就網(wǎng)絡化移動機器人的硬件實現(xiàn)方案作了分析，提出了一種基于GPRS網(wǎng)絡機器人實現(xiàn)的方法。該方法成本低，不受區(qū)域限制，利用移動位置服務，能對機器人實時定位，而且可以用短消息直接控制，最后結合單片機可編程外圍器件PSD813f2在本系統(tǒng)中的應用。給出網(wǎng)絡化移動機器人系統(tǒng)的具體實現(xiàn)。 1 引言 自互聯(lián)網(wǎng)問世以來，整個世界進入了大眾化網(wǎng)絡時代。將互聯(lián)網(wǎng)與一直進行的遠程機器人如足球機器人、遙操作機器人等的研究相結合，可以開拓機器人與網(wǎng)絡應用的新領域。當前機器人技術的發(fā)展重點有：實用化、高速化技術、小型微型和輕量化技術、高精度化技術、可靠性技術、計算機控制技術、網(wǎng)絡化技術、視覺和觸覺傳感器技術等。 目前國內已經(jīng)有不少機器人控制領域的學者介入Intenet的應用研究，而網(wǎng)絡技術則以新的分布計算和大眾化技術為代表。以無線以太網(wǎng)為媒介的網(wǎng)絡化機器人，結構復雜，其價格也比較昂貴，使得網(wǎng)絡機器人只能在實驗室進行研究，很少能進入普通百姓家庭，而且它受區(qū)域的限制，只能夠在無線局域網(wǎng)覆蓋的區(qū)域工作，一般用于室內工作。在國內網(wǎng)絡移動機器人的研究主要集中在科研實驗方面，很難適應大眾化的要求，而在日本已出現(xiàn)可以通過因特網(wǎng)操控的網(wǎng)絡機器人，如一種叫"BN-8（暫定名）”網(wǎng)絡機器人。價格僅有2～3萬日元之間（約合人民幣1250～1875元）。 無論是在室內還是在戶外，機器人定位問題依然是研究的熱點和難點，常用方法是在機器人上安裝GPS接收機，接收機把接收的信息給機器人，機器人經(jīng)過復雜的運算，定出機器人的位置，成本很高。機器人針對上述這些問題，本文設計一種基于GPRS的網(wǎng)絡移動機器人，它給網(wǎng)絡移動機器人的設計開辟新的思路和方法，文中詳細論述了本系統(tǒng)的網(wǎng)絡功能設計與實現(xiàn)。 2 系統(tǒng)結構 基于GPRS網(wǎng)絡移動機器人的系統(tǒng)結構如圖1。本文采用Client/Server體系結構，對機器人進行網(wǎng)絡控制。首先由客戶機登陸機器人網(wǎng)絡服務器，選擇機器人控制模式短消息/在線聯(lián)網(wǎng)，發(fā)送控制命令幀。機器人服務器上裝有短消息發(fā)送模塊，可以接收發(fā)送短消息，它對接收到的命令進行分析解釋，通過手機移動定位服務獲取機器人位置信息，發(fā)送控制命令幀或者短消息給網(wǎng)絡機器人。機器人平時處于短消息狀態(tài)，如果沒有新的短消息，機器人進入休眠狀態(tài)。在接到進入在線聯(lián)網(wǎng)模式的命令時，機器入主動撥號上網(wǎng)與機器人服務器建立網(wǎng)絡連接。這樣客戶機就可以對機器人實時控制。機器人根據(jù)機器人服務器的命令完成各項任務。用戶也可以用手機，先通過手機移動定位服務獲取機器人位置信息，再發(fā)送短消息給機器人，對機器人進行控制，它可以實現(xiàn)網(wǎng)絡機器人的離線編程控制的功能。這樣用戶可以在不需要任何特殊的設備條件下，讓機器人完成一些簡單的任務。 圖1 系統(tǒng)結構 3 硬件結構與工作原理 圖2 硬件結構 圖3 工作流程 整個網(wǎng)絡移動機器人分為七部分：傳感器、通信控制接口、控制器MCU、可編程通用外圍接口芯片PSD，驅動電路、電源、時鐘及外圍電路。網(wǎng)絡移動機器人的硬件結構圖如圖2。 由于80196外圍接口資源豐富，適合用于電機控制，選用它作為MCU。WSI公司的可編程單片機通用外圍接口芯片（PSD）可將單片機所需的多個外圍器件集成在一個芯片中，并能與單片機實現(xiàn)所謂無縫連接（no glue），大大簡化了設計、節(jié)省了資源，并且顯著地提高了系統(tǒng)的可靠性。目前在稅控加油機、出租車計價器、POS機、IC卡電話等各類收費系統(tǒng)、工業(yè)控制、儀器儀表、GPS車載臺以及通信領域如ISDN、SDH、DWDM、PABX、VolP等有著廣泛應用。此外PSD還可以實現(xiàn)網(wǎng)絡機器人在線編程，由于采用分頁機制，可以克服MCU數(shù)據(jù)和程序空間只有64K的限制。通信和PSD是網(wǎng)絡機器人實現(xiàn)的核心部分，關系到整個系統(tǒng)能否正常工作。網(wǎng)絡機器人的通信方式采用半雙工方式。平時工作時機器人在短消息休眠狀態(tài)，當接收到短消息時，機器人根據(jù)短消息對機器人狀態(tài)進行設置，如果是在線聯(lián)網(wǎng)模式就撥號上網(wǎng)，實現(xiàn)網(wǎng)絡控制功能。如果不是就根據(jù)短消息執(zhí)行相應的命令，在線聯(lián)網(wǎng)一段時間沒有數(shù)據(jù)流量，機器人又切換到短消息模式處于短消息休眠狀態(tài)。網(wǎng)絡移動機器人的工作流程圖如圖3。 4 通信控制 利用單片機實現(xiàn)嵌入式WebServer有多種方法，但對于移動機器人，由于它自身的特點，只能采用無線接入或者藍牙技術，其中無線局域網(wǎng)被廣泛應用到網(wǎng)絡移動機器人領域，但是對大眾應用的網(wǎng)絡機器人，這種方法接入比較復雜。用無線手機撥號上網(wǎng)是一個很好的選擇，無線撥號可以用GSM、GPRS、CDMA方式，其中GPRS根據(jù)數(shù)據(jù)流量收費，具有“實時在線”、“按量計費”、“快捷登錄”、“高速傳輸”、“自如切換”的特點，本文采用第二種的方法，利用專用的TCP/IP e5112處理芯片，它完成TCP/IP的協(xié)議轉換，這樣可大大減輕程序開發(fā)的負擔。e5112外部集成32KRAM，其上網(wǎng)速度可調節(jié)，當外部晶振選用22.1184M，最大達到115.2K。E5112提供兩路通道：非透明通道及透明通道，透明通道不對數(shù)據(jù)進行任何處理，直接收發(fā)數(shù)據(jù)，非透明通道先對數(shù)據(jù)進行處理再發(fā)送。E5112支持的無線發(fā)射模塊有WAVECOM、SEIMENS、MOTOROLA的產(chǎn)品。本文采用WAVECOM2403它支持GPRS通信，由于80196只有一個串口，機器人進行參數(shù)設置必須占用一個串口，本文用16C550擴展異步串行通信，用于與E5112的串口通信。16C550與8250兼容，但自帶了14字節(jié)的FIFO，能夠有效減少通信中斷次數(shù)，提高通信速度。GPRS網(wǎng)絡通信數(shù)據(jù)流如圖4。 機器人可以在兩種模式下于服務器進行通信。短消息和TCP/IP網(wǎng)路模式。 e5112短消息連接步驟如下： （1）設置無線MODEM端串口波特率； （2）設置機器人端串口波特率； （3）設置短消息中心號碼； （4）進入透明命令傳輸模式； （5）讀／寫短消息。 e5112設置網(wǎng)絡連接步驟如下： （1）設置MODEM端串口波特率； （2）設置機器人端串口波特率； （3）進入透明命令傳輸模式； （4）設置模式為“B”模式； （5）定義協(xié)議以及接入點名稱（APN）； （6）進入非透明命令傳輸模式； 圖4 通信數(shù)據(jù)流 圖5 程序流程 圖6 短消息模塊流程 （7）撥號設置； （8）撥號； （9）SOCKET設置； （10）建立TCP連接。 每一步設置，e5112都將有應答，如果應答正確，則進入下一步設置，否則從第一步開始重新設置。 5 PSD配置 考慮到網(wǎng)絡機器人系統(tǒng)比較復雜，本文選用了PSD813F2，它有1M位Flash主存儲器，第二塊256K位E2PROM存儲器，16K位SRAM，復雜的可編程邏輯陣列CPLD，擴展I/O口及JTAG接口等功能模塊程序完成后，用PSDSOFTEXPRESS對PSD813f2進行配置，將配置與程序融合后下載到PSD中。 由于本設計只用48K程序空間，不需分頁。程序數(shù)據(jù)空間分配如下： 0000H-00FFH MCU內部RAM區(qū) 0100H-08FFH PSD內部RAM區(qū) 0900H-09FFH PSD內部CSIOP區(qū) 0A00H-1FFFH 外設RAM區(qū) //時鐘芯片、16C550等的外設RAM區(qū) 2800H—FFFFH 閃速存儲器 由于閃速存儲器分成8個16KB的區(qū)段，本文只用1-4區(qū)段，具體定義如下： fs0：0000H-3FFFH fsl：4000H-7FFFH fs2：8000H-BFFFH fs3：C000H-FFFFH 雖然fs0包含其它RAM區(qū)，但是它們之間有層次關系。由于SRAM、I/O、以及外設I/O的優(yōu)先級最高，E2pROM其次，閃速存儲器最低，在閃速存儲器定義后，那些RAM區(qū)依然保持原來區(qū)段功能。 PSD配置時要注意以下幾點： 第一：內存映射時CSIOP要占用256個字節(jié)的空間，在數(shù)據(jù)存儲空間中不能和其它同級地址相重疊。對于80196在使用8位數(shù)據(jù)總線的時侯，內存映射要根據(jù)實際需要決定，注意CSIOP地址不能與80196的寄存器沖突重疊。 第二：用作地址鎖存的引腳，及用作片選，I/O模式的引腳除了在PSDsoft EXPRESS中定義外，還要在程序中進行初始化，每個端口有一組用于配置的寄存器，微控制器可以正常讀取其內容，寄存器的地址由基地址加CSIOP的偏移地址組成。 6 編程實現(xiàn) 由于系統(tǒng)比較復雜，本文采用C96編程。程序初始化完成后，開中斷，然后進入中斷循環(huán)。程序包含有用于GPRS通信串口中斷、參數(shù)設置串口中斷、時鐘中斷等處理程序，程序流程如圖5。 在任務處理循環(huán)中，有短消息和在線聯(lián)網(wǎng)通信模塊，它們之間的相互切換如圖3，其工作流程比較相似，在互聯(lián)網(wǎng)模式中，數(shù)據(jù)在機器人通信協(xié)議的基礎上，再進行e5112協(xié)議的打/解包，圖6是短消息模塊流程。 程序設計中值得注意的幾點： 第一：對GPRS串口中斷初始化，主要對16C550的寄存器進行設置，每個寄存器設置以后，經(jīng)過一個延遲，以保證芯片正常工作，如以下代碼。 void initial_GPRS232（） 第二：為了避免GPRS串口通信中斷處理太多任務，導致中斷嵌套，在GPRS串口中斷處理過程中不對數(shù)據(jù)進行處理，而放在中斷外（任務中）處理，但是這也可能導致通信數(shù)據(jù)的丟失，為此，開設一個較大的環(huán)形緩沖池，在中斷中只將數(shù)據(jù)放到環(huán)形緩沖池中。 第三：運行中需要對部分器件如時鐘、16C550進行監(jiān)控，保證其正常工作。當由于外界干擾，器件不能工作時，需對其寄存器重新初始化。 7 結束語 本文從實際應用出發(fā)，提出了基于GPRS的網(wǎng)絡機器人的設計方案，并給出了具體實現(xiàn)方法。該方案設計簡單，有多種控制途徑，克服了以無線局域網(wǎng)為媒介接入方法的區(qū)域限制，并能夠利用移動定位服務對機器人定位，適合用于普及大眾化的網(wǎng)絡移動機器人的場所。但也有不足之處，如機器人的處理速度、定位精度、系統(tǒng)的穩(wěn)定性。如果采用高速處理DSP芯片、或者高檔的嵌入式32位單片機，如Ti2407、ARM7，采用嵌入式操作系統(tǒng)，如uc/os、uclinux、vxwork、wince，用定位精度更高的手機模塊。系統(tǒng)整體性能將會有更好、更穩(wěn)定。 移動通信和互聯(lián)網(wǎng)是當今信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的兩個熱點，這兩者融合而產(chǎn)生的移動無線互聯(lián)網(wǎng)及其應用，為信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展帶來巨大商機，它必將出推動大眾化網(wǎng)絡移動機器人的進一步發(fā)展。隨著機器人技術的發(fā)展和完善，高速寬帶和高速網(wǎng)絡的普及和推廣，通信技術的普及應用，具有較高智能網(wǎng)絡移動機器人，必將走入普通百姓家庭，給人民的生活帶來便利和樂趣。