系统的反雅克比矩阵为平台的动力学模型利用牛顿第二运动定律可得上面的笛卡尔系的动力学方程是在OXYW坐标系,需要变换到OXYM坐标系中13每个轮子的驱动系统动力学模型OXYM坐标系中平台的反运动学方程基于ZIGBEE无线传感网络的奥运场馆服务机器人华中科技大学作品15最后得到标准方程,其中因此,给定要求三轮机器人的X,Y方向的速度VX,VY,则可利用上述公式得出三个轮子的速度,进而可以控制电机达到这个速度,来实现机器人的万向移动32机器人电路部分设计机器人电路部分的设计包括两个部分,主要是ARM板的设计和电机的驱动电路的设计,本节主要介绍这两部分的设计具体过程321ARM9电路板设计我们是以STR912FW44X6为核心,添加了串口,以太网口,SARM和FLASH等外设和接口,设计出了符合我们整个系统需求的的电路板以下是我们设计的这四个部分的介绍MAX232RS232电平为12V为逻辑负,12为逻辑正,TTL电平为5V为逻辑正,0为逻辑负,为了电平兼容以实现正确的逻辑,在进行串口通信时需要进行电平的转换MAX232作为RS232的电平转换芯片,即可完成TTL电平到RS232电平的转换MAX232供电电流300UA,1UA的休眠功耗,MAX232只需要四个01UF的小电容构成外部充电泵,在维持RS232电平输入的前提下,它可以保证正常运行在120KBPS的数据速率上,有力地保障了系统的实时性设计电路图如图39所示图39串口设计电路图RTL8201LRTL8201L是一块高速的以太网物理层收发器芯片,它实现对媒体访问控制器芯片MAC的接入访问,提供MII接口和传统7线网络接口,实现10/100M网络传输支持,半双工和全双工的支持,支持IEEE8023的传输协议,为设备介入以太网提供了廉价的解决方案设计电路图如图310所示图310网口设计电路图SRAMIS61LV5121614IS61LV5121是51216的8M高速,异步的静随机存储器,采用CMOS制造工艺,具有NS级的访问时间,低功耗,对TTL电平的完全兼容,无需时钟或刷新操作,具有三态输出,只需单极性电压33V设计电路图如图311所示图311SRAM设计电路图FLASHHY29LV160HY29LV160的单片存储容量为2MB,工作电压2736V,采用48脚TSOP封装或48脚FBGA封装,具有16为的数据宽度,可以以8位字节模式或16位字模式数据宽度的方式工作HY29LV160仅需要单3V电压即可完成在系统的编程和擦除操作,通过对其内部的命令寄存器写入标准的命令序列,可以对FLASH进行编程烧写,整片擦写设计电路图如图312所示图312FLASH设计电路图322电机驱动电路设计现在的电机驱动电路基本上都是一个H桥电路,从而实现电机的换向和调速下面主要介绍两种电机驱动电路MOS管型桥式电路图313MOS管型驱动电路原理图利用MOSFET功率器件控制电机,是比较常用的一种控制方案,由于让MOSFET功率期间工作在开关状态,功耗比较小,而且电路价格便宜,更能够方便的实现,调速,方向控制等功能图313所示的便是在电路中采用的MOSFET驱动电机方案图中为一半桥驱动,从而只能实现调速,方向控制只需对称的加一个驱动电路即可为了驱动MOSFET功率器件进入充分导通状态,对栅极电压要求栅极电压要高于源极电压1015V,导通时栅,源极之间的电压降很小,栅极电压可能是系统中的最高电压栅极驱动的点为参考点,一般连接高压侧功率MOSFET的源极电位其中IR2111为功率MOSFET和1GBT专用栅极驱动集成电路,可以方便的实现上述要求如图313中控制信号送到2脚IN端,管脚4LO,3COM和管脚7HO,6VS分别输出低压侧和高压侧MOS器件的驱动信号,从而实现MOS管的导通与关断,对于H桥驱动电路上下桥臂功率管必须加互补的信15号,但是由于在带载的情况下,功率器件的关断时间通常比开通时间长,这样,当下桥臂功率器件未及时关断,而上桥臂抢先开通时就出现所谓的“桥臂直通“现象桥臂直通时电流迅速变大,造成功率开关损坏所以设置导通延时是必不可少的,通常也称导通延时为死区时间,而在IR2111中内置导通延时电路,从而避免了桥臂直通现象IR2111逻辑输入信号与CMOS电平兼容,输出栅极驱动电压为1020V,开关时间的典型值为TON850NS,TOFF150NS,死区时间TDT的典型值为700NS虽然IR2111中有内置的导通延时电路,但是当输入的PWM波的频率过高之后,芯片的速度跟不上,还是会出现轻微的桥臂直通现象,使MOS管发热基于ZIGBEE无线传感网络的奥运场馆服务机器人华中科技大学作品20图中C22为滤波电容,与其并联的为电容为自举电容,当控制信号为低时,VCC经过自举二极管,自举电容,MOSFET功率管Q1给自举电容进行充电,以确保Q2关断,从而电机停转,当输入控制电平为高时,Q1关断,Q2靠自己电容上面足够的储能来驱动从而实现电机的运转显然,如果电容的漏电流较大,那么电容上的电荷可能会流失掉,从而不可能长时间的驱动电机而且二极管的关断特性也要很好,二极管漏电流也要足够小,故一般自举二极管应选用快恢复二极管由于MOSFET功率管为压控元件,故在工作的时候栅极不能悬空,因为悬空时,栅极电压不确定可能会导致MOSFET管的烧毁可见此电路对元件的要求较高,故我们选用的是下一种方案继电器型驱动电路图314继电器型驱动电路原理图在电机驱动电路中最容易产生的问题是H桥的桥臂直通问题,虽然用IR2111芯片可以避免这一问题,但由于这个芯片必须配合一个自举电容才能正常工作,最自举电容的要求比较高而且也不能完全的解决好桥臂直通这一问题然而当桥臂由图314中的K1,K2继电器组成的时候问题就迎刃而解了K1,K2都是单刀双掷的继电器,所以上下两个桥臂绝对不可能同时导通而且继电器控制方便,将从ARM过来的信号用光耦进行放大就可以很方便的驱动了在调速方面,只用在H桥和地连接的时候中间加一个MOS管图314中的16Q1就行了基于ZIGBEE无线传感网络的奥运场馆服务机器人华中科技大学作品21图314中的IN1,IN2,IN3分别接的ARM传送过来的方向信号和PWM脉宽调制信号33机器人各功能模块设计331全景视觉模块全景视觉模块包括锥形反射镜和摄像头摄像头将拍摄到的图象通过无线网络传给控制PC和PDA终端,然后通过展开算法就可得到一个360度的全景视觉图象如图315所示图315全景视觉展开示意图自修正的全景视觉展开算法在摄像头足够稳定的条件下,我们可以直接采用正常的变换展开全景图象但是由于摄像头安装在机器人身上,机器人运动的时候机器人会有一定的晃动,如果不对原有的算法进行修正,展开的图象会变形得十分厉害我们把反射镜子的边框标成黑色同时把镜子的边沿标成白色以便能够容易找到图片的特定边沿IMAGEABELOW首先通过SOBEL算子锐化图象用来求得边缘,接着用OTSU算法将象素分成两种类别IMAGECBELOW这样我们就得到了镜子的轮廓,然后在边沿上取三个相距最远的点来确定圆心用这个圆心我们就可以展开整个图片了为了找到圆形轮廓,我们用一个1010的矩阵从左右两边来扫描图片,把框的第6行,第6列的点设为中心点当中心点遇到为1的点时,便对框内的像素点进行判断要判定该与中心点重合的为1的点的设定条件如下有三个基于ZIGBEE无线传感网络的奥运场馆服务机器人华中科技大学作品22在1010的框内有足够多的为1的点,但是又不能太多,我们设定的范围是要大于20,小于35在中间的6行必须有为1的点,且他们是连续的拥有数值为1的点的行必须是连续的如果这三个条件都得到满足,那么我们就将它视为镜片圆周上的点否17则我们就跳过3行,继续扫描用三个挨的较近点来计算圆心的话,会导致相当大的误差,相反三个距离较远的圆周上的点计算圆心偏差是极小的所以我们在圆周的左上角,左下角和右上角的位置扫描得到三个点来计算圆心分别求出以这三个点为端点的两条线段的中垂线,这两条中垂线的交点就是所求圆心如图316所示图316带修正的全景视觉展开算法332语音识别模块3331语音识别模块系统简介智能机器人正在日益受到人们的重视然而,关于人机接口方面却往往还是基于ZIGBEE无线传感网络的奥运场馆服务机器人华中科技大学作品23局限于手动操作,如按键和触摸屏等,没有实现真正的人机对话为此,我们认为需要将语音识别技术引入到本智能服务机器人中SPCE061A是一个16位结构的微控制器它的内核采用凌阳公司最新推出的16位微处理器芯片,工作电压范围为2655V,系统工作频率为037549152工作频率使该单片机可以快速地处理复杂的数字语音信号片内集成了具有自动增益控制功能的传声器输入方式以及DAC音频输出功能,使用凌阳音频编码SACM_S240方式24KBIT/S,能容纳210S的语音数据,提供丰富的C函数库和语音处理函数库,因此非常适合数字语音和语音识别产品的开发1我们将以这一款芯片作为语音处理芯片,设计语音处理单元语音识别技术就是让机器通过识别和理解过程把语音信号转变成相应的文本或命令的技术机器语音识别,处理的过程与人对语音识别,处理的过程基本上是一致的,目前主流的语音识别技术是基于统计模式识别的基本理论一个完整的语音识别系统可大致分为语音特征提取,声学模型与模式匹配识别算法和语义理解三部分其基本原理如图317所示图317语音识别模式示意图语音识别一般分为两个部分第一步是系统“学习“或“训练“阶段,这一阶段的任务是建立识别基本单元的声学模型以及进行文法分析的语言模型,即构建参考模式库第二步是“识别“或“测试“阶段,根据识别系统的类型选择能够满足要求的识别方法,采用语音分析方法分析出这种识别方法所要求的语18音特征参数,按照一定的准则和测度与参考模式库中的模型进行比较,通过判决得出结果在该系统中,我们采用语音信号的短时能量和短时过零率进行端点检测,用线性预测倒谱系数作为特征参数,语音特征提取是分帧提取的基于该系统采基于ZIGBEE无线传感网络的奥运场馆服务机器人华中科技大学作品24用孤立词识别的特点,我们采用DTW算法进行模式匹配3332语音识别模块实现功能1,现场语音控制当向控制器发出语音命令时,声波通过MIC输入,将相应的信号传递到ARM处理芯片,经编解码电路和数字信号处理后,在芯片中通过相关程序与预先植入的语音库中的命令进行比较识别,根据识别的结果进行判断,转换为能被系统识别的信号,从而对被监控系统进行控制这一功能可以方便地开发出各种应用功能例如在现场用户可以呼唤服务机器人为自己拍照或是代路等2,远程监控结合电话技术,可以远程声音遥控本服务机器人实现“多媒体操作“3,自动报警在公共场所,公共安全问题最受关注本服务机器人就像一位流动的监察员,利用声音识别单元甚至可以监控次声波等声音污染3332语音识别软件设计该子系统的大部分功能的实现都是由软件来完成的,所以系统软件的设计十分繁杂我们采用C语言和汇编混合编程,即底层驱动程序采用ARM汇编,对外给出C语言的调用接口语音方面的程序以程序库的形式给出语音识别时使用中断下图318为软件的流程图基于ZIGBEE无线传感网络的奥运场馆服务机器人华中科技大学作品25图318语音识别软件流程图我们做出的语音识别软件整体的结构图如图319所示图319语音识别软件设计结构图语音识别软件19运行维护语音训练模式匹配基于ZIGBEE无线传感网络的奥运场馆服务机器人华中科技大学作品26333电子地图模块由于2008奥运会期间会有许多的各国游客,而第一次来到陌生的城市乘车成了很大的问题,为了解决游人能够方便的观看各个奥运场馆的比赛,我们特此设计了电子地图模块,游客只需要点击触摸屏上的地图,任意选择两个奥运场馆,系统即会自动生成一个或几个出行方案显示在液晶屏上,供游客选择图320为电子地图的一个效果图图320电子地图效果图本系统选用武汉博控科技股份有限公司的NSTFT6448液晶控制板模块来显示NSTFT6448是专门针对分辨率为640480的真彩屏TFT而设计的液晶显示控制模块,能实现256色,双页显示,提供一个高速的8位总线接口I/O命令方式,可以直接与CPU相连,直接输入X,Y坐标,无须计算地址模块集成了双页显示存储器,提供像素写和行写两种方式,而且写操作时地址自动加1,无须初始化坐标与像素映射关系列坐标X的取值范围是0639行坐标Y的取值范围是0479像素格式为R3G3B2寄存器描述共有4个寄存器,分别为列地址寄存器,行地址寄存器,状态控制寄存器和显示数据寄存器见表321基于ZIGBEE无线传感网络的奥运场馆服务机器人20华中科技大学作品27表321液晶显示模块寄存器分配图CSA1A0WR功能0000列地址寄存器0010行地址寄存器0100控制寄存器0110显示数据寄存器011在进行读写显示数据前必须先指定行,列地址列地址寄存器XD7D6D5D4D3D2D1D0X有效取值范围是从0639,X的最高位X98在控制寄存器里行地址寄存器YD7D6D5D4D3D2D1D0Y有效取值范围是从0479,Y的最高位Y8在控制寄存器里控制寄存器P_DISPP_RWXXX9X8XY8P_DISP选择显示页号页0/页1P_RW选择读写页号页0/页1,P_DISP和P_RW可以任意设置,灵活选择页面X98列地址的最高位显示数据读写方式NSTFT6448提供行和字节两种显示数据的读写方式行模式在行模式下,首先必须指定行,列地址Y,X,然后就可以将该行从地址X开始的数据连续进行读写操作,无须重新设置X和Y在显示数据的每次读写操作后,列地址X都将自动加1当要读写一个新的行时,必须重新设置X,Y字节模式在字节模式下,在每次读写显示数据前,必须先设置X,Y在该模式下,21X仍然自动加1触摸屏我们选用的是8寸四线电阻式的,这种触摸屏利用压力感应进行控制其结构由下线路玻璃或薄膜材料导电ITO层和上线路薄膜材料导电ITO基于ZIGBEE无线传感网络的奥运场馆服务机器人华中科技大学作品28层组成中间有细微绝缘点隔开,当触摸屏表面无压力时,上下线路成开路状态一旦有压力施加到触摸屏上,上下线路导通,控制器通过下线路导电ITO层在X坐标方向上施加驱动电压,通过上线路导电ITO层上的探针,侦测X方向上的电压,由此推算出触点的X坐标通过控制器改变施加电压的方向,同理可测出触点的Y坐标,从而明确触点的位置这样通过ARM9芯片控制驱动模块,我们即可实现触摸屏的各种功能根据触摸屏驱动模块上得到的坐标查地图坐标表,得到到坐标所对应的地点这个查询精确到地图上的一个小方格,由于所有小方格的数据结构中均包含了距此位置最近的车站,因此就得到了乘客想查询的地点对应的车站接收到起点和终点的数据后,就可以开始查找路径了下面是简单的程序流程图如图321所示图321路径查询程序流程简图基于ZIGBEE无线传感网络的奥运场馆服务机器人华中科技大学作品29334智能避障模块本机器人采用了凌阳公司生产的超声波测距模组V20超声波与凌阳单片机连接,单片机收到超声回波后计算出距离再通过串口传输给ARM开发板超声波的硬件框图如图322所示图322超声波测距模块硬件框图我们可以先用超声波传感器获得障碍物的距离信息一般采用渡越时间法即DCT/2,其中D为机器人与障碍物之间的距离,C为声波在空气介质中的传播速度,T为超声波发射到返回的时间间隔单个超声传感器只能探测一定方向范围内的障碍物,不能发现其他方向上的障碍物同时由于幻影的存在,即使障碍物和机器人很近,机器人却误认为障碍物很远,从而导致碰撞的发生,因此需要采用多个超声传感器,得到其他方向上的障碍物信息,消除幻影的干扰我们22采用了如图323所示的超声波避障阵列图323超声避障阵列基于ZIGBEE无线传感网络的奥运场馆服务机器人华中科技大学作品30避障主程序流程如图324所示图324避障程序流程图程序中,用户只需要调用函数MEASURE_TIMESUNSIGNEDINTTYPE即可进行一次测距操作,函数返回值为测量结果每一次测距要进行六次测量,这六次的测量结果需要经过处理后才可得到最终的测距返回值,而六次测量的控制以及测量结果的处理都是在这个函数中完成的,实际上六次测量都是通过调用一个MEASURE_ULTUNSIGNEDINTTYPE的函数完成每一次的测量的为了区别两个程序,分别将其定义为测距操作函数UNSIGNEDINTMEASURE_TIMESUNSIGNEDINTTYPE实现功能组合进行共6次的测距程序,包括对6次测量结果的取平均值处理参数TYPE选择测距类型,TYPE1中距测距TYPE0短距测距NY开始中断初始化时钟设置运动模式设置进行一次测量是否有障碍按原模式运动进行避障处理清看门狗基于ZIGBEE无线传感网络的奥运场馆服务机器人华中科技大学作品31返回值所测得的距离,以厘米为单位23单次测距函数UNSIGNEDINTMEASURE_ULTUNSIGNEDINTTYPE实现功能超声波测距模组的测距程序,完成一次测距参数TYPE选择测距类型,在单次测距函数当中,进入该函数进行测距,都会利用TIMERB生成近似40KHZ的波形,通过IOB8口输出,而这样的波形输出仅会持续05毫秒左右实际上保证发送出去的40KHZ脉冲信号超过二十个以上,具体的时长或个数由测距模式定,然后将TIMERB设置为计数器模式,用来计量超声波从发射到接收的时间间隔长度,并启动TIMERB的计时当TIMERB计时达到一定值时具体的时间值由测距模式定打开EXT1外部中断,等待回波反射的接收当EXT1外部中断检测到回波信号的脉冲时,会在中断服务程序当中读取TIMERB的计数值,并通过全局变量通知单次测距函数已接收到回波信号,以及所读取的当次计数值每次测量接收到回波信号后,都会对测量的结果进行处理,换算,用户可以根据不同的应用对数据处理部分的程序作适当的调整其中等待一定时间才开启EXT1外部中断的原因压电式的电声传感器存在余波干扰,而有部份声波会沿电路板直接传到接收头,经接收电路的放大后,系统就有可能把它误认为是反射回来的回波信号测距操作的程序流程如图325基于ZIGBEE无线传感网络的奥运场馆服务机器人华中科技大学作品32图325测距流程图1在单次测距函数当中,进入该函数进行测距,都会利用TIMERB生成近似40KHZ的波形,通过IOB8口输出,而这样的波形输出仅会持续05毫秒左右实际上保证发送出去的40KHZ脉冲信号超过二十个以上,具体的时长或个数由测距模式定,然后将TIMERB设置为计数器模式,用来计量超声波从发射到接收的时间间隔长度,并启动TIMERB的计时当TIMERB计时达到一定值时具体的时间值由测距模式定打开EXT1外部中断,等待回波反射的接收当EXT1外部中断检测到回波信号的脉冲时,会在中断服务程序当中读取TIMERB的计数值,并通过全局变量通知单次测距函数已接收到回波信号,以及所读取的当次计数值每次测量接收到回波信号后,都会对测量的结果进行处理,换算,用户可以根据不同的应用对数据处理部分的程序作适当的调整其中等待一定时间才开启EXT1外部中断的原因压电式的电声传感器存在余波干扰,而有部份声波会沿24电路板直接传到接收头,经接收电路的放大后,系统就有可能把它误认为是反射回来的回波信号当回波触发控制器的外部中断后,程序会转到T1外部中断服务子程序中,读取测量结果,并作数据的初步处理流程图如图326所示基于ZIGBEE无线传感网络的奥运场馆服务机器人华中科技大学作品33图326测距流程图设置TIMEA产生40HZ的波形保证发射波形的时间足够设置TIMEB用于计时开始防余波干扰延时打开EXT1外部中断YNYN测量是否完成是否接到回波信是否超时返回处理测距结果进行一次补充测量并处理结果Y基于ZIGBEE无线传感网络的奥运场馆服务机器人25华中科技大学作品34第四章室内分布式无线网络设计本系统的奥运场馆内的监控网络系统组成框图如图41所示图41室内无线监控网络框图41ZIGBEE无线传感器网络概述411ZIGBEE协议介绍ZIGBEE技术的主要特点包括以下几个部分数据传输速率低只有10K字节/秒到250K字节/秒,专注于低传输应用功耗低在低耗电待机模式下,两节普通5号干电池可使用6个月到2年,免去了充电或者频繁更换电池的麻烦成本低因为ZIGBEE数据传输速率低,协议简单,所以大大降低了成本且ZIGBEE协议免收专利费有效范围小有效覆盖范围1075米之间,具体依据实际发射功率的大小和各种不同的应用模式而定ZIGBEE的协议结构由高层应用规范,会聚层,网络层,数据链路层和物理层组成协议结构如图42所示,IEEE802154工作组主要负责制定物理层和MAC层协议,ZIGBEE联盟对其网络层协议和API进行了标准化基于ZIGBEE无线传感网络的奥运场馆服务机器人华中科技大学作品35图42ZIGBEE协议栈体系结构412网络节点分类IEEE802154定义了如表43所示的两种类型的物理设备全功能设备FULLFUNCTIONDEVICE,FFD和精简功能设备REDUCEDFUNCTIONDEVICE,RFD表43IEEE802154定义的设备类型设备类型所能提供的服务典型供电方式无线接收器状态全功能设备FFD大部分或所有主电源供电不间断打开精简功能设RFD一部分电池供电空闲时关闭全功能设备FFD支持任何拓扑构,可以充当网络协调器和任何设备通信精简功能设备RFD只适用于星型网络拓扑结构中,不可以充当网络协调器,且只能与FFD通信,不能与其他RFD通信,但它们内部的电路比FFD少,只有26很少或没有消耗能量的内存,因此实现相对简单,也更利于节能于是,在任一个ZIGBEE网络中必然存在三种功能设备网络协调功能设备,可以与任何物理设备通信的全功能设备网络路由功能设备,实现数据包的存储转发精简功能设备,因其内部功能结构简单,上层应用少,且某些仅仅包含IEEE标准协议栈,所有又被称为IEEE节点IEEENODE三种设备的物理硬件可以完全相同,只是运行的软件有区别它们之间的关系如表44所示基于ZIGBEE无线传感网络的奥运场馆服务机器人华中科技大学作品36表44ZIGBEE网络功能设备ZIGBEE网络功能设备种类IEEE物理设备典型功能网络协调设备COORDINATORFFD整个网络中只有一个协调器,负责组建网络,分配网络地址及维护绑定表网络路由设备ROUTERFFD网络中可选设备,负责包转发,用于扩展网络的地理覆盖范围精简功能设备ENDFFDORRFD实现网络的数据采集和控制功能413网络拓扑结构ZIGBEE无线传感网络可采用多种类型的配置,主要有星型网络配置由一个协调器节点主设备和一个或多个终端设备从设备组成在星型网络中,所有的终端设备都只与协调器通信如果某个终端设备需要传输数据到另一个终端设备,它会把数据发送给协调器,然后协调器依次将数据转发到目标接收器终端设备星型网络如图45所示图45星型网络配置树状网络配置在这种配置结构里边,终端节点即可以通过协调器加入网络,又可以通过路由器加入网络路由器主要实现网络在可容纳的节点数目和地理覆盖范围上的规模化,网络中的所有数据沿着树状结构分组转发树状网络如图46所示基于ZIGBEE无线传感网络的奥运场馆服务机器人华中科技大学作品37图46树状网络配置27网状网络配置网状网络和树型网络很相似,但是网状网络的路由路径可以不必沿着数型路径而直接转发给周边的FFD节点这种拓扑结构的网络可以减少数据时延,提高网络可靠性网状网络如图47所示图47网状网络配置基于ZIGBEE无线传感网络的奥运场馆服务机器人华中科技大学作品38414室内无线网络拓扑结构的选择在室内监控网络中,相关的室内环境数据主要集中奥运场馆等地方,环境较为简单,无线信号通讯的距离不用很长,信号的衰减也较少,而本系统采用的基于ZIGBEE技术的无线传感器网络属于短距离无线通信网络,非常适合于这种环境,并且采用星型网络已经能够足以胜任42ZIGBEE无线传感网络节点硬件设计421设计原则ZIGBEE节点硬件层包括以下四个单元供电单元,数据采集单元包括传感器及其驱动接口电路,数据处理单元包括存储器和微控制器,无线通信单元以及家电的驱动电路微控制器作为传感器节点运转的“心脏“,在上面运行着嵌入式系统软件,从而对另外三个单元的工作进行控制无线通信单元是一个射频集成电路模块RFIC,作为ZIGBEE无线网络的物理层射频前端实现无线数据的收发422设计方案2004年底ZIGBEE联盟发布了10版本规范,随后不少厂商也推出了ZIGBEE的产品和全套解决方案,走在业界前列的是MICROCHIP公司和FREESCALE公司的解决方案考虑到MICROCHIP的解决方案提供免费而且开源的ZIGBEE协议软件堆栈,可方便进行裁减和修改,并且该开发平台以MICROCHIP的PIC18高性能单片机系列为基础,有28至80引脚封装的从32千字节至128千字节闪存程序存储器的多种单片机可供选择,故为本系统所采用采用MICROCHIP解决方案的ZIGBEE网络节点的功能框图如图48所示基于ZIGBEE无线传感网络的奥运场馆服务机器人华中科技大学作品3928图48ZIGBEE节点组成框图423无线通信单元CC2420为提高开发速度,在ZIGBEE射频芯片的选取上,应尽量采用集成度高,外围电路简单的实现方式因此本系统选择CHIPCON的CC242024GHZ射频收发器作为系统的无线收发装置CC2420是一款适用ZIGBEE于产品的RF器件,只需极少外部元器件,性能稳定且功耗极低,其选择性和敏感性指数超过了IEEE802154标准的要求,可确保短距离通信的有效性和可靠性,利用此芯片开发的无线通信设备支持数据传输率高达250KBPS,可以实现多点对多点的快速组网,同时,CC242024GHZ射频收发器通过SPITM端口方便地与单片机连接424数据处理单元PIC18F4620本系统采用MICROCHIP公司的PIC18F4620单片机作为数据处理单元,运行ZIGBEE协议栈该单片机具备以电池供电的ZIGBEE应用所需的主要功能,包括纳瓦功耗管理,自编程闪存程序存储及先进的模拟,控制和通讯外设采用该单片机与射频收发器CC2420结合实现了高度集成,成本低廉的ZIGBEE节点13425数据采集单元数据采集单元用于实时采集室内的环境信息,主要由传感器及其接口电路组成本系统所用的传感器包括瓦斯传感器,温湿度传感器,一氧化碳传感器和光照传感器等,这些属于采集室内环境信息的最基本的传感器各传感器的基本信基于ZIGBEE无线传感网络的奥运场馆服务机器人华中科技大学作品40息见下表49所示表49传感器技术参数传感器类型型号量程范围输出信号类型瓦斯传感器GJ405420MA电流温湿度传感器SHT11温度401238湿度0100RH数字信号光照传感器模拟高低电平一氧化碳传感器COCF100001000PPM420MA电流瓦斯传感器和一氧化碳传感器属于气敏传感器将气敏元件输出的电信号经29过放大电路后输入单片机进行A/D采样,得到采样值,进而得出对应的气体浓度值温湿度传感器采用SHT11,SHT11是瑞士SENSIRION公司生产的单片全校准数字式相对湿度和温度传感器该传感器采用独特的CMOSENSTM技术,具有数字式输出,免调试,免外围电路的特点光照传感器传感器用于测量室内的光线照明情况,由于市场上的光照传感器多半是成品,即已经外接有相应的控制器,可以直接读出光照强度所以我们采用自制简易光照传感器的低成本解决方案当光线变暗时,信号输出脚为高电平光照传感器