物聯網技術下多機器人綜合管理系統設計

崔嘉偉

（廣州南洋理工職業學院 廣東 廣州 510925）

1 引言

近年來，物聯網的發展關注度越來越高，在物聯網技術的研制以及在其應用系統的開發上的重視程度也尤為突出，物聯網技術的應用已經逐步成為人們生活中的重要一部分。基于物聯網技術在自動化方面的研究應用也逐步成為一種趨勢[1]。在城市等地區，由于建筑物的遮擋和反射，使得機器人采集實時圖像、實時傳感信息傳輸距離較短，機器人的信息也相互割離，需要通過中繼站才能和指揮系統聯結。因而，本文研究了物聯網技術下多機器人綜合管理系統設計來解決此問題。

2 基于物聯網技術的多機器人系統的結構

現今物聯網技術的理念已經基本成熟，即圍繞現有的高速傳輸網絡技術為核心，通過數據收集端口使目標與網絡相連接，隨后通過數據處理，并傳輸到分析系統，經過分析后將結果反饋到最終的應用終端。

基于物聯網技術的多機器人體系結構框架大致分為3個層面，即數據收集為主的基礎層，數據處理及傳輸的網絡層及最后應用的服務終端。數據收集端口將數據傳輸到基礎網絡中進行編碼，通過組網通信協議后，經過分析將信息傳輸回服務端口，其中還要配備完整的信息安全網絡保護系統對信息進行實時監護[2]。

物聯網技術的多機器人體系的宏觀系統的運轉流程主要分為5部分，即由采集各類數據的多參數末端設備端口實現多元化數據的接收與采集，隨后利用無線網絡、局域網以及遠程網絡服務器對已采集的信息進行遠端輸送，以此類推，即將各種物體通過傳感器形成數據化的互聯網絡，并將各類端口接收到的物體信息傳輸到組網通信的服務器中，并在指定的服務器中對傳送來的數據進行各類相關的數據信息處理及分析，隨后將監控設備實時狀況的數據可視化并以網絡數據的形式反饋到瀏覽器中，通過登錄移動終端APP即能看到已連接的實時監控設備的實況動態及相關信息[3]。服務器還可將所儲備的設備信息與標準狀態時的信息進行實時比較分析，當設備出現異常狀態時能夠及時發現，分析原因，并確保能夠采取相關的補救措施。

針對城市和大工業區災害險情救援現場的低空觀察、信息采集的需求和特點，基于物聯網技術的多機器人系統核心技術包括有各類地面移動機器人、偵查機器人、救援機器人平臺技術；各類地面偵察機器人和救援機器人的任務傳感器和信息處理；物聯網應用組網技術；多機器人系統的地面裝車技術；機器人的任務和調度軟件；綜合信息處理和顯示人機交互終端。

3 基于物聯網技術的多機器人系統硬件

3.1 RFID模塊

RFID也就是無線射頻識別技術[4]。完整的RFID是由3部分構成的，其中包括標簽源、天線、閱讀器[5]。標簽源可以嵌入到目標實物當中，經過觀測的數據，進行電子編碼，然后經過由發射元件與芯片組成的裝置，發射出去。天線接收由標簽源發射出來的編碼數據，閱讀器將天線接收的信息進行解碼操作，可以再次進行數據的分析匯總或者分類均可。RFID芯片容量大、壽命長，完全滿足了使用中的需求。

RFID設備計算能力相對較弱，它可以計算偽隨機函數，但是這種計算所需的時間（例如，幾毫秒）比我們的距離邊界應用程序可接受的最大響應延遲方差（幾十納秒）長很多數量級。加密計算是根據外部提供的，因此代理讀取器可能會加速時鐘信號，以期獲得更快的響應。如果RFID設備沒有內置的高精度時基，例如晶體振蕩器，本設計采用簡單的模擬帶通濾波器并應用于時鐘信號，這樣作為可信時間基準，能夠防止時鐘頻率偏差。事實上，在許多現有的RFID系統中使用的調諧的磁環天線，其中載波頻率是時鐘信號。

3.2 傳感器模塊

各個傳感器之間的節點可以實現與RFID閱讀器之間相連，進而實現了數據的分析。通過無線射頻裝置的安裝實現數據的交換，很大程度上提高了數據的實時性效果以及其高效性體驗。在不同的環境應用中，無線傳感器原理不盡相同，由數據收集、數據加工、數據傳送還和電源4大部分構成。數據收集部分由大量傳感器構成，已達到目標要求的檢測。數據加工中內嵌中央處理器對于收集到的數據進行內部傳送的編碼處理[6]。而數據的傳送則是通過無線通信模塊構成，基本可以達到數據的實時跟蹤放大。電源則是為實現這一切的功能提供能源支持。將無線傳感器安裝在機器人上，傳感器通過對影像的提取，經過無線發射裝置發射到接收端，接收端通過與網絡的連接以及網絡信息庫的對比實現對觀測物質的實時分析，并且可以進行相應的數據分析，得到數據結果分析報告。

4 基于物聯網技術的多機器人系統通信網絡

盡管目前物聯網多機器人系統通信網絡還沒有統一的解決方案，但已經有許多不同的通信技術被提出，目前正在運行并已經部署在世界各地的許多設備上。大多數連接都將采用固定和短程通信標準，通過傳統蜂窩式物聯網或低功耗廣域網（LPWAN）實現多機器人系統大規模物聯網和關鍵物聯網連接。

4.1 遠程網絡

LPWA技術是為物聯網多機器人系統通信網絡應用提供低功耗和遠程連接解決方案的最有前途的技術之一[7]。本文給出了一些支持遠程MTC的流行LPWAN，如SigFox、LoRa、Ingenu RPMA、Weightless和DASH7，它們與實現物聯網MTC相關。

4.2 短程網絡

本文介紹了一些傳統的短距離無線網絡技術，這些技術目前正用于支持短距離M2M通信應用，包括藍牙、ZigBee和低功耗Wi-Fi。這些技術是可行的，最適合物聯網的消費者，但可能無法支持民用、工業和其他相關物聯網應用，因為這些應用的需求超出了其特征功能的能力。

4.3 蜂窩技術

物聯網多機器人系統通信網絡應用的未來需求是推動蜂窩技術增長的主要關鍵因素。蜂窩LPWA技術有望確保提供多機器人系統通信網絡各種服務或應用。本文介紹了新一代移動通信中出現的各種模式轉變，新一代移動通信已被廣泛用于提高多機器人系統語音通信的質量，并為最終用戶提供了一個新的多機器人系統全球連接解決方案的機會，其目標是確保通過新技術實現無處不在的通信服務要求。

4.4 物聯網3GPP蜂窩解決方案

3G、4G等蜂窩技術，尤其是傳統的第三代伙伴關系項目長期演進（3GPP LTE）網絡是目前最有希望的技術之一，這些技術被視為實現現代物聯網應用的主要解決方案。這些有希望和有吸引力的技術能夠提供廣泛的覆蓋范圍，其具有相對較低的部署成本、高安全性、專用頻譜分配和高效的多機器人管理系統。然而，由于為優化寬帶網絡的利益而部署，它們不適合當前的MTC。

目前的物聯網格局包括不同的連通性解決方案，這些解決方案需要在各關鍵行業參與者之間協調一致，以確保實現物聯網技術關鍵績效指標（KPI）的要求。3GPP希望確保在包括UMTS在內的4G寬帶網絡上有效支持M2M應用，LTE一直在大力工作，以確保M2M通信在未來得到有效發展，并有望為大規模物聯網應用設想的5G新無線系統。3GPP最近推出了3個主要的關鍵標準，將加強大規模智能連接設備和服務的部署。

現有蜂窩技術的通信，如GSM、LTE網絡和NB IoT。希望通過這些新推出的物聯網LPWA解決方案，提供廣泛的覆蓋范圍、用戶設備（UE）的復雜性降低、電池壽命長等。然而，新出現的標準的最終目標是最大限度地重新使用遺留蜂窩網絡基礎設施，這將增強和支持物聯網應用程序的大規模連接。

4.5 軟件系統

位于遠程的監控服務器上運行的軟件主要實現對災害現場的機器人系統進行監控。其運行界面實現遠程機器人采集實時圖像、實時傳感信息顯示，并結合GIS的數字地圖，將機器人的軌跡態勢等同步顯示，提供重要的決策信息，并通過網絡發布控制命令。強大的監控能力及友好人機控制界面將體現M2M技術最核心的意義[8]。

5 結語

本文基于物聯網技術的多機器人偵察系統采用了物聯網通信技術將各類移動偵察機器人、救援機器人系統進行融合，即機器人的實時觀察圖像、方位，移動偵察機器人位置、圖像和傳感器信息，及救援機器人位置信息等綜合處理，實現集GPS、GIS、實時圖像、實時傳感信息顯示的救援管理系統。與同步衛星相比，系統具有機動性好、成本低、研制周期短等優點，增強和提升我國對城市、工業區災害救援現場險情的救援能力。