机房自动巡监机器人系统初探

阮翔

摘 要：本人介绍了一种机房自动巡监机器人的体系结构，给出了基于该体系结构的各模块原理，通过制作基础型自动巡监机器人验证了该体系结构的合理性以及可行性，并对该系统存在的缺点与不足进行了讨论。

关键词：巡监机器人；机房巡检；模块原理；无线发射

1 引言与背景

对设备和仪器的监管和检测是电台工作的重要组成部分，是实现安全播音和高效播音的基础和保障，因而巡机抄表和日常巡视也成了我们无线电台以及许多工作单位必不可少的工作内容。

传统的巡机需要人员到机房去做定期巡查，重复性做大量的日常巡检工作，随着自动化水平的提高和电台无人化值守的进展，也需要人员定期到现场检查部分设备的运行情况。为了保证机房设备安全可靠运行，更快地推进机房无人值守的进程，提高电台的自动化、信息化水平，利用自动巡监机器人完成机房设备的巡检，以至于只要有网络的地方就可以了了解和看到机房及其设备的一切状态，具有重要的现实意义和广阔的市场前景。因此笔者开始了对自动巡监机器人的研究，并开发出了可应用于现场的基础型自动巡监机器人。

2 巡监机器人的设计与功能

机房自动巡监机器人结合人工巡机的经验和要求，采用完全自主或远程遥控方式，利用单片机技术结合多传感器技术、机器人视觉技术、视屏读表系统和无线传输技术实现对机房内设备的定时自动巡机抄表和对机房各部分环境监测，采集并处理声、光、视屏等数据信息。准确及时的发现问题和故障，提高工作效率，减少人为的疏漏，为无人值班机房的推广提供了创新型的技术检测手段。

2.1 机器人的设计要求

根据巡监机器人的作业环境和工作要求，进行系统设计时有以下要求要求：

⑴顺利的实现在机房环境中的行走、越障和待作业位置处的准确定位，按规定轨迹运行，全程视频监控，定点拍摄。

⑵避开发射机干扰，保证上下行信号稳定通畅。能根据上位机参数设定改变巡机时间、移动速度、移动位置，拍摄方位和角度等。

⑶机器人底部要适合机房地面及转弯、越障需要，尽可能保证机器人平稳匀速移动。机器人腰部要有足够大的安装基面，以保证机器人在工作时的整体稳定性。同时，由于机器人底座和腰座承受了大部分的重量，腰部轴承要有足够的强度和韧性，而为了减小机器人运动惯量，提高控制精度，运动部分采用轻型材料。

⑷机器人手臂或者摄像云台结构尺寸应满足工作空间要求，腰座以上部件，包括机械臂，摄像头等部件尽可能采用轻型材料，以保证运行速度和精度。

⑸安全有效，使机器人在运行时符合机房的安全守则；经济实用，尽可能使各部分组件效用最大化。

2.2 机器人的功能要求

对巡监机器人的功能要求需基于人工巡机抄表的要求同时结合芯片的选择来定，基本的巡监机器人功能有：

⑴可以实现本地、自动、远程三种操作模式自由切换。机器人能自动沿人为设定的巡机路径运动。通过无线传输模块，在上位机上反映机器人某些参数，将运动中的视频、速度等直接传到监控電脑。

⑵到达指定点后停留，发出指定信号，摄像头拍摄指定照片并保存。

⑶通过视频读表系统，读出表值（或模块亮灯数）并记录。同时判断采集到的数据是否在正常的数据范围内，若不在则发出告警。

⑷记录巡机点，沿巡机线路去下个记录点，直到回到起点，等待下个巡机时间（比如整点）的到来。

⑸下位机采集各项数据，处理后在软件界面显示各类数据。上位机可以对各项参数进行设定。

而理想的巡监机器人能在基础型机器人的基础上实现语音控制、智能壁障、夜间（断电）自动巡检、超声测距、红外测温等，并将运动中的视频、音频、环境温度、湿度、速度等数据传送到监控电脑，到达抄表点后，结合机械臂的精确控制，进行读表及判断各模块使用情况。

理想的巡监机器人由于涉及到机械臂的开模设计，整体费用较高，开发周期长，而基础型巡监机器人芯片使用STC11F32XE型单片机便可实现，鉴于本机器人处于研发阶段，笔者先开发基础型机器人用于实验研究。

3 巡监机器人结构组成

整个自动巡监的过程可以分为机器人运动、数据采集、信息处理反馈三个部分，采用基站和移动体相结合的方式来替代人工巡机抄表，提供诊断机房设备运行重的事故隐患和故障的有关数据，以便及时发现问题，保证安全播出。基础型巡监机器人样机如图1所示。

3.1 机器人的系统结构

基础型巡监机器人分为远端基站和机器人运动体两个部分组成，其系统结构图如图2所示。

3.1.1 远端基站控制系统

主要由监控计算机系统、交换机以及相应的无线通讯设备组成。监控主站系统基于Windows系统，采用C#面向对象编程语言开发设计，提供友好的操作交互界面，完成监测功能，负责对传回的视频图像进行视频读表，给机器人运动规划提供相应的命令及环境信息，并可以对机器人采集的设备数据进行分析、存储，并提供专家诊断功能等。远端基站控制系统的视屏控制部分如图3所示。

3.1.2 机器人移动站系统

移动站系统主要由主控芯片、巡视检测、能源电池、运动控制、网络通信以及视屏采集等系统组成，实现机器人运动定位、可见光及红外数据检测采集、能源管理补给以及状态信息上传、视屏传输等功能，结合基站控制系统，完成机器人遥控巡视和自动规划巡视等功能。

3.2 机器人系统模块原理

基础型巡监机器人系统主要由无线通讯模块、运动控制模块、视频采集模块、电源及上位机部分组成，其工作方式如图4所示。

3.2.1 无线通讯模块

机器人可以采用WI-FI或蓝牙模式进行操作，由于两者类似，只是WI-FI模块与蓝牙模块的区别，这里以WI-FI为例，需要把普通的无线路由器通过刷入开源的Openwrt系统（经思科路由程序改编，可以用在特定芯片的小型系统），让它变成运行Linux（Linux是一种自由和开放源码的类Unix操作系统）系统的小电脑，然后在WI-FI板上运行mjpg-streamer程序（mjpg-streamer可以通过文件或者是HTTP方式访问Linux UVC兼容摄像头），进行视频编码，经过WI-FI传回上位机，接着，便在电脑上可以看见机器人传来的视频了。一般路由设有TTL接口，将该串口引出，接着通过路由的Ser2net程序（一个可以通过电脑向路由的指定端口发送数据，然后路由原封不动的将数据发送到路由的TTL接口的程序），让WI-FI信道的指令转到串口进行输出，这里串口的作用就是与单片机通信，让它知道用户发出什么指令。

3.2.2 运动控制模块

这里的运动控制模块需要和红外控制系统相结合，红外控制系统遵循循迹机器人原理，利用红外线在不同颜色物理表面具有不同反射系数的特点，选择合适的红外传感器，使机器人能沿既定轨迹运行，本机器人设定为沿着黑色胶带轨迹前进，并在规定图片采集地点处的地面横向贴一条黑色胶带，作为给予机器人拍照采集信号，待机器人按要求采集完毕后，由上位机发送一信号使得机器人继续前进。待机器人完成所有规定采集点的采集后，机器人會回到初始位置，等到上位机设定的下个巡机时间的到来时，机器人会进行新的一轮巡机和采集。

3.2.3 单片机系统与下位机

单片机系统是一种集成电路芯片，因为频率低，不能实现大量数据运算。我们通过改变单片机的输出引脚（即IO口）电平，让单片机控制电机驱动模块，电机驱动模块驱动电机运动，控制机器人前进、转弯、后退。基础型机器人使用STC11F32XE型单片机，和51单片机相比，具有以下特点：

⑴STC11系列是1T模式，指令速度是普通51的8～12倍。

⑵抗干扰性强，功耗低。

⑶拥有独立的波特率发生器。

⑷ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），29K EEPROM空间可用于保存用户数据。

下位机主要用来监测和执行上位机的操作指令。单片机里面的程序作用是接收来自上位机的指令，进行分析和解码，给予单片机的指定引脚对应的高低电平。这个指令先从上位机发出经由路由也就是WI-FI模块，到达单片机。现在的单片机和无线模块的串口以TTL居多，它有三种数据线：发送TX，接收RX，地线GND。相同的电平类型的可以进行通信，如果是9针RS232串口，需要接有232转TTL的小板后才能与各种模块进行通信。

3.2.4 上位机与视频采集分析模块

发送命令的部分称之为上位机，命令发送到无线模块或者路由器，然后经由路由转换，命令达到芯片，进而机器人执行命令，与此同时，上位机发给路由一个视频请求，路由会把摄像头视频回传给上位机，上位机对视频进行解码，并显示。而上位机的编程则是通过TCP （Transmission Control Protocol）和UDP（User Datagram Protocol）协议，用Socket（通常也称作"套接字"，用于描述IP地址和端口，是一个通信链的句柄。）把数据发送到路由端，机器人的上位机是客户机模式，路由端是服务器模式，这样就不需要什么转发操作，直接连机器人就可以控制了。

视频采集由安装在机器人上的网页摄像头完成，可以对机器人的运动过程全程监控，可以在其外围配置乳白色毛玻璃罩，利用毛玻璃的半透明性和对光线的弥散作用，消除屏幕反光，取得高质量的仪表图像。上位机利用视频读表系统读出发射机上对应表值。目前发射机的表值主要有3种，指针式、数显式和模块亮灯式，视频读表系统经过图像预处理，指针、字符及亮灯区域分割，后续识别处理对图像进行读表，然后由上位机程序对表值数据进行判断处理。

4 结语

文章提出了一种基于移动机器人的发射机房设备智能移动巡检系统，该系统可以根据预先设定的任务或是操作人员在远程电脑控制完成机房内的巡视与抄表，记录相关信息提供异常报警，操作人员只需通过远端计算机收到的实时数据或图像等信息即可完成机房设备巡检工作，经过现场运行表明本基础型巡监机器人系统的非接触式移动检测可以有效运行。

但是其缺点和不足还是明显的，首先基础型机器人所采用的单片机在实现大量数据传输和处理（比如在结合对设备特定部位的红外温度探测、超声测距）时，不能完全满足要求；其次是无线模块在机房这种电波干扰较大的环境中稳定性还有待进一步提高；另外，运动的精确度，以及以后机械臂的稳定度和精确度都尚需提高，尤其在移动方式上，基本型采用的循迹方式，很大程度上限制了机器人的巡检路径规划以及运动的精确性；最后视频读表系统准确性和灵敏度也需要进一步改善。

在完成对下位机的硬件完善、无线模块的更高效稳定及逐步向理想型巡监机器人靠拢后，结合更为精准的视频读表系统，可以逐步实现机房环境及其设备的无人化巡监，推进机房自动化和信息化进程，提高机房设备运行的安全可靠性。

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