基于ARM的建筑能效數據采集機器人設計*

孫富康,方潛生,張 毅,高武雙,陳 燕,張紅艷

(安徽建筑工業學院 智能建筑實驗室,安徽 合肥 230022)

既有建筑的節能改造是我國建筑節能工作的重點內容之一。檢測既有建筑的圍護結構熱工特性、室內溫濕度和光照度等信息是評價既有建筑能效指標的主要手段，也為既有建筑的節能改造直接提供數據支持。本文介紹一種在建筑物內部應用于建筑能效數據采集任務的履帶機器人設計方案。在安裝了傳感器結點的建筑物內，該履帶機器人將遍歷所有的無線傳感器信號覆蓋區域，采集所有的傳感器數據。

1 RSSI技術與慣性導航系統

1.1 RSSI 技術

式中，A為射頻參數，n為信號傳輸常數，d為距發射節點的距離。在計算時，A和n的取值是一個關鍵的問題；不同的取值對測距的誤差影響很大。實際測算RSSI數值時，為了使模型能夠盡量真實地反映出無線信號在當前空間環境中的傳播特性，需要對A和n進行優化以得到最適合該室內環境情況的參數值[2]。

應用RSSI技術定位的三個步驟：采集RSSI數值；根據信號傳播模型和RSSI數值計算距離；結合距離參數進行定位計算。目前，RSSI的數值可以依靠芯片自身的功能獲取，如美國TI公司生產的CC2431就可依靠芯片中植入的ZIGBEE協議來獲取RSSI強度數值。

1.2 慣性導航系統

慣性導航系統（INS）是一種不依賴于外部信息、不向外部輻射能量的自主式導航系統。慣性導航系統利用安裝在運載體上的陀螺儀和加速度計來測定運載體位置。其中，陀螺儀測定航向和姿態角，加速度計測量運動體的加速度[3]。

2 機器人控制系統

2.1 機器人整體結構設計

機器人設計為履帶式結構，外觀尺寸為：600 mm×450 mm×300 mm。在設計中，機器人外殼采用具備良好機械性能和尺寸穩定性的工程塑料 （ABS）材質。直流電機安裝于機器人前側，左右各置一只。機器人控制系統安裝于運動底盤上方，并通過金屬支架固定。

2.2 機器人控制系統組成

機器人控制系統包括處理器、電機控制、無線通信、傳感器和電源模塊,如圖1所示。其中,處理器選用ARM11芯片S3C6410；電機控制模塊采用大功率MOSFET搭建H橋控制電路實現直流電機的

控制；傳感器模塊包括陀螺儀、加速度計和車速傳感器，其中陀螺儀采用 HMC5883L，加速度計采用MMA7261QT，車速傳感器采用AB相增量型旋轉編碼器；電源模塊包括一個12 V 6 800 mA/h和一個7.2 V 4 400 mA/h的鋰電池，其中12 V鋰電池為兩個直流電機提供電源，7.2 V鋰電池為直流電機以外的控制芯片和電路提供電源。

2.2.1 主要芯片

(1)S3C6410

S3C6410是三星公司生產的16位RISC ARM11處理器芯片。S3C6410包含TFT24位真彩色液晶顯示控制器、系統管理器 （電源管理等）、4通道 UART、32通道DMA、4通道定時器、通用的 I/O端口、I2S總線接口、I2C總線接口、USB主設備、高速多媒體卡接口和用于產生時鐘的 PLL[4]。

(2)CC2431

CC2431是美國TI公司生產的一款系統芯片 (SoC)芯片。該芯片整合了ZigBee射頻(RF)前端、內存和微控制器。內置一個8位 MCU（8051），具有 128 KB可編程閃存和8 KB的RAM。CC2431芯片集成了模擬數字轉換器、定時器、AES128協同處理器、看門狗定時器、32kHz晶振的休眠模式定時器、上電復位電路、掉電檢測電路以及21個可編程I/O引腳。與CC2430相比較，CC2431具有一個基于IEEE802.15.4的無線定位引擎，該引擎可以實現0.25 m的定位分辨率和3 m左右的定位精度[5]。

(3)電機驅動

電機驅動電路采用H橋控制電路，如圖2所示。電機驅動電路中的H橋電路使用4個N溝道IRF3205 MOSFET搭建[6]。電機控制電路使用不同的電源與控制系統中的其他電路相隔離。

2.2.2 主要傳感器

(1)電子羅盤

機器人控制系統中的電子羅盤采用霍尼韋爾公司生產的HMC5883L。HMC5883L是一種弱磁傳感器芯片，可廣泛應用于低成本羅盤和磁場檢測領域。HMC5883L芯片能使羅盤精度控制在1°～2°[7]。HMC5883L與S3C6410之間電路如圖3所示。

(2)加速度計

MMA7260QT是Freescale公司生產的一款三軸加速度計芯片[8]。MMA7261QT采用了信號調理、單極低通濾波器和溫度補償技術，并且提供4個量程可選，分別是 2.5 g、3.3 g、6.7 g和 10 g。 由于 MMA7261QT 輸出的X、Y和Z軸的加速度數值是模擬量，因而在處理器S3C6410與MMA7261QT之間需加入一個A/D轉換模塊，將X、Y和Z軸的模擬加速度數值轉換成數字量再輸出給S3C6410芯片。

(3)車速傳感器

系統中，車速傳感器采用增量型旋轉編碼器。該增量型旋轉編碼器每轉400個脈沖,最大機械轉速為10 000 r/min，響應頻率最大為 20 kHz。

2.3 機器人控制策略

機器人在布置了無線傳感器結點的室內環境中運行。這些無線傳感器結點不僅采集建筑能效數據，同時還作為機器人定位時計算RSSI數值的參考結點。在環境中，已知無線傳感器結點的絕對坐標，機器人在運行中可實時接收周圍結點的定位數據(RSSI數值)，同時聯合車載的INS系統實現定位和路徑規劃[9]。機器人運行時的程序流程如圖4所示。運行時，由于傳感器和RSSI數值均會產生一定的誤差,機器人確定目標位置后，將采取實時姿態調整策略，即機器人行駛ΔT時間后重新定位自身的新位置，再生成新的路徑規劃方案、調整姿態繼續行駛,并如此往復，最終達到目標位置[10]。

圖4 機器人運行程序流程圖

本文為室內機器人控制設計提供了一種硬件設計方案。該機器人采用履帶機器人的結構，利用ARM作為系統的控制和數據分析的核心,采取RSSI和INS聯合定位的策略實現機器人在室內環境中的實時定位和路徑規劃。在后續的項目工作中還應該針對室內環境中機器人的定位和路徑規劃策略做更深入的研究。

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