物联网智能安防机器人竞赛教学平台

1、智能反恐机器人 竞赛教学平台一、 实验室建设思路物联网是一种使用各种通讯承载体让所有能够被独立寻址的普通物理对象实现互联互通的网络。物联网的概念在1999年美国召开的移动计算和网络国际会议上首次被提出，时至今日，物联网从“概念”走向“实践”，开始大规模应用在智能电网、智能交通、智能物流、智能建筑等领域。据业内人士预计，到2015年，物联网产业规模将突破5000亿元，或接近7500亿元，年均增长率达11%左右，物联网产业正进入快速发展时期。2010年，中国国家工信部将物联网确定为重点战略性新兴产业之一，正式列入国家十二五规划。我国的高等教育从工程教育服务国家发展战略的角度出发，大力发展“物联网”

2、相关技术教学，不少高校设立专门的“物联网”相关专业和院系，为培养卓越的工程师人才做了深远布局。由于物联网在中国还是一个新兴行业，对中国的高校来说，如何围绕物联网技术开展教学活动，将成为一个急需解决的问题。最近几年，机器人比赛在中国一直保持着极高的热度。机器人比赛，以科技含量高、学科跨度宽、参与面广和展示性强等特点在科研学术和技术教育方面有着很强的影响力。它涉及人工智能、图像处理、通讯传感、精密机构和自动控制等多领域的前沿研究和技术集成。随着物联网技术在机器人相关行业的应用，最近一两年基于物联网的机器人技术也得到了极大的扩展。机器人的概念，已经不仅仅局限于单个设备实体，而且随着网络延伸到更为广阔

3、的空间中去。最近几年，国际上恐怖主义活动此起彼伏，针对日益严峻的反恐形势，许多国家开始使用高科技技术协助反恐行动，其中不少技术正渐渐向民用化方向发展。如在智能建筑里，对外来势力的反入侵是很重要的一环。综合运用安装在建筑物里的智能传感器节点，可以形成一个严密的安防系统，再结合智能巡逻机器人的机动性，可以让整个建筑物变成一个智能体，自动发现入侵者并进行相应的抵御措施。基于智能建筑等实景任务的物联网应用教学，可以让学生将新技术与生活环境形象的联系起来，有助于深刻掌握相关知识并提高工程实践能力。借助技术竞赛如机器人比赛这样的平台，可以极大的提高学生的学习兴趣，激活动手创新的潜能。智能建筑安防机器人比赛

4、是一项将物联网与传统机器人技术相融合的新概念科技竞赛。这个比赛在软硬件平台上大量引入物联网相关技术，极大的提高了比赛的技术水平和自动化程度。围绕这类比赛开展物联网技术的基础教学和工程能力训练，由浅入深，由理论到实践，将可以起到很好的教学效果。大力发展这类物联网科技竞赛，可以为国家重大技术发展战略，源源不断的提供卓越工程师人才。二、 平台功能2.1 实景任务式教学 培养工程实践能力在这个竞赛教学平台中，大量使用了RFID、ZigBee通讯、智能传感器等物联网技术。围绕这些技术的单独模块，开展基础的知识点教学，可以从书本里的理论逐步的扩展到实际应用中来，使课程知识点进一步巩固和形象化，达到实践教学

5、的目的。机器人技术平台本身就是一个综合应用平台，在技术扩展性上拥有得天独厚的巨大优势，再加上物联网技术的融合，此平台可以很好的覆盖传统课程及物联网技术课程几乎所有的知识点。为方便教学，平台还提供各功能模块的详细技术文档和训练课程材料，极大的深化单独知识点的挖掘，为授课老师的讲解、指导及课程开展提供便利。2.2 技术竞技 激励创新这个竞赛教学平台，体现以工程实践促进技术创新的理念。通过智能建筑这个物联网的实际应用场景，深刻体现课程知识点的具体应用。在学习的过程中，让学生能实际动手操作，亲身体验物联网技术的便利性。在掌握基础知识之后，此平台借助机器人对抗竞赛的形式，最大化的吸引学生的学习兴趣。在对

6、抗的过程中，可以极大的激励学生的主观能动性，锻炼实际工程能力，活跃创新思维。与传统的实验教具相比，更加贴近工程实际，可以更深入的挖掘学生的潜能。由此培养兼具扎实理论基础、项目工程经验和技术创新思维的卓越工程师人才。2.3 对外交流 活跃思维智能建筑安防机器人比赛作为中国机器人大赛的主要赛事之一，在中国教学行业有着极高的影响力，是国内高校进行机器人技术和物联网技术交流的重要通道。这个比赛汇集来自全国各地的技术精英，在竞技中与全国各地的高校进行技术切磋，相互了解和借鉴在物联网教学方面的成果和经验。与各个高层次的高校建立联系，相互学习相互提高。另外，比赛获得的奖项，获得国内各大技术权威机构的认可，是

7、一枚提高学校知名度和影响力的重量级砝码。三、 部件参数3.1 入侵/守卫机器人正常的训练时至少需要入侵机器人和安保机器人各一台。为了训练不会因为某台机器人故障而中断，建议采购四台以上机器人，入侵机器人和安保机器人各两台。一旦某台机器人出现故障，可以及时替换，保证训练的正常进行。结构组成车体使用双层结构，内部空间分布均匀，扩展性强。装备铝合金外壳，能有效保护内部器件免受外力和静电的损伤。车体的驱动系统，由两个25mm直径的直流电机构成。使用两枚BDMC1203直流电机驱动模块，提供6kgcm的扭矩输出。机器人主控系统使用Cortex-m3内核32位高速处理器，支持16路高精度AD数据采集。协处理

8、器为CC2530，支持ZigBee通讯，兼容常用物联网协议，支持多种节点模式。车体四周配备四个模拟量输出的红外测距传感器，可有效侦测车身周围障碍物分布。车体底部安装红外光感巡线探测器和RFID探测器，能在比赛场地里进行高速巡线运行并快速进行自我定位。车体前侧设计了特制安装位，可轻易的安装RFID通讯磁卡和RFID探测模块，并可在比赛间隙快速更换，及时完成形态切换。进攻形态防守形态设备参数入侵机器人（恐怖分子） 主控制器主处理器：STM32103VCT672MHz；1MB用户程序储存空间，单个程序最大200K，最多可储存20个用户程序；128*48分辨率LED液晶显示屏；3个机器人数字舵机接口（

9、支持级联），并完全兼容Robotis Dynamixel AX12+；8路R/C通用模拟舵机接口；4路TTL电平频率和占空比独立可调的PWM输出，频率调节范围501000000Hz；16路12位精度ADC输入（0-5V）；12路复用的TTL电平IO输出端口，GND/+6V/SIG三线制；16路复用的TTL电平IO输入端口，GND/+5V/SIG三线制；4个用户可配置的按键输入；12路复用的用户可配置的外部中断输入，其中包括4路按键输入；4个32位用户可支配的计时器，最小计时单位1us，支持用户自定义计时器中断； 运动控制四路最大电流5A、常规电路3A的电机输出； 传感器有效距离10-80CM，

10、互不干扰，PSD红外测距传感器（2个）；五通道地面灰度传感，高灵敏，抗外界光线干扰 机械结构环氧树脂玻纤板底盘，金属铝合金外壳； 定位手段RFID检测模块，13.56MHz，探测距离35cm； 通讯部分ZigBee通讯节点，最大波特率250 Kbps； 特殊装备RFID磁卡一枚（炸弹）；守卫机器人 主控制器主处理器：STM32103VCT672MHz；1MB用户程序储存空间，单个程序最大200K，最多可储存20个用户程序；128*48分辨率LED液晶显示屏；3个机器人数字舵机接口（支持级联），并完全兼容Robotis Dynamixel AX12+；8路R/C通用模拟舵机接口；4路TTL电平频

11、率和占空比独立可调的PWM输出，频率调节范围501000000Hz；16路12位精度ADC输入（0-5V）；12路复用的TTL电平IO输出端口，GND/+6V/SIG三线制；16路复用的TTL电平IO输入端口，GND/+5V/SIG三线制；4个用户可配置的按键输入；12路复用的用户可配置的外部中断输入，其中包括4路按键输入；4个32位用户可支配的计时器，最小计时单位1us，支持用户自定义计时器中断； 运动控制四路最大电流5A、常规电路3A的电机输出； 传感器有效距离10-80CM，互不干扰，PSD红外测距传感器（2个）；五通道地面灰度传感，高灵敏，抗外界光线干扰 机械结构环氧树脂玻纤板底盘，金

12、属铝合金外壳； 定位手段RFID检测模块，13.56MHz，探测距离35cm； 通讯部分CC2530 ZigBee通讯节点，最大波特率250 Kbps； 特殊装备RFID检测模块（防爆盾）；3.2 比赛场景比赛场景使用铝合金材料搭建而成，使用隔断组合出建筑物内部的围墙。机器人活动的范围内设置有供机器人巡航使用的黑色引导线，地下埋设了携带定位信息的磁卡，机器人可以通过读取磁卡信息来获取自身的方位。同时，场地的所有交通要道路口上都安装了距离传感器ZigBee无线节点，多个节点形成一个监控网络，可以感知各要道是否有机器人通过。机器人小车可以接入这个传感器网络并订阅传感器信息，辅助机器策略的运算。功能

13、模块 传感器节点（活动物体检测）传感器节点在比赛场景中负责检测通道中的物体通行情况，节点模块使用专用接口与传感器相连，将获取的传感器数据传送到通讯主节点。板载处理器为TI公司的CC2530处理芯片，最大通讯波特率250 Kbps。板载1.8寸真彩LCD，可以动态显示传感器状态。比赛场地中会使用10枚传感器节点单元，能够与主节点进行组网通讯。为适应复杂的比赛环境，设计了备用方案，可使用RS485工业总线进行组网。 读卡器节点（袭击目标）读卡器节点在比赛场景中扮演袭击目标的角色，节点模块上设计了RFID检测单元，能够读取5cm以内的RFID磁卡信息，并将获取的信息传送到通讯主节点。板载处理器为TI

14、公司的CC2530处理芯片，最大通讯波特率250 Kbps。比赛场地中会使用4枚传感器节点单元，能够与主节点进行组网通讯。为适应复杂的比赛环境，设计了备用方案，可使用RS485工业总线进行组网。 通讯主节点（裁判盒中枢）通讯主节点在比赛场景中负责对各无线节点的数据汇总工作，实时进行数据解析分类，传送到裁判盒程序进行比赛管理。同时主节点还担任着传感器网络的数据发放工作，向双方机器人发送场地内传感器数据。主节点使用特殊的数据缓冲模式，大幅度增加数据吞吐量。板载处理器为TI公司的CC2530处理芯片，最大通讯波特率250 Kbps，数据容量大，支持多种拓扑结构。比赛场地中会使用一枚通讯主节点单元，能

15、够与各传感器节点进行组网通讯。为适应复杂的比赛环境，设计了备用方案，可使用RS485工业总线进行组网。设备参数比赛场景 体积300cm250cm18cm； 材质场景支架和侧壁使用高强度铝合金结构、活动区域布设蓝色地毯、白色导航轨迹线； 辅助定位11个RFID定位点； 传感器节点10枚CC2530 ZigBee通讯节点，最大波特率250 Kbps；4枚RFID检测模块（袭击目标）； 通讯网络14个CC2530 ZigBee通讯节点，最大波特率250 Kbps；具有高速USB下载功能，支持IAR整合开发环境，配备开发仿真器，支持在线调试功能；提供ZigBee2007/PRO标准协议栈，支持ZigB

16、ee协议开发； 3.3 裁判盒服务器比赛的场景包括一台场外服务器。比赛进行时，比赛的过程采用专门的裁判盒软件进行自动化管理。裁判盒软件是运行在赛场旁边服务器上的一个计算机程序，它负责对比赛的数据通信、机器人入场和离场、比赛胜负判定等过程管理，同时，还提供图形化的场地状态显示，帮助分析场上状况。借助这个裁判盒软件，还可以让平时的训练更有针对性且高效。设备参数裁判盒服务器处理器：英特尔 Core i5-2300 2.80GHz 四核主板： 华硕 P8H61 (英特尔 H61 芯片组内存： 8 GB ( 金士顿 DDR3 1333MHz 主硬盘：希捷 ST31000526SV ( 1 TB / 72

17、00 转/分 显示器：三星 SAM078E SA300/SA350 ( 21.7 英寸 通讯： ZigBee主节点（Master）软件： 比赛裁判盒系统软件四、 参赛配置方案实训规模配置项目说明10人以内入侵机器人，一台守卫机器人，一台比赛场景，一套裁判盒服务器，一套可组建一只参赛队，可以进行赛前训练可进行1vs1项目训练可参加1vs1和2vs2项目比赛1020人入侵机器人，三台守卫机器人，三台比赛场景，一套裁判盒服务器，一套可组建两只参赛队，对抗训练可进行1vs1和2vs2项目训练可参加1vs1和2vs2项目比赛2050人入侵机器人，（人数/5）台守卫机器人，（人数/5）台比赛场景，（人数/

18、10）套裁判盒服务器，（人数/10）套多只参赛队，循环赛可进行1vs1和2vs2项目训练可参加1vs1和2vs2项目比赛开设物联网实训课程五、 实验配置方案5.1 基础课程Cortex-M3处理器实验STM32 I/O输入输出实验STM32 ADC模数转换实验STM32定时器/计数器实验STM32外部中断实验STM32 WDG看门狗实验STM32 UART串口通讯实验STM32 IIC串行通讯实验STM32 LCD显示屏实验CC2530处理器实验CC2530 I/O输入输出实验CC2530 ADC模数转换实验CC2530定时器/计数器实验CC2530外部中断实验CC253 0WDG看门狗实验C

19、C2530 UART串口通讯实验CC2530 LCD显示屏实验CC2530点对点通讯实验5.2 工程应用课程机器人实验基于I/O功能的LED实验基于ADC的距离传感器实验基于定时器的航位规划实验基于外部中断的条件反射实验基于WDG的自唤醒实验基于RFID的自定位实验机器人状态显示实验灰度检测实验巡线导航实验多机器人通讯实验ZigBee无线通讯实验ZigBee 协议分析实验多点自组网实验信息广播、组播实验网络拓扑选择实验网络数据记录实验网络数据分析显示实验网络系统实验Socket通讯实验SQL数据库实验多线程数据接收实验多线程数据缓冲实验多线程数据处理实验5.3 技术竞赛1、 比赛形式整个比赛在一个约3米2.5米的场景中进行，比赛场景被障碍物隔断分隔成一系列的走廊和房间，虚