基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的室內(nèi)移動滅火機器人系統(tǒng)設(shè)計

史 兵，段鎖林，李 菊，王 朋，朱益飛

(1.常州大學(xué) 城市軌道交通學(xué)院，江蘇 常州 213164； 2.常州大學(xué) 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(zāi)給人們帶來了巨大的生命和財產(chǎn)損失。特別是一些特殊的企業(yè)發(fā)生的火災(zāi)，如化工企業(yè)、紡織企業(yè)等，具有突發(fā)性強、燃燒猛烈等特點，并且火災(zāi)過程中會產(chǎn)生大量的有毒氣體，嚴重地危害周圍群眾和救災(zāi)人員的生命安全。如2015年發(fā)生的天津港大火，不僅造成了巨大的經(jīng)濟損失，更是造成了消防人員的巨大傷亡，因此，開發(fā)一種自主移動滅火機器人，實時監(jiān)測易燃區(qū)域，將具有重要的現(xiàn)實意義。

國內(nèi)外，已經(jīng)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(xué)設(shè)計開發(fā)了一種球形新型消防機器人，用來監(jiān)測森林火災(zāi)。2009年，由挪威科學(xué)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(gòu)，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(nèi)部的消防工作。在國內(nèi)，公安部上海消防研究所和上海交通大學(xué)聯(lián)合研發(fā)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(shù)據(jù)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(tǒng)(Global Positioning System， GPS)模塊，能進入危險區(qū)域進行偵查和救援。國內(nèi)也有一些高校與科研院所設(shè)計出了功能類似的消防機器人。

然而，目前國內(nèi)外關(guān)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(nèi)滅火機器人的研究較少?，F(xiàn)階段室內(nèi)消防，以固定消防噴頭，配合覆蓋目標區(qū)域的傳感器為主，此種方式具有成本低、易于實現(xiàn)等優(yōu)點，但也存在滅火設(shè)施噴灑面積過大，指向性不強等不足。本文針對室內(nèi)移動滅火機器人的工作室內(nèi)空間有限、便于布置等特點，采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network，WSN)技術(shù)，對室內(nèi)整體環(huán)境進行監(jiān)測，并與移動機器人聯(lián)網(wǎng)，減少機器人巡檢次數(shù)，延長其生命周期，能在火災(zāi)初發(fā)期，針對性地使用滅火器對火源滅火，指向性強。同時，通過構(gòu)建數(shù)據(jù)庫、Web服務(wù)器等網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，實現(xiàn)遠程網(wǎng)絡(luò)控制功能，將系統(tǒng)機器人向網(wǎng)絡(luò)移動機器人轉(zhuǎn)變，因此，基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)且具有網(wǎng)絡(luò)控制功能的室內(nèi)滅火機器人，是對室內(nèi)消防模式的有益探索和對傳統(tǒng)室內(nèi)消防方法的有效補充。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)由現(xiàn)場單元、監(jiān)控中心單元和遠程單元三部分構(gòu)成，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

現(xiàn)場單元由無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和移動滅火機器人構(gòu)成，負責監(jiān)測工作區(qū)域內(nèi)工作狀況，如發(fā)生火災(zāi)，則移動滅火機器人自主移動到目標位置執(zhí)行滅火工作，同時將數(shù)據(jù)上傳到監(jiān)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(tài)，以達到節(jié)能的目的。傳感器節(jié)點負責定時采集工作區(qū)域內(nèi)的多種參數(shù)，如溫度、濕度、煙霧等，并將采集到的數(shù)據(jù)和自身的位置信息，發(fā)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(fā)生火災(zāi)。若有火災(zāi)，則立即喚醒機器人，并根據(jù)預(yù)先生成的全局地圖規(guī)劃出一條通往火源區(qū)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(jù)定位信息再次重新規(guī)劃路徑，最終找到火源并自動執(zhí)行滅火指令。移動機器人將所獲取的參數(shù)信息實時上傳到監(jiān)控中心單元數(shù)據(jù)庫，并接收控制中心計算機的控制指令。

監(jiān)控中心單元為上層用戶，負責接收和維護現(xiàn)場單元傳輸過來的實時數(shù)據(jù)，并對外提供Web服務(wù)，同時具有遠程控制現(xiàn)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(quán)的用戶可以直接使用瀏覽器登錄監(jiān)控中心提供的Web服務(wù)器，查看實時數(shù)據(jù)，或下載數(shù)據(jù)，實現(xiàn)更高層次的管理。

2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系設(shè)計

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是現(xiàn)場單元中一個重要的組成部分，由一定數(shù)量的、具有近距通信功能的、廉價且低功耗的微型節(jié)點構(gòu)成[2]。該網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)通過單跳或多跳的方式進行傳輸，是一種自組織的通信網(wǎng)絡(luò)。本系統(tǒng)采用支持IEEE802.15.4的ZigBee技術(shù)構(gòu)建的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，具有低功耗、低成本、網(wǎng)絡(luò)容量大、安全性高、開發(fā)復(fù)雜度低等特點，非常適合本系統(tǒng)中對室內(nèi)區(qū)域環(huán)境的監(jiān)控[3]。

2.1 拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點有網(wǎng)關(guān)節(jié)點(即協(xié)調(diào)節(jié)點)、路由節(jié)點和終端節(jié)點3種類型[4]。網(wǎng)關(guān)節(jié)點負責構(gòu)建和維護網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，允許路由節(jié)點和終端節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)，并分配網(wǎng)絡(luò)地址；路由節(jié)點主要起到數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的功能，同時也允許終端節(jié)點加入成為自己的子節(jié)點；終端節(jié)點是一種簡化了功能的節(jié)點，即傳感器節(jié)點，它只負責收集數(shù)據(jù)，并發(fā)給其父節(jié)點。由ZigBee技術(shù)構(gòu)建的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)一般采用3種常見的拓撲結(jié)構(gòu)，即星型拓撲(Star)、樹型拓撲(Tree)和網(wǎng)型拓撲(Mesh)。

本系統(tǒng)設(shè)計的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)面向室內(nèi)環(huán)境，如紡織倉庫等，一般具有以下一些特點：

1)倉庫室內(nèi)面積較大；

2)倉庫室內(nèi)高度較高；

3)倉庫室內(nèi)有平坦的通道；

4)倉庫室內(nèi)貨物的放置較整齊，規(guī)范；

5)發(fā)生火災(zāi)時，有較大的煙霧。

同時，考慮到系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)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(jié)點數(shù)據(jù)的要求，將系統(tǒng)的現(xiàn)場單元中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)

圖2(a)表示初始狀態(tài)時，移動機器人處于靜止休眠狀態(tài)，機器人攜帶的網(wǎng)關(guān)節(jié)點，自組織起一個網(wǎng)型拓撲結(jié)構(gòu)。終端節(jié)點定時采集數(shù)據(jù)，路由節(jié)點通過多跳方式，最終將數(shù)據(jù)發(fā)到網(wǎng)關(guān)節(jié)點，網(wǎng)關(guān)節(jié)點再通過移動機器人的串口接口，發(fā)送至機器人內(nèi)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(tài)時，受限于通信半徑，原本連接的路由節(jié)點可能會失去聯(lián)系，而以前未直接連接的路由節(jié)點，則可能變成可直接通信的節(jié)點。圖2表明本系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)是隨機器人的移動而變化的拓撲結(jié)構(gòu)，但仍屬于網(wǎng)型拓撲的范疇，機器人在移動過程中由協(xié)議棧自動維護更新拓撲。

2.2 傳感器節(jié)點設(shè)計

傳感器節(jié)點是本系統(tǒng)中室內(nèi)環(huán)境參數(shù)采集的實際執(zhí)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(gòu)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(diào)理電路構(gòu)成[7]。

路由節(jié)點與網(wǎng)關(guān)節(jié)點的硬件無需專門設(shè)計，直接使用移除了傳感器的傳感器節(jié)點，并載入路由節(jié)點程序和網(wǎng)關(guān)節(jié)點程序，即可配置成路由節(jié)點和網(wǎng)關(guān)節(jié)點。

3 移動滅火機器人系統(tǒng)

移動滅火機器人是現(xiàn)場單元中另一個重要的組成部分，本系統(tǒng)所采用的機器人開發(fā)平臺由上海英集斯自動化技術(shù)公司提供。整機3點支撐，前面2個驅(qū)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(wǎng)絡(luò)環(huán)境中運行，在開發(fā)平臺的基礎(chǔ)上，增加了一個無線傳感器網(wǎng)關(guān)節(jié)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(tǒng)

機器人控制系統(tǒng)作為機器人系統(tǒng)的核心，它包括對機器人語音、圖像、網(wǎng)絡(luò)、運動及其他傳感設(shè)備的控制，本機器人控制系統(tǒng)主要由上位機(工業(yè)級嵌入式系統(tǒng))和下位機(運動控制卡)組成，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 機器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

工業(yè)級嵌入式系統(tǒng)選用Intel Pentium M 1.8 GHz處理器，擴展到1 024 MHz DDR 400內(nèi)存，8路USB2.0接口，5路RS232接口，支持IEEE802.11g無線網(wǎng)卡和以太網(wǎng)接口。

運動控制卡選用TI公司2000系列數(shù)字信號處理器(Digital Signal Processor， DSP)，它是針對電機伺服控制開發(fā)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(diào)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(shè)接口總線(Serial Peripheral Interface， SPI)、控制器局域網(wǎng)總線(Controller Area Network， CAN)通信，16通道10位AD采集以及數(shù)字量輸入、輸出信號。

3.2 機器人傳感器系統(tǒng)

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(chǎn)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?zhèn)鞲衅鳌?/p>

機器人配置3個火焰?zhèn)鞲衅?，選用日本HAMAMATSU 公司R2868型火焰?zhèn)鞲衅鳌Ｍㄟ^火光中微弱紫外線發(fā)現(xiàn)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(shù)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(shè)計

控制中心單元由監(jiān)控計算機、數(shù)據(jù)庫和Web服務(wù)器三部分構(gòu)成，如圖4所示。監(jiān)控計算機通過無線的方式，接收移動機器人上傳的數(shù)據(jù)，如環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)、現(xiàn)場視頻等。監(jiān)控計算機將信息以圖形界面的形式顯示，并將信息寫入數(shù)據(jù)庫中，以便Web服務(wù)器在響應(yīng)遠端瀏覽器請求時，讀取信息。

圖4 系統(tǒng)各部分邏輯結(jié)構(gòu)

遠程客戶端利用瀏覽器登錄Web服務(wù)器，可以實時顯示數(shù)據(jù)。當遠程客戶端與監(jiān)控計算機都安裝基于Socket網(wǎng)絡(luò)通信軟件時，則可以遠程控制移動機器人，包括喚醒、參數(shù)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(wǎng)絡(luò)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(shù)據(jù)庫的構(gòu)建。

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

2)Web服務(wù)器的構(gòu)建。

本系統(tǒng)采用VS2010(Microsoft Visual Studio 2010)開發(fā)平臺構(gòu)建Web服務(wù)器，通過響應(yīng)客戶端瀏覽器發(fā)出的HTTP(Hyper Text Transfer Protocol)請求，從數(shù)據(jù)庫中獲取需要的數(shù)據(jù)，生成動態(tài)交互式網(wǎng)頁(Active Server Page， ASP)，然后呈現(xiàn)給客戶端。系統(tǒng)Web服務(wù)器還采用AJAX (Asynchronous Javascript And XML)技術(shù)，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，實時更新到客戶端頁面，并提供用戶登錄、數(shù)據(jù)實時顯示、歷史記錄查詢和數(shù)據(jù)輸出等功能。

5 軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件部分主要由無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點軟件、移動機器人軟件、控制中心計算機軟件、Web服務(wù)器軟件4類組成。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)軟件有傳感器節(jié)點軟件、路由節(jié)點軟件和網(wǎng)關(guān)節(jié)點軟件，共3種。機器人軟件實現(xiàn)對機器人的控制和與上位機的通信；控制中心軟件實現(xiàn)對現(xiàn)場機器人數(shù)據(jù)的接收和控制以及寫入數(shù)據(jù)庫，并以圖形界面的形式表示；Web服務(wù)器軟件實現(xiàn)了對遠程瀏覽器客戶端請求的響應(yīng)，并提供實時信息的功能[8-9]。

5.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點軟件設(shè)計

傳感器節(jié)點軟件流程如圖5(a)所示，網(wǎng)關(guān)節(jié)點軟件流程如圖5(b)所示。節(jié)點軟件均基于TI公司Z-STACK2007協(xié)議棧，采用C語言編寫。

圖5 節(jié)點軟件流程

路由節(jié)點軟件只需使用Z-STACK協(xié)議棧提供的默認代碼即可，無需單獨編寫。大幅度節(jié)省了開發(fā)時間和降低了開發(fā)難度。

對從事快遞業(yè)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(zhàn)斗。從早上8點到網(wǎng)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?！崩顜煾嫡f。

5.2 機器人軟件設(shè)計

移動機器人軟件系統(tǒng)管理與機器人相關(guān)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(wǎng)絡(luò)通信模塊和運動控制模塊。其系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖6所示。軟件基于VS2010平臺，采用面向?qū)ο蠓椒ǎ褂肅++語言開發(fā)，運行于機器人系統(tǒng)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(shù)據(jù)，利用串口與運動控制卡(下位機)進行命令與參數(shù)的傳遞[12]。

該結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)既具有較強的應(yīng)急反應(yīng)能力，也具有遠期規(guī)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(zhí)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(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖7 檢測和滅火流程

機器人在開始工作時，按照設(shè)定的“Z”字形默認路徑運動，并通過火焰?zhèn)鞲衅鳈z測是否有火焰。當發(fā)現(xiàn)火焰后，則調(diào)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(diào)整方向，然后執(zhí)行滅火的相關(guān)動作。

5.3 控制中心監(jiān)控軟件設(shè)計

控制中心計算機軟件也基于VS2010平臺，使用C++語言開發(fā)。監(jiān)控系統(tǒng)軟件具有實時監(jiān)控、遠程控制、通信設(shè)置、歷史數(shù)據(jù)和幫助5個功能模塊，其結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 監(jiān)控軟件結(jié)構(gòu)

實時監(jiān)控部分有三個子窗口，分別是環(huán)境參數(shù)子窗口、遠動參數(shù)子窗口和實時圖像子窗口。環(huán)境參數(shù)子窗口實現(xiàn)對室內(nèi)環(huán)境參數(shù)的監(jiān)控，如溫度、濕度、煙塵等參數(shù)的監(jiān)控，并以數(shù)值和曲線的形式表示出來[13]；運動參數(shù)子窗口實時顯示當前機器人的各種運行參數(shù)，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(xiàn)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?？刂平缑孀哟翱?，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(guī)劃信息[14-15]。通信設(shè)置部分的子窗口為通信參數(shù)配置子窗口，該子窗口主要提供客戶機與服務(wù)器的連接參數(shù)配置服務(wù)。歷史數(shù)據(jù)部分有三個子窗口，分別提供環(huán)境參數(shù)、控制命令和運動曲線信息的查詢服務(wù)。幫助部分有兩個子窗口，分別提供機器人開發(fā)信息幫助和各功能模塊的介紹服務(wù)。

5.4 Web服務(wù)器軟件設(shè)計

Web服務(wù)器端軟件基于VS2010平臺，使用C#語言開發(fā)。系統(tǒng)軟件具有實時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)輸出、系統(tǒng)幫助四個主菜單。Web服務(wù)器將響應(yīng)客戶端瀏覽器的請求，并根據(jù)請求，準備ASP網(wǎng)頁數(shù)據(jù)，必要時從數(shù)據(jù)庫獲取數(shù)據(jù)，最后將網(wǎng)頁數(shù)據(jù)返回給客戶端瀏覽器，完成數(shù)據(jù)傳遞[16]。

實時數(shù)據(jù)菜單顯示室內(nèi)環(huán)境參數(shù)信息，如溫度、濕度、煙塵等以及現(xiàn)場實時圖片。

歷史數(shù)據(jù)提供所有以往數(shù)據(jù)的查詢、顯示服務(wù)；數(shù)據(jù)輸出則提供歷史數(shù)據(jù)的打印服務(wù)；系統(tǒng)幫助提供數(shù)據(jù)信息的說明服務(wù)。

6 系統(tǒng)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(jié)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(jié)點在距地面2 m處的S平面內(nèi)隨機布置，如圖9所示。

圖9 測試節(jié)點布置

測試初始條件為：設(shè)置所有節(jié)點的傳輸頻率為2.4 GHz，發(fā)射功率為0 dBm，數(shù)據(jù)包長為1個字節(jié)，初始能量一致，傳輸半徑約為25 m。

為了測試不同拓撲結(jié)構(gòu)在不同發(fā)送時間間隔時的丟包率，需要對無線傳感器節(jié)點的發(fā)送程序進行簡單的修改，使其固定發(fā)送1個字節(jié)的數(shù)據(jù)包。測試分網(wǎng)關(guān)節(jié)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(jié)構(gòu)設(shè)置成網(wǎng)型結(jié)構(gòu)，將發(fā)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(jié)點每次發(fā)送40個數(shù)據(jù)包，每次共發(fā)送200個數(shù)據(jù)包。再將拓撲結(jié)構(gòu)修改成樹型結(jié)構(gòu)，再重新測試6次。移動機器人身上安裝的網(wǎng)關(guān)節(jié)點，增加數(shù)據(jù)包統(tǒng)計的簡短代碼，用來統(tǒng)計收到的數(shù)據(jù)包個數(shù)。然后，重復(fù)測試網(wǎng)關(guān)節(jié)點被遮擋情況時的丟包率。星型拓撲結(jié)構(gòu)由于傳感器節(jié)點與網(wǎng)關(guān)節(jié)點采用單跳的方式通信，而實際系統(tǒng)運行空間較大，有可能會超過其通信半徑，并不適合本系統(tǒng)，因此不作測試比較。測試運行后，無遮擋情況統(tǒng)計結(jié)果如圖10(a)所示，有遮擋情況統(tǒng)計結(jié)果如圖10(b)所示。

從圖10可以綜合得出，網(wǎng)型拓撲網(wǎng)絡(luò)發(fā)送間隔為0.1 s、1 s、1.5 s、2 s時，在無遮擋網(wǎng)關(guān)節(jié)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(jié)果

樹型拓撲網(wǎng)絡(luò)發(fā)送間隔為0.1 s、1 s、1.5 s、2 s時，在無遮擋網(wǎng)關(guān)節(jié)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(shù)據(jù)可以得出：當網(wǎng)關(guān)節(jié)點無遮擋時，相同拓撲結(jié)構(gòu)下，發(fā)送間隔越短則丟包率越高。在相同的發(fā)送間隔下，網(wǎng)型拓撲結(jié)構(gòu)的丟包率低于樹型；當網(wǎng)關(guān)節(jié)點被遮擋時，兩種拓撲結(jié)構(gòu)的丟包率都大幅度增加，當時發(fā)送間隔變大后，丟包率會保持一個平穩(wěn)水平，此時遮擋因素起主導(dǎo)作用。在考慮丟包率和實時性因素情況下，本系統(tǒng)選擇網(wǎng)型拓撲結(jié)構(gòu)和1.5 s的發(fā)送間隔可以滿足數(shù)據(jù)傳輸實時性的實際需求。

7 結(jié)語

本文將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計了一種具有遠程監(jiān)控功能的室內(nèi)滅火網(wǎng)絡(luò)機器人系統(tǒng)。通過構(gòu)建網(wǎng)型拓撲結(jié)構(gòu)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，實時獲取室內(nèi)的環(huán)境參數(shù)，移動機器人根據(jù)實時環(huán)境信息自主完成下一步的動作。通過構(gòu)建數(shù)據(jù)庫和Web服務(wù)器，遠程終端可實時監(jiān)測現(xiàn)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(xiàn)場測試表明，本系統(tǒng)采用的網(wǎng)型拓撲無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，在發(fā)送間隔為1.5 s，且網(wǎng)關(guān)節(jié)點無遮擋時的數(shù)據(jù)傳輸丟包率不高于2%，能滿足系統(tǒng)對數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶嶋H要求。

下一工作將對移動機器人的環(huán)境建模和路徑規(guī)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。

References)

[1] 譚民,王碩.機器人技術(shù)研究進展[J].自動化學(xué)報,2013,39(7):963-972.(TAN M, WANG S. Research progress on robotics [J]. Acta Automatica Sinica, 2013, 39(7): 963-972.)

[2] 曹鵬飛,趙振.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)研究綜述[J].微計算機信息,2012,28(9):389-391.(CAO P F, ZHAO Z. The research of key technologies in wireless sensor network [J]. Microcomputer Information, 2012, 28(9): 389-391.)

[3] SIMBEYE D S, ZHAO J M, YANG S F. Design and deployment of wireless sensor networks for aquaculture monitoring and control based on virtual instruments [J]. Computers and Electronics in Agriculture, 2014, 102(5): 31-42.

[4] 史兵,趙德安,劉星橋,等.工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報,2011,42(9):191-196.(SHI B, ZHAO D A, LIU X Q, et al. Design of intelligent monitoring system for aquaculture [J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2011, 42(9): 191-196.)

[5] 張佳,吳延海,石峰,等.基于DV-HOP的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位算法[J].計算機應(yīng)用,2010,30(2):323-326.(ZHANG J, WU Y H, SHI F, et al. Localization algorithm based on DV-HOP for wireless sensor networks [J]. Journal of Computer Applications, 2010, 30(2): 323-326.)

[6] 呂淑芳.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點定位研究綜述[J].傳感器與微系統(tǒng),2016,35(5):1-3.(LYU S F. Research review on wireless sensor networks nodes localization [J]. Transducer and Microsystem Technologies, 2016, 35(5): 1-3.)

[7] 徐晶晶,張欣慧,許必宵,等.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇算法綜述[J].計算機科學(xué),2017,44(2):31-37.(XU J J, ZHANG X H, XU B X, et al. Survey of clustering algorithms for wireless sensor networks [J]. Computer Science, 2017, 44(2): 31-37.)

[8] 向鳳紅,孔慶平,毛劍琳,等.基于ZigBee的低功耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)改進協(xié)議[J].傳感器與微系統(tǒng),2017,36(3):33-35.(XIANG F H, KONG Q P, MAO J L, et al. Improved low-power consumption protocol for wireless sensor network based on ZigBee [J]. Transducer and Microsystem Technologies, 2017, 36(3): 33-35.)

[9] CHEN T C, CHEN T S, WU P W. On data collection using mobile robot in wireless sensor networks [J]. IEEE Transactions on Systems Man and Cybernetics—Part A: Systems and Humans, 2011, 41(6): 1213-1224.

[10] TUNA G, GUNGOR V C, GULEZ K. An autonomous wireless sensor network deployment system using mobile robots for human existence detection in case of disasters [J]. Ad Hoc Networks, 2014, 13(5): 54-68.

[11] LI X, FALCON R, NAYAK A, et al. Servicing wireless sensor networks by mobile robots [J]. IEEE Communication Magazine, 2012, 50(7): 147-54.

[12] LEE W Y, HUR K, HWANG K I, et al. Mobile robot navigation using wireless sensor networks without localization procedure [J]. Wireless Personal Communication, 2012, 62(2): 257-75.

[13] 劉培艷.移動機器人的控制系統(tǒng)研制[D].西安:西安科技大學(xué),2008:22-23.(LIU P Y. Research on the control system of mobile robot [D]. Xi’an: Xi’an University of Science and Technology, 2008: 22-23.)

[14] 簡毅,張月.移動機器人全局覆蓋路徑規(guī)劃算法研究進展與展望[J].計算機應(yīng)用,2014,34(10):2844-2849.(JIAN Y, ZHANG Y. Complete coverage path planning algorithm for mobile robot: progress and prospect [J]. Journal of Computer Applications, 2014, 34(10): 2844-2849.)

[15] 方嘯,鄭德忠.移動機器人自主尋路避障啟發(fā)式動態(tài)規(guī)劃算法[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報,2014,45(7):73-78.(FANG X, ZHENG D Z. Goal seeking of autonomous mobile robot with obstacle avoidance using heuristic dynamic programming [J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2014, 45(7): 73-78.)

[16] NI Z, HE H. Heuristic dynamic programming with internal goal representation [J]. Soft Computing, 2013, 17 (11): 2101-2108.

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.