基于巡檢機器人的電氣物聯(lián)網系統(tǒng)集成設計

2018-03-12 19:24:51李久勝趙麗麗邵青

中國教育信息化·基礎教育 2018年2期

李久勝　趙麗麗　邵青

摘要：新形勢下電氣實訓裝置的改造升級思路是基于“互聯(lián)網+”的思維，將諸多分散的元件如繼電器、到位開關等低壓電氣元件，以及PLC、變頻器、電動機等，通過交互信息感知技術，實現(xiàn)設備管理、信息采集及數據挖掘及云端服務設計。以電氣綜合控制實訓室為例，先讓設備物聯(lián)化，實現(xiàn)有線至無線的跨越，再引入機器人巡檢技術，實時對設備故障、工況進行檢測，動態(tài)地分配任務。該類電氣物聯(lián)網系統(tǒng)集成設計，不但創(chuàng)新了人才培養(yǎng)的手段，也提高了實驗室智能化管理。

關鍵詞：電氣物聯(lián)網；巡檢機器人；系統(tǒng)集成；智能管理

中圖分類號： G642.4 文獻標志碼：B 文章編號：1673-8454（2018）04-0090-04

一、引言

工業(yè)系統(tǒng)集成與控制始于繼電器控制，智能化綜合提升得力于可編程邏輯控制，在“互聯(lián)網+”模式下，工業(yè)自動化面臨著新的機遇與挑戰(zhàn)[1-2]。尤其是物聯(lián)網、通信技術、大數據及云計算的發(fā)展，新業(yè)態(tài)的產業(yè)快速發(fā)展，對應的產業(yè)人才需求量隨之增加，然后，需求與供給存在一定的差距[3-4]。為破解該難題，應對的措施一方面是適當擴大人才數量的供給，另一方面需加強人才培養(yǎng)模式創(chuàng)新，為產業(yè)提供更多的掌握新技術新方法的專業(yè)人才。所以，在完善對應的人才培養(yǎng)方案、培養(yǎng)措施、培養(yǎng)計劃等在理論與知識方面強化之外，還需要從技能與技術手段全方位地進行增強，而這種手段最有效的措施就是實訓教學、實驗環(huán)節(jié)。目前，高校實驗室電氣設備的管理普遍處于松散的狀態(tài)，電氣設備繁多，由于人手問題，管理人員需要同時管理多個實驗室，想獲得設備的運行狀態(tài)往往需要管理員實地檢查，尤其需要逐臺檢查，費時耗力。同時，只有不斷與時俱進的先進設備及系統(tǒng)才能培養(yǎng)出新型優(yōu)秀的人才。故必需對傳統(tǒng)的電氣設備進行系統(tǒng)更新及創(chuàng)新集成，即基于物聯(lián)網技術，對傳統(tǒng)的電氣設備系統(tǒng)進行改造升級，在工業(yè)4.0建設背景下，引入人工智能技術，打造先進的一體化物聯(lián)網電氣實訓室，為智慧工業(yè)設備集成提供了新思路新模式。

二、Web服務機器人技術

機器人技術是一個國家科技實力及高端制造水平的體現(xiàn)，隨著制造業(yè)轉型升級，生產力在提高，工業(yè)機器人的市場需求在增加，公共安全、康復醫(yī)療、抗震救災、特種服務機器人、教育機器人等如雨后春筍一般快速發(fā)展[5-6]。而基于Web服務的機器人，比較適用于物聯(lián)網集成系統(tǒng)。一般情況下，機器人的操作是通過有線模型進行遠程或近距離控制的。隨著通信距離與傳輸速率也在不斷增加，用戶與機器人進行相互通信通過無線電波實現(xiàn)變成了可能，還可以不斷滿足眾多場合的應用需求[7-8]。

1994年，著名藝術家機器人學及自動化領域的科研工作者肯·戈德堡首次提出了基于Web瀏覽器的遠程操作機器人，而其最初的構想僅僅是給公眾提供一個可通過互聯(lián)網訪問的遠程控制機器人，并支持用戶對其實施遠程操作[9]。該領域經過十多年的研究，已取得不少成就。其發(fā)展大致可分為兩個階段：第一階段主要集中在機械手的網絡控制，例如Ken Goldberg的水星計劃[9]（Mercury Project）。第二階段以自主式移動機器人作為主要對象，使得與遠程環(huán)境的交互沒有空間的限制，從而實現(xiàn)遠距離環(huán)境下的真實無界交互作用。例如由德國波恩大學和卡內基梅隆大學開發(fā)的博物館導游機器人Rhino和Minervaf，它們能夠在高度動態(tài)的環(huán)境中實現(xiàn)安全自主導航，能與現(xiàn)場的觀眾“友好相處”。特別是Minerva，它能夠進行地圖的學習以及上下文地圖（texture map）的定位，其路徑規(guī)劃器考慮了移動機器人運動的不確定性，以避免移動機器人迷失方向[10]。目前可通過Web瀏覽器訪問的復雜的自主式移動機器人是Simmons開發(fā)的Xavier機器人Il。它具有一定的智能規(guī)劃能力，可以在樓內各層的各個房間進行一些簡單的傳送文件、敲門、說話等動作。

本文以電氣綜合實驗室為例，利用物聯(lián)網及巡檢機器人技術，打造一套現(xiàn)代化綜合的電氣物聯(lián)網實訓系統(tǒng)，將所有電氣設備進行集中化管理，實現(xiàn)遠程控制，提升實驗室電氣設備的管理效率，達到集成化、智能化管理的目的。

三、電氣物聯(lián)網系統(tǒng)集成

在“互聯(lián)網+”思維下，課題組借助于人工智能即機器人技術（巡檢機器人），以所屬的教學場地暢遠樓A實驗室、B實驗室的十多臺PLC控制設備為核心，將這十幾臺電氣設備集成到一個系統(tǒng)，實現(xiàn)對電氣物聯(lián)網設備進行智能一體化化綜合管理，形成一個完整系統(tǒng)機器人電氣物聯(lián)網系統(tǒng)，如圖1所示。

1.典型電氣設備的選取與集成

實驗室A選取了三個歐姆龍PLC實驗設備，PLC型號為歐CPM1A-40CDR-A-V1；同時還選取六個PLC系統(tǒng)電氣柜，其上PLC型號分別有歐姆龍CPM1A-MAD02-CH兩臺、西門子SIMATIC S7-300兩臺、西門子SIMATIC S7-200 smart一臺、臺達DELTA DVP32ES2一臺；而實驗室B選取了三臺光機電一體化裝置，其上PLC型號分別有匯川H2u-0016ERN一臺、歐姆龍SYSMAC CPM2AH一臺、三菱MELSEC FX3u-48M一臺。

針對每一臺PLC裝置，都對應地配置并設計了一個獨立的項目，也就是每一臺裝置都視作獨立運作完成一個具有一定功能性質的系統(tǒng)，如“某液體混合裝置”、“某生產線物料分揀設備”、“某遠程恒壓供水系統(tǒng)”、“某電力綜合變電裝置”、“某中水回用系統(tǒng)”等，改造前，設備之間并沒有任何關聯(lián)，均為相互獨立運行、獨立控制與操作。故而，如果需要對其運行狀態(tài)進行檢測，甚至是控制與管理，都必須實地查看，效率低。為此，將每臺PLC輸入輸出端口與“無線傳輸模塊”相連，將PLC運行狀態(tài)輸至所相連的無線傳輸模塊中，借由無線傳感技術ZigBee技術，將運行狀態(tài)信號通過電磁波以無線信號的形式進行短距離傳輸，無線信號經由多個無線節(jié)點，即無線信號中繼站——路由器，逐步傳輸至電氣設備集成系統(tǒng)的監(jiān)控中心，例如可以設置在暢遠B實驗室，這些無線信號經過控制中心協(xié)調器信號處理，即可將A實驗室、B實驗室這十幾臺PLC的運行狀態(tài)即時刷新，呈現(xiàn)在控制中心的顯示屏幕上。當然，控制中心所需要的ZigBee技術中的協(xié)調器所需的程序，需要根據通訊形式、設備數量等實時編寫；顯示運行狀態(tài)的觸摸屏組態(tài)程序，需要根據所監(jiān)測的PLC型號及其通訊方式進行同步編寫。endprint

2.集成系統(tǒng)優(yōu)勢

改進中，采用了ZigBee無線傳輸技術，大大免去了有線傳輸的麻煩與巨大成本。我們知道，若不是利用無線技術，而是有線方式傳輸，通常需要設計鋪設管道、拉設線路。如，從現(xiàn)有的A實驗室和B實驗室開鑿出一條線路，將每臺PLC輸入、輸出信號通過線橋或通道傳輸至控制中心。這樣一是過多的信號線通過有線鋪設成本會增加很多；二是長距離敷設線路，占用實驗室寶貴的空間，讓本來稀缺的空間資源顯得更加捉襟見肘；三是線路的可用性評估測試變得有困難，每增加一種線路時間，都需要預估可能存在的干擾情況，即結合現(xiàn)有電線的鋪設，進行可行性評估，以免影響先前其他線路；四是維護不方便。首期工作完成，線路完成鋪設后調試完畢進行封蓋，隨著時間推移，信號不暢或通信錯誤，進行故障排除時，則都撬開線路槽進行檢修，而后再封合，如此反復，不但耽誤教學工作開展，也無形中增加了成本。

為此，采用無線傳輸技術，即可免去鋪設信號傳輸線路的以上苦惱。借由ZigBee技術，無線傳輸模塊采集到PLC設備的輸入、輸出等信號后，以電磁波為載體的無線信號形式發(fā)出，經由若干個路由器進行信號的中繼傳遞，直至傳送至控制中心的協(xié)調器，接收信號，經信號處理后，顯示在觸摸屏上。其中，無線節(jié)點作為信號中繼站的路由器，其成本低，功耗低，安裝方便，甚至比安裝一盞普通照明燈都方便，即只要將其固定在走廊、過道的天花板上的某一個適合之處，都不必外連其他線路，只需半年左右更換一次電池即可。這樣，管理者只需要切換觸摸屏上的界面，即可選擇對任一個PLC運行狀態(tài)進行監(jiān)測，甚至有需要時，可以如此直接在觸摸屏上進行點擊控制，即可實現(xiàn)遠程對PLC運行狀態(tài)的改變與操控，從而免去了管理者實地查看的辛勞，只需要在控制中心的顯示屏幕上畫面切換進行監(jiān)測，實現(xiàn)了對電氣設備集成管理，顯著提升了實驗管理員對實驗室電氣設備管理的有效性，增強了對電氣設備的控制性，提高了對安全隱患排查的時效性。

四、機器人技術融入系統(tǒng)的總體設計

機器人技術的進步也促進了電氣綜合控制技術的發(fā)展。目前，機器人學已經包括了復雜機械、電子電力、通信、現(xiàn)代控制、生物仿真等多個學科，但其核心技術卻是智能技術，因為它涵蓋了多個研究領域，具有高度的滲透性、創(chuàng)新性和實踐性[11]。因此，它未來的發(fā)展也不再局限于機械手臂的發(fā)展或是機器人機構的優(yōu)化設計，更重要的是與外圍設備的交互以及功能擴展正推進機器人技術往前發(fā)展[12]。物聯(lián)網的出現(xiàn)和快速發(fā)展為機器人技術發(fā)展提供了新的思路。基于物聯(lián)網技術的機器人系統(tǒng)是由機器人單元、各電氣設備、物聯(lián)網的實驗箱、上機位等組成，其總體結構如圖2 所示。

基于物聯(lián)網技術的機器人系統(tǒng)無線網絡的技術框架：一是感知層，用于檢測如PLC、機器人、觸摸屏、變頻器等比較常用的電氣智能設備的數據情況的傳感器單元（溫濕度傳感器，振動傳感器，霍爾傳感器）；二是網絡層，作用是在兩個節(jié)點之間進行數據上的傳送（串口數據傳輸、無線數據接收發(fā)送、USB等）單元等；三是應用層[13]，將感知層所收集到的最終數據進行相應的計算、處理與進一步的運用于中心單元融合。

由于Zigbee通信技術的網絡拓撲結構為串（樹/簇）型網絡，結構較簡單，可以覆蓋到較大的范圍。在串（樹/簇）型網絡中必包含至少一個全功能設備（FFD）作為Zigbee網絡中的主協(xié)調器節(jié)點，負責建立起系統(tǒng)中的網絡，為系統(tǒng)的通信做準備，這在三種網絡拓撲結構中必不可少。此外，全功能設備（FFD）也可以當做主協(xié)調器的從屬設備路由器和終端節(jié)點，既可以和其他設備進行通訊，傳遞由終端節(jié)點傳送到主協(xié)調器的數據，也可以單純地向上一級傳送數據。而簡化功能設備（RFD）只能作為終端節(jié)點，由路由器或是主協(xié)調器進行管理。

五、系統(tǒng)工作流程

將各設備打開，用RS232串口線將上機位與物聯(lián)網實驗箱聯(lián)接起來，并將編寫好的Zigbee無線網絡的相關程序燒錄進實驗箱中的核心模塊，為整個系統(tǒng)的開啟工作做好準備。系統(tǒng)工作的流程如下：用戶通過上機位下達命令，管理實驗室空間內的電氣設備；由于上機位與物聯(lián)網實驗箱已經通過RS232串口線聯(lián)接完畢，相關命令由上機位的串口傳遞給物聯(lián)網實驗箱中的主協(xié)調器。而Zigbee無線網絡在整個系統(tǒng)中起著信號傳遞的作用，主協(xié)調器通過已建立的網絡將命令傳遞給路由器，路由器接收從協(xié)調器發(fā)送而來的命令并將命令轉發(fā)送給終端節(jié)點。該終端節(jié)點設計安裝有W-003 WiFi模塊，可以實現(xiàn)ZigBee與WiFi模塊之間的相互通信。終端節(jié)點接收到用戶的命令后，通過W-003 WiFi模塊，將命令信號發(fā)送給機器人嵌入式處理器中進行相應的處理，控制機器人對電氣設備進行智能管理與控制。同時，裝有相應傳感器（溫濕度傳感器、振動傳感器、霍爾傳感器）的ZigBee終端節(jié)點時時刻刻監(jiān)控著PLC、機器人、觸摸屏、變頻器等電氣智能設備，采集傳輸信號，提煉出有價值及意義的采集及控制的數據，并由路由器接收發(fā)送傳遞給物聯(lián)網實驗箱中的主協(xié)調器，主協(xié)調器將這些數據通過RS232串口線發(fā)送給上機位，方便用戶進行隨時查看與監(jiān)控[14]。此外，本課題使用的是WiFi型機器人，用戶可以通過手機或是上機位與目標機器人通過WiFi連接進行直接控制。

六、系統(tǒng)優(yōu)勢

該系統(tǒng)從側面驗證了物聯(lián)網技術在未來科技發(fā)展中起著不可缺少的作用，歸納為系統(tǒng)具有如下六方面優(yōu)勢：一是在充分利用物聯(lián)網通信的多用性、靈活性和魯棒性情況下，搭建好智能電氣設備信號的采集、傳輸、處理及應用的全通道，保證整個信號流程的實時通暢[15]；二是該系統(tǒng)通過將物聯(lián)網體系構造的核心技術的深度解刨，對感知層所采集到的數據進行相關分類處置和進一步的挖掘，從而完成對物理世界的及時控制、明確經管和科學決策；三是使用的Zigbee技術，雖然其硬件資源電源的容量有限，通信能量能力低下，計算能力也較為有限，數據傳輸速度低，但它節(jié)點數量眾多，可以進行較為密集的分布，可以保證系統(tǒng)打破區(qū)域限制，將相互隔離實驗室中的電氣設備特別是智能設備如PLC、機器人、觸摸屏、變頻器及工業(yè)領域比較常用的設備及信息進行全面采集與綜合管理，從而使各個實驗室之間實現(xiàn)互通有無，全方面整體的管理；四是實現(xiàn)了電氣設備弱電信號的無線采集，智能設備強電信號無線監(jiān)控，從而將典型的電氣試驗設備電控信號實現(xiàn)無線上網及相關實驗教學的深度融合；五是通過將機器人技術與物聯(lián)網系統(tǒng)集成進而控制電氣設備，從而形成一個基于物聯(lián)網的實驗室教學與管理系統(tǒng)，實現(xiàn)典型案例的演示與教學模板的塑造；六是系統(tǒng)發(fā)揮了移動機器人的優(yōu)勢，普及了相關傳感器的應用，可以有效避免在某些非人為可以干預的情景下需要進行的一些操作，傳感器件可以24小時實現(xiàn)自檢，提高了工作效率，節(jié)省了檢測的人力、物力。endprint

七、結束語

物聯(lián)網技術的加速發(fā)展為探測監(jiān)察等提供了新的思路與方案設計，也為機器人遠程遙感技術提供了無線技術支持。本文對基于物聯(lián)網技術的機器人系統(tǒng)集成進行了深入研究，充分利用目前發(fā)展前景良好的物聯(lián)網技術，并對高校實驗室內的智能電氣設備的控制檢測等進行有效的集成。設計中，將Zigbee無線傳感技術與用戶基礎廣泛的WiFi技術相結合，能夠對目標機器人快速下達指令，保證相關檢測數據的實時傳輸與全天候的檢測，更重要的是這二者的無線技術與目前的有線技術相比能夠打破區(qū)域限制，將幾個甚至幾十個實驗室的電氣檢測及控制信息全面采集與綜合管理。其次，系統(tǒng)中大數量的節(jié)點布置可以保證基于CC2431芯片定位方案的可行性，也可忽略發(fā)射信號因不可控因素的影響而造成的誤差。

參考文獻

[1]Simmons R.XAVIER：An autonomous mobile robots on the Web[C]. Proceedings ofIROS 98 Workshop on Robots.Victoria，Canada，12.17 October 1998：43-48.

[2]Yoerger D，Weiman R，Somers T. Remote control of a telerobotic underwater vehicle viasatellite[C]. Telesystems Conference，1991：333-336.

[3]于濤.具有力覺反饋的遙操作機器人研究[D].長春：吉林大學，2005.

[4]宋華.基于Web的遠程機器人控制技術的研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工程大學，2003.

[5]陸妹.遙操作水下機械手主從控制系統(tǒng)研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工程大學，2002.

[6]王軍杰.基于P2P技術的家用智能機器人遠程控制系統(tǒng)方案的研究與設計[D].上海：復旦大學，2012.

[7]王可之.基于Pioneer 3-AT的變電站巡檢控制系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[D].重慶：重慶大學，2011.

[8]董江磊.基于物聯(lián)網的移動機器人遙操控系統(tǒng)研究[D].天津：天津職業(yè)技術師范大學，2014.

[9]周軍，謝成祥.網絡遙操作機器人系統(tǒng)模糊變結構控制研究[J].信息技術，2011（6）：30-33.

[10]馬官營.人體腸道診查微型機器人系統(tǒng)及其無線供能技術研究[D].上海：上海交通大學，2008.

[11]葛艷紅.基于物聯(lián)網的教育機器人關鍵技術研究[D].武漢：武漢理工大學，2013.