基于LPC2138的智能消毒機(jī)器人控制系統(tǒng)

　　1 總體方案設(shè)計(jì)

　　畜牧養(yǎng)殖智能消毒機(jī)器人控制系統(tǒng)由機(jī)器人智能控制模塊、監(jiān)視模塊、及無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通訊模塊等三大部分組成。工作過程是通過接入互聯(lián)網(wǎng)的手機(jī)或者微型計(jì)算機(jī)客戶端通過無(wú)線網(wǎng)絡(luò)向遠(yuǎn)程的機(jī)器人發(fā)送控制指令代碼，期間傳輸信號(hào)由發(fā)送端使用加密狗加密。當(dāng)信號(hào)經(jīng)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送到接收終端時(shí)，智能消毒機(jī)器人網(wǎng)絡(luò)模塊把接收的指令傳送到處理器，處理器指示驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)智能消毒機(jī)器人執(zhí)行動(dòng)作。運(yùn)動(dòng)的同時(shí)監(jiān)視模塊把采集到的圖像通過無(wú)線互聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)娇蛻魴C(jī)端，其整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　1.1 智能控制模塊

　　此模塊是智能消毒機(jī)器人的核心部分。采用的是嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可以準(zhǔn)確高效地運(yùn)行及處理數(shù)據(jù)。控制器通過網(wǎng)絡(luò)組件WIFI或者GPRS與外部網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，用戶可以使用家用寬帶網(wǎng)絡(luò)或者手機(jī)短信的方式實(shí)現(xiàn)模塊的遠(yuǎn)程控制。同時(shí)在本地控制還可以應(yīng)用紅外無(wú)線鍵盤、數(shù)字液晶屏來提供本地人機(jī)交流界面。

　　1.2 網(wǎng)絡(luò)模塊

　　智能消毒機(jī)器人無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通訊模塊，是智能消毒機(jī)器人通訊信號(hào)傳輸?shù)闹匾M成部分，由WIFI或者GPRS模塊來實(shí)現(xiàn)通訊。通訊中介是家用無(wú)線路由或者移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)GPRS。

　　1.3 監(jiān)視模塊

　　智能消毒機(jī)器人監(jiān)視模塊通過單片機(jī)驅(qū)動(dòng)舵機(jī)實(shí)現(xiàn)全方位的監(jiān)視。視頻信號(hào)通過攝像頭來采集，信號(hào)轉(zhuǎn)換后將視頻的PAL信號(hào)傳輸至處理器，經(jīng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸實(shí)時(shí)傳到客戶端。攝像頭的控制與智能控制模塊連接，攝像頭的運(yùn)動(dòng)受控制模塊的控制。

　　1.4 驅(qū)動(dòng)模塊

　　智能消毒機(jī)器人驅(qū)動(dòng)模塊是通過可編碼的直流電機(jī)來驅(qū)動(dòng)的。當(dāng)處理器接收到客戶端傳來的指令，處理器對(duì)驅(qū)動(dòng)模塊信號(hào)處理，從而實(shí)現(xiàn)智能消毒機(jī)器人全方位的移動(dòng)。

　　2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　本文采用的是PHILIPS單片32位ARM微控制器LPC2138，作為控制器的處理器，負(fù)責(zé)和WIFI、GPRS無(wú)線通訊模塊、監(jiān)視模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、鍵盤、紅外、顯示屏等模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊和對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)客戶端發(fā)送的信號(hào)進(jìn)行采集和處理。

　　2.1 控制核心模塊

　　ARM外圍電路包括電源鍵盤顯示屏、SD卡、SDRAM以及與各個(gè)輔助模塊進(jìn)行連接的擴(kuò)展接口等。ARM處理器內(nèi)嵌512k FLASH、32k的可讀寫RAM。電路中SDRAM芯片選用hy57v25641，存儲(chǔ)容量為16M。用其做系統(tǒng)運(yùn)行所需內(nèi)存，為操作系統(tǒng)信號(hào)的采集和數(shù)據(jù)的處理提供了可靠的運(yùn)行空間。擴(kuò)展的接口有串口、USB接口。串口為下載程序和與GPRS模塊通訊用，USB接口用于與WIFI連接從而接入無(wú)線互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。LCD顯示屏主要與鍵盤配合完成本地人機(jī)交互界面，LCD液晶240×320像素，65k色，驅(qū)動(dòng)芯片是ili9325。鍵盤采用的是PS2接口方便使用電腦鍵盤，與LCD合力完成本地人機(jī)信息交換。串口通過MAX232與上位機(jī)進(jìn)行通信，輔助單片機(jī)的下載通過ISP下載，支持在線調(diào)試。

　　2.2 外圍網(wǎng)絡(luò)模塊

　　WIFI和GPRS模塊用于實(shí)現(xiàn)處理器與客戶端的通信連接。WIFI模塊采用的是wf8000-u USB WIFI模塊。GPRS模塊采用的是BENQ M22A模塊。各通訊模塊外圍電路主要有：電源部分、工作指示及數(shù)據(jù)連接擴(kuò)展口組成。

　　2.2.1 TTL電平

　　GPRS模塊與處理器的連接通過串口通訊，模塊與處理器間的電平均為TTL電平，所以無(wú)需進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換就可直接進(jìn)行連接。

　　2.2.2 MAX232轉(zhuǎn)換電平

　　由于編程及調(diào)試控制器電腦與處理器間的電平定義不同，采用MAX232進(jìn)行電平的轉(zhuǎn)換，其外圍電路主要有電源供電部分。

　　MAX232電平轉(zhuǎn)換模塊用來把電腦端的RS232信號(hào)處理得到TTL電平，實(shí)現(xiàn)電腦和處理器及GPRS模塊之間的通信電路如圖2所示。

　　2.2.3 GPRS外圍網(wǎng)絡(luò)模塊

　　GPRS模塊第15管腳必須持續(xù)3s的低電平才能實(shí)現(xiàn)模塊的啟動(dòng)。本文采用的是軟件模擬低電平GPRS模塊啟動(dòng)。關(guān)機(jī)電路同樣是管腳持續(xù)低電平3s，電路如圖3所示。

　　GPRS模塊第35腳是一個(gè)工作狀態(tài)指示燈接口，狀態(tài)表示分別為：亮1s滅1s為啟動(dòng)搜索信號(hào);亮1s滅2s為信號(hào)正常;持續(xù)點(diǎn)亮為有數(shù)據(jù)輸入或者輸出。其工作原理圖如圖4(a)所示。圖4(b)為GPRS模塊SIM卡連接示意圖。

　　GPRS模塊串口工作方式的電平為TTL電平，所以GPRS模塊和控制核心處理器的連接可以是直接連接。但考慮到模塊的調(diào)試及程序的燒錄，所以在GPRS模塊與處理器連接處使用轉(zhuǎn)接開關(guān)。以此完成電腦到處理器的通信、GPRS模塊到電腦的通信。GPRS模塊、處理器、電腦的通信電路連接示意圖如圖5所示。

　　3 監(jiān)視模塊

　　監(jiān)視模塊采用的是普通高清視頻攝像頭，分辨率達(dá)1024×768。視頻采用PAL模式傳輸經(jīng)處理器處理，通過無(wú)線互聯(lián)網(wǎng)把圖像傳輸?shù)娇蛻舳?，其電路圖如圖6(a)所示。攝像頭的各方位由單片機(jī)驅(qū)動(dòng)舵機(jī)來實(shí)現(xiàn)，舵機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖6(b)所示。

　　4 驅(qū)動(dòng)模塊

　　驅(qū)動(dòng)模塊采用的驅(qū)動(dòng)芯片為L(zhǎng)298N，該芯片功率大，電源可直接采用12V。單個(gè)芯片可以控制兩個(gè)直流電機(jī)，本文采用兩片L298N以實(shí)現(xiàn)智能消毒機(jī)器人的各方位移動(dòng)。電路如圖7所示。

　　5 電源模塊

　　電源部分采用的是12V直流鋰電池，功率為10W。對(duì)各個(gè)模塊部分進(jìn)行分別供電。穩(wěn)壓管采用的是7805。由于GPRS對(duì)電源要求特別高，所以單獨(dú)采用一個(gè)LM2941S對(duì)其供電。

　　wf8000 WIFI模塊是華為公司生產(chǎn)的一種專門用于嵌入式系統(tǒng)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)模塊。模塊符合802.11b標(biāo)準(zhǔn)，芯片采用prism3.0。原理圖如圖8所示。

　　6 結(jié)論

　　利用本控制系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的遠(yuǎn)程控制及工作環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)控。結(jié)合消毒機(jī)械裝置可以實(shí)現(xiàn)在特殊工作環(huán)境下的智能遠(yuǎn)程控制消毒工作。在畜牧養(yǎng)殖等一些環(huán)境較差的場(chǎng)所可以代替人工作實(shí)現(xiàn)更多的功能，為養(yǎng)殖工作帶來便利。