基于無線傳感器網絡的室內移動滅火機器人系統設計

史 兵，段鎖林，李 菊，王 朋，朱益飛

(1.常州大學 城市軌道交通學院，江蘇 常州 213164； 2.常州大學 機器人研究所，江蘇 常州 213164)(*通信作者電子郵箱shibings@163.com)

0 引言

火災給人們帶來了巨大的生命和財產損失。特別是一些特殊的企業發生的火災，如化工企業、紡織企業等，具有突發性強、燃燒猛烈等特點，并且火災過程中會產生大量的有毒氣體，嚴重地危害周圍群眾和救災人員的生命安全。如2015年發生的天津港大火，不僅造成了巨大的經濟損失，更是造成了消防人員的巨大傷亡，因此，開發一種自主移動滅火機器人，實時監測易燃區域，將具有重要的現實意義。

國內外，已經針對此種移動滅火機器人有了一些研究，并取得一定進展[1]。

2008年，由德國馬格德堡-施騰達爾大學設計開發了一種球形新型消防機器人，用來監測森林火災。2009年，由挪威科學家研制出一種蛇形消防機器人，進入消防救援人員無法進入的場所實施滅火工作。英國智能化保安公司研制的消防機器人，配有履帶式行走機構，可較為便利地越過障礙物，抵近火源，利用水槍進行滅火。美國海軍研制出一種直立行走的，人行的滅火機器人，用于艦船內部的消防工作。在國內，公安部上海消防研究所和上海交通大學聯合研發出一種履帶式消防機器人，具有快速攀登樓梯的能力，同時裝備多數據傳感器，如攝像機、氣體成分分析儀、紅外探測器以及全球定位系統(Global Positioning System， GPS)模塊，能進入危險區域進行偵查和救援。國內也有一些高校與科研院所設計出了功能類似的消防機器人。

然而，目前國內外關于滅火機器人的工作，絕大部分是針對室外滅火機器人，而對于同樣重要的室內滅火機器人的研究較少。現階段室內消防，以固定消防噴頭，配合覆蓋目標區域的傳感器為主，此種方式具有成本低、易于實現等優點，但也存在滅火設施噴灑面積過大，指向性不強等不足。本文針對室內移動滅火機器人的工作室內空間有限、便于布置等特點，采用無線傳感器網絡(Wireless Sensor Network，WSN)技術，對室內整體環境進行監測，并與移動機器人聯網，減少機器人巡檢次數，延長其生命周期，能在火災初發期，針對性地使用滅火器對火源滅火，指向性強。同時，通過構建數據庫、Web服務器等網絡環境，實現遠程網絡控制功能，將系統機器人向網絡移動機器人轉變，因此，基于無線傳感器網絡且具有網絡控制功能的室內滅火機器人，是對室內消防模式的有益探索和對傳統室內消防方法的有效補充。

1 系統結構

本系統由現場單元、監控中心單元和遠程單元三部分構成，如圖1所示。

圖1 系統結構

現場單元由無線傳感器網絡和移動滅火機器人構成，負責監測工作區域內工作狀況，如發生火災，則移動滅火機器人自主移動到目標位置執行滅火工作，同時將數據上傳到監控中心單元。

該單元的工作過程如下：移動滅火機器人最初處于靜止休眠狀態，以達到節能的目的。傳感器節點負責定時采集工作區域內的多種參數，如溫度、濕度、煙霧等，并將采集到的數據和自身的位置信息，發送到移動機器人。移動機器人對收到的信息進行處理，判斷是否發生火災。若有火災，則立即喚醒機器人，并根據預先生成的全局地圖規劃出一條通往火源區域大概位置的路徑，并移動過去，同時啟動雙攝像頭捕捉火源和對目標精確定位，根據定位信息再次重新規劃路徑，最終找到火源并自動執行滅火指令。移動機器人將所獲取的參數信息實時上傳到監控中心單元數據庫，并接收控制中心計算機的控制指令。

監控中心單元為上層用戶，負責接收和維護現場單元傳輸過來的實時數據，并對外提供Web服務，同時具有遠程控制現場單元移動機器人的功能。

遠程單元即更上層用戶，得到授權的用戶可以直接使用瀏覽器登錄監控中心提供的Web服務器，查看實時數據，或下載數據，實現更高層次的管理。

2 無線傳感器網絡體系設計

無線傳感器網絡是現場單元中一個重要的組成部分，由一定數量的、具有近距通信功能的、廉價且低功耗的微型節點構成[2]。該網絡中的數據通過單跳或多跳的方式進行傳輸，是一種自組織的通信網絡。本系統采用支持IEEE802.15.4的ZigBee技術構建的無線傳感器網絡，具有低功耗、低成本、網絡容量大、安全性高、開發復雜度低等特點，非常適合本系統中對室內區域環境的監控[3]。

2.1 拓撲結構設計

無線傳感器網絡中的節點有網關節點(即協調節點)、路由節點和終端節點3種類型[4]。網關節點負責構建和維護網絡環境，允許路由節點和終端節點加入網絡，并分配網絡地址；路由節點主要起到數據轉發的功能，同時也允許終端節點加入成為自己的子節點；終端節點是一種簡化了功能的節點，即傳感器節點，它只負責收集數據，并發給其父節點。由ZigBee技術構建的無線傳感器網絡一般采用3種常見的拓撲結構，即星型拓撲(Star)、樹型拓撲(Tree)和網型拓撲(Mesh)。

本系統設計的無線傳感器網絡面向室內環境，如紡織倉庫等，一般具有以下一些特點：

1)倉庫室內面積較大；

2)倉庫室內高度較高；

3)倉庫室內有平坦的通道；

4)倉庫室內貨物的放置較整齊，規范；

5)發生火災時，有較大的煙霧。

同時，考慮到系統拓撲結構必須滿足滅火機器人在移動過程中也能準確接收各終端節點數據的要求，將系統的現場單元中無線傳感器網絡的拓撲結構設計成網狀結構，其結構如圖2所示。

圖2 系統網絡拓撲結構

圖2(a)表示初始狀態時，移動機器人處于靜止休眠狀態，機器人攜帶的網關節點，自組織起一個網型拓撲結構。終端節點定時采集數據，路由節點通過多跳方式，最終將數據發到網關節點，網關節點再通過移動機器人的串口接口，發送至機器人內部的計算機，由計算機進行進一步識別處理。圖2(b)表示當機器人處于移動狀態時，受限于通信半徑，原本連接的路由節點可能會失去聯系，而以前未直接連接的路由節點，則可能變成可直接通信的節點。圖2表明本系統拓撲結構是隨機器人的移動而變化的拓撲結構，但仍屬于網型拓撲的范疇，機器人在移動過程中由協議棧自動維護更新拓撲。

2.2 傳感器節點設計

傳感器節點是本系統中室內環境參數采集的實際執行單元，由處理器模塊和傳感器模塊組成[5-6]。處理器模塊采用美國德州儀器公司(Texas Instruments， TI)公司的CC2530模塊，該模塊由主要由增強型8051處理器、存儲器和ZigBee無線單元構成。傳感器模塊由各型傳感器，包括溫度、濕度、煙霧、熱源傳感器等及其調理電路構成[7]。

路由節點與網關節點的硬件無需專門設計，直接使用移除了傳感器的傳感器節點，并載入路由節點程序和網關節點程序，即可配置成路由節點和網關節點。

3 移動滅火機器人系統

移動滅火機器人是現場單元中另一個重要的組成部分，本系統所采用的機器人開發平臺由上海英集斯自動化技術公司提供。整機3點支撐，前面2個驅動輪，后面1個萬向輪平衡，機體寬度485 mm，總長494 mm，高度495 mm。為了使機器人能在無線傳感器網絡環境中運行，在開發平臺的基礎上，增加了一個無線傳感器網關節點，通過通用串行總線(Universal Serial Bus， USB)接口與機器人連接。

3.1 機器人控制系統

機器人控制系統作為機器人系統的核心，它包括對機器人語音、圖像、網絡、運動及其他傳感設備的控制，本機器人控制系統主要由上位機(工業級嵌入式系統)和下位機(運動控制卡)組成，其結構如圖3所示。

圖3 機器人控制系統結構

工業級嵌入式系統選用Intel Pentium M 1.8 GHz處理器，擴展到1 024 MHz DDR 400內存，8路USB2.0接口，5路RS232接口，支持IEEE802.11g無線網卡和以太網接口。

運動控制卡選用TI公司2000系列數字信號處理器(Digital Signal Processor， DSP)，它是針對電機伺服控制開發的DSP芯片，自身集成了電機控制所需的各種功能，如脈沖寬度調制(Pulse Width Modulation， PWM)控制、編碼器信息采集等。同時，還集成了串行外設接口總線(Serial Peripheral Interface， SPI)、控制器局域網總線(Controller Area Network， CAN)通信，16通道10位AD采集以及數字量輸入、輸出信號。

3.2 機器人傳感器系統

1)距離傳感器。

機器人配置6個超聲波距離傳感器，圍繞其四周布置。選用美國Pololu公司生產的Maxbotics LV-MaxSonar-EZ系列的超聲波測距模塊，有效探測距離為20 cm～7 m。聲納測距傳感器的測量精度：±5%。

2)火焰傳感器。

機器人配置3個火焰傳感器，選用日本HAMAMATSU 公司R2868型火焰傳感器。通過火光中微弱紫外線發現火源，它可以探測185～260個不同的狹窄光譜敏感源，探測距離約為5 m。

3)離子感煙傳感器。

機器人配置1個離子感煙傳感器，安裝在機器人上部，選用美國HONEYWELL公司JTY-LZ- 1424型離子感煙探測器。其工作溫度范圍為-10℃～50℃，工作濕度范圍為≤95%RH。

4)視覺傳感器。

機器人配置1個高清攝像頭，安裝于機器人上部云臺，選用瑞士羅技公司CC3000型。10倍數碼變焦、自動對焦、120°水平視場，通過USB2.0與上位機相連。

4 控制中心單元設計

控制中心單元由監控計算機、數據庫和Web服務器三部分構成，如圖4所示。監控計算機通過無線的方式，接收移動機器人上傳的數據，如環境參數數據、現場視頻等。監控計算機將信息以圖形界面的形式顯示，并將信息寫入數據庫中，以便Web服務器在響應遠端瀏覽器請求時，讀取信息。

圖4 系統各部分邏輯結構

遠程客戶端利用瀏覽器登錄Web服務器，可以實時顯示數據。當遠程客戶端與監控計算機都安裝基于Socket網絡通信軟件時，則可以遠程控制移動機器人，包括喚醒、參數配置、目的地指定等，使獨立的移動機器人平臺變成了一個網絡移動機器人，其控制命令流向如圖4中點狀線箭頭線所示。

1)數據庫的構建。

數據庫是本系統中一個很重要的部分，關系到整個系統功能能否順利地實現。數據庫系統中保存多種重要信息，以備調用，如授權用戶、登錄記錄、溫度參數、濕度參數、圖片信息、煙霧參數、報警記錄等。本系統建立的是SQL(Structured Query Language) Server型的數據庫，數據庫中的信息以表單的形式呈現，便于輸入與讀取。

2)Web服務器的構建。

本系統采用VS2010(Microsoft Visual Studio 2010)開發平臺構建Web服務器，通過響應客戶端瀏覽器發出的HTTP(Hyper Text Transfer Protocol)請求，從數據庫中獲取需要的數據，生成動態交互式網頁(Active Server Page， ASP)，然后呈現給客戶端。系統Web服務器還采用AJAX (Asynchronous Javascript And XML)技術，實現了數據庫中的數據，實時更新到客戶端頁面，并提供用戶登錄、數據實時顯示、歷史記錄查詢和數據輸出等功能。

5 軟件設計

系統軟件部分主要由無線傳感器網絡節點軟件、移動機器人軟件、控制中心計算機軟件、Web服務器軟件4類組成。無線傳感器網絡軟件有傳感器節點軟件、路由節點軟件和網關節點軟件，共3種。機器人軟件實現對機器人的控制和與上位機的通信；控制中心軟件實現對現場機器人數據的接收和控制以及寫入數據庫，并以圖形界面的形式表示；Web服務器軟件實現了對遠程瀏覽器客戶端請求的響應，并提供實時信息的功能[8-9]。

5.1 無線傳感器網絡節點軟件設計

傳感器節點軟件流程如圖5(a)所示，網關節點軟件流程如圖5(b)所示。節點軟件均基于TI公司Z-STACK2007協議棧，采用C語言編寫。

圖5 節點軟件流程

路由節點軟件只需使用Z-STACK協議棧提供的默認代碼即可，無需單獨編寫。大幅度節省了開發時間和降低了開發難度。

對從事快遞業已有6年的中通快遞員李師傅來說，“雙11”就是一場拼體力的戰斗。從早上8點到網點取貨送貨，一直要忙到晚上9點多，“高峰期要送大約300個件，是平時是2到3倍。”李師傅說。

5.2 機器人軟件設計

移動機器人軟件系統管理與機器人相關的所有工作，包括：傳感器管理模塊、圖像處理模塊、語音處理模塊、網絡通信模塊和運動控制模塊。其系統軟件結構如圖6所示。軟件基于VS2010平臺，采用面向對象方法，使用C++語言開發，運行于機器人系統的上位機[10-11]。軟件支持多線程，每個模塊由一個線程處理。線程之間利用消息的方式進行通信，共享數據，利用串口與運動控制卡(下位機)進行命令與參數的傳遞[12]。

該結構除了具有自主性、智能性等基本特點外，還具有以下特點：

1)整個結構既具有較強的應急反應能力，也具有遠期規劃能力；

2)具有較強的擴展性，可以不斷增強完善自身的各項功能。

移動機器人執行檢測和滅火工作的軟件流程，如圖7所示。

圖6 機器人軟件系統結構

圖7 檢測和滅火流程

機器人在開始工作時，按照設定的“Z”字形默認路徑運動，并通過火焰傳感器檢測是否有火焰。當發現火焰后，則調整云臺方向，利用攝像頭進行圖像檢測和火焰定位，并控制機器人的運動方向。當接近火焰后，機器人停止并調整方向，然后執行滅火的相關動作。

5.3 控制中心監控軟件設計

控制中心計算機軟件也基于VS2010平臺，使用C++語言開發。監控系統軟件具有實時監控、遠程控制、通信設置、歷史數據和幫助5個功能模塊，其結構如圖8所示。

圖8 監控軟件結構

實時監控部分有三個子窗口，分別是環境參數子窗口、遠動參數子窗口和實時圖像子窗口。環境參數子窗口實現對室內環境參數的監控，如溫度、濕度、煙塵等參數的監控，并以數值和曲線的形式表示出來[13]；運動參數子窗口實時顯示當前機器人的各種運行參數，如速度、位移等；實時圖像子窗口，顯示當前攝像頭所拍攝的圖像，讓用戶對現場有直觀的了解和判斷。遠程控制部分有兩個子窗口，分別是：控制界面和運動曲線子窗口。控制界面子窗口，為用戶提供了遠程控制的機會，既可控制控制機器人的運動，也可控制機器人上攝像頭的方向；運動曲線子窗口，用于提供當前機器人的路徑規劃信息[14-15]。通信設置部分的子窗口為通信參數配置子窗口，該子窗口主要提供客戶機與服務器的連接參數配置服務。歷史數據部分有三個子窗口，分別提供環境參數、控制命令和運動曲線信息的查詢服務。幫助部分有兩個子窗口，分別提供機器人開發信息幫助和各功能模塊的介紹服務。

5.4 Web服務器軟件設計

Web服務器端軟件基于VS2010平臺，使用C#語言開發。系統軟件具有實時數據、歷史數據、數據輸出、系統幫助四個主菜單。Web服務器將響應客戶端瀏覽器的請求，并根據請求，準備ASP網頁數據，必要時從數據庫獲取數據，最后將網頁數據返回給客戶端瀏覽器，完成數據傳遞[16]。

實時數據菜單顯示室內環境參數信息，如溫度、濕度、煙塵等以及現場實時圖片。

歷史數據提供所有以往數據的查詢、顯示服務；數據輸出則提供歷史數據的打印服務；系統幫助提供數據信息的說明服務。

6 系統測試

測試場所為一間長約20 m，寬約為10 m，高約4 m的實驗室。路由節點沿實驗室頂部四周每隔10 m均勻布置，使用5個傳感器節點在距地面2 m處的S平面內隨機布置，如圖9所示。

圖9 測試節點布置

測試初始條件為：設置所有節點的傳輸頻率為2.4 GHz，發射功率為0 dBm，數據包長為1個字節，初始能量一致，傳輸半徑約為25 m。

為了測試不同拓撲結構在不同發送時間間隔時的丟包率，需要對無線傳感器節點的發送程序進行簡單的修改，使其固定發送1個字節的數據包。測試分網關節點被障礙物遮擋和無障礙物遮擋2種情況，以厚度約20 mm的書本模擬障礙物遮擋。

首先，進行無遮擋測試，將拓撲結構設置成網型結構，將發送間隔分別修改為0.1 s、0.5 s、1 s、1.5 s、2 s、2.5 s，測試6次，單個傳感器節點每次發送40個數據包，每次共發送200個數據包。再將拓撲結構修改成樹型結構，再重新測試6次。移動機器人身上安裝的網關節點，增加數據包統計的簡短代碼，用來統計收到的數據包個數。然后，重復測試網關節點被遮擋情況時的丟包率。星型拓撲結構由于傳感器節點與網關節點采用單跳的方式通信，而實際系統運行空間較大，有可能會超過其通信半徑，并不適合本系統，因此不作測試比較。測試運行后，無遮擋情況統計結果如圖10(a)所示，有遮擋情況統計結果如圖10(b)所示。

從圖10可以綜合得出，網型拓撲網絡發送間隔為0.1 s、1 s、1.5 s、2 s時，在無遮擋網關節點情況下，丟包率分別為14.5%、4.2%、2.0%、0.0%；有遮擋時情況下，丟包率分別為24.5%、17.2%、16.0%和15.0%。

圖10 丟包率測試結果

樹型拓撲網絡發送間隔為0.1 s、1 s、1.5 s、2 s時，在無遮擋網關節點情況下，丟包率分別為16.0%、9.0%、6.0%、4.0%。有遮擋情況下，丟包率分別為45.0%、31.2%、26.0%和21.0%。

從對比數據可以得出：當網關節點無遮擋時，相同拓撲結構下，發送間隔越短則丟包率越高。在相同的發送間隔下，網型拓撲結構的丟包率低于樹型；當網關節點被遮擋時，兩種拓撲結構的丟包率都大幅度增加，當時發送間隔變大后，丟包率會保持一個平穩水平，此時遮擋因素起主導作用。在考慮丟包率和實時性因素情況下，本系統選擇網型拓撲結構和1.5 s的發送間隔可以滿足數據傳輸實時性的實際需求。

7 結語

本文將無線傳感器網絡技術與網絡技術相結合，設計了一種具有遠程監控功能的室內滅火網絡機器人系統。通過構建網型拓撲結構的無線傳感器網絡，實時獲取室內的環境參數，移動機器人根據實時環境信息自主完成下一步的動作。通過構建數據庫和Web服務器，遠程終端可實時監測現場的情況，并可通過終端軟件遠程控制移動機器人動作，極大地拓展了移動機器人的功能。現場測試表明，本系統采用的網型拓撲無線傳感器網絡，在發送間隔為1.5 s，且網關節點無遮擋時的數據傳輸丟包率不高于2%，能滿足系統對數據傳輸的實際要求。

下一工作將對移動機器人的環境建模和路徑規劃方面展開研究，以期達到能快速、準確地找到火源，并開展滅火行動的目的。

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This work is partially supported by the National Natural Science Foundation of China (51405039), the Science and Technology Support Project of Jiangsu Province (BE2013671), the Jiangsu Overseas Research & Training Program for Prominent Young & Middle-aged Teachers and Presidents in Universities.

SHIBing, born in 1976, Ph. D., associate professor. His research interests include wireless sensor network, mobile robot.

DUANSuolin, born in 1956, Ph. D., professor. His research interests include intelligent robot, control engineering.

LIJu, born in 1981, Ph.D., associate professor. Her research interests include robot control, intelligent automation.

WANGPeng, born in 1992, M. S. candidate. His research interests include robot vision.

ZHUYifei, born in 1992, M. S. candidate. His research interests include intelligent robot.