基于ARM7的畜牧養(yǎng)殖智能消毒機器人控制系統(tǒng)設(shè)計

1 總體方案設(shè)計
    畜牧養(yǎng)殖智能消毒機器人控制系統(tǒng)由機器人智能控制模塊、監(jiān)視模塊、及無線網(wǎng)絡(luò)通訊模塊等三大部分組成。工作過程是通過接入互聯(lián)網(wǎng)的手機或者微型計算機客戶端通過無線網(wǎng)絡(luò)向遠程的機器人發(fā)送控制指令代碼，期間傳輸信號由發(fā)送端使用加密狗加密。當信號經(jīng)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送到接收終端時，智能消毒機器人網(wǎng)絡(luò)模塊把接收的指令傳送到處理器，處理器指示驅(qū)動模塊驅(qū)動智能消毒機器人執(zhí)行動作。運動的同時監(jiān)視模塊把采集到的圖像通過無線互聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)娇蛻魴C端，其整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1．1 智能控制模塊
    此模塊是智能消毒機器人的核心部分。采用的是嵌入式系統(tǒng)設(shè)計，可以準確高效地運行及處理數(shù)據(jù)?？刂破魍ㄟ^網(wǎng)絡(luò)組件WIFI或者GPRS與外部網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)通訊，用戶可以使用家用寬帶網(wǎng)絡(luò)或者手機短信的方式實現(xiàn)模塊的遠程控制。同時在本地控制還可以應(yīng)用紅外無線鍵盤、數(shù)字液晶屏來提供本地人機交流界面。
1．2 網(wǎng)絡(luò)模塊
    智能消毒機器人無線網(wǎng)絡(luò)通訊模塊，是智能消毒機器人通訊信號傳輸?shù)闹匾M成部分，由WIFI或者GPRS模塊來實現(xiàn)通訊。通訊中介是家用無線路由或者移動網(wǎng)絡(luò)GPRS。
1．3 監(jiān)視模塊
    智能消毒機器人監(jiān)視模塊通過單片機驅(qū)動舵機實現(xiàn)全方位的監(jiān)視。視頻信號通過攝像頭來采集，信號轉(zhuǎn)換后將視頻的PAL信號傳輸至處理器，經(jīng)無線網(wǎng)絡(luò)傳輸實時傳到客戶端。攝像頭的控制與智能控制模塊連接，攝像頭的運動受控制模塊的控制。
1．4 驅(qū)動模塊
    智能消毒機器人驅(qū)動模塊是通過可編碼的直流電機來驅(qū)動的。當處理器接收到客戶端傳來的指令，處理器對驅(qū)動模塊信號處理，從而實現(xiàn)智能消毒機器人全方位的移動。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
    本文采用的是PHILIPS單片32位ARM微控制器LPC2138，作為控制器的處理器，負責和WIFI、GPRS無線通訊模塊、監(jiān)視模塊、數(shù)據(jù)存儲、鍵盤、紅外、顯示屏等模塊進行數(shù)據(jù)通訊和對無線網(wǎng)絡(luò)客戶端發(fā)送的信號進行采集和處理。
2．1 控制核心模塊
    ARM外圍電路包括電源鍵盤顯示屏、SD卡、SDRAM以及與各個輔助模塊進行連接的擴展接口等。ARM處理器內(nèi)嵌512k FLASH、32k的可讀寫RAM。電路中SDRAM芯片選用hy57v25641，存儲容量為16M。用其做系統(tǒng)運行所需內(nèi)存，為操作系統(tǒng)信號的采集和數(shù)據(jù)的處理提供了可靠的運行空間。擴展的接口有串口、USB接口。串口為下載程序和與GPRS模塊通訊用，USB接口用于與WIFI連接從而接入無線互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。LCD顯示屏主要與鍵盤配合完成本地人機交互界面，LCD液晶240×320像素，65k色，驅(qū)動芯片是ili9325。鍵盤采用的是PS2接口方便使用電腦鍵盤，與LCD合力完成本地人機信息交換。串口通過MAX232與上位機進行通信，輔助單片機的下載通過ISP下載，支持在線調(diào)試。
2．2 外圍網(wǎng)絡(luò)模塊
    WIFI和GPRS模塊用于實現(xiàn)處理器與客戶端的通信連接。WIFI模塊采用的是wf8000-u USB WIFI模塊。GPRS模塊采用的是BENQ M22A模塊。各通訊模塊外圍電路主要有：電源部分、工作指示及數(shù)據(jù)連接擴展口組成。
2．2．1 TTL電平
    GPRS模塊與處理器的連接通過串口通訊，模塊與處理器間的電平均為TTL電平，所以無需進行電平轉(zhuǎn)換就可直接進行連接。
2．2．2 MAX232轉(zhuǎn)換電平
   由于編程及調(diào)試控制器電腦與處理器間的電平定義不同，采用MAX232進行電平的轉(zhuǎn)換，其外圍電路主要有電源供電部分。
    MAX232電平轉(zhuǎn)換模塊用來把電腦端的RS232信號處理得到TTL電平，實現(xiàn)電腦和處理器及GPRS模塊之間的通信電路如圖2所示。

2．2．3 GPRS外圍網(wǎng)絡(luò)模塊
    GPRS模塊第15管腳必須持續(xù)3s的低電平才能實現(xiàn)模塊的啟動。本文采用的是軟件模擬低電平GPRS模塊啟動。關(guān)機電路同樣是管腳持續(xù)低電平3s，電路如圖3所示。

    GPRS模塊第35腳是一個工作狀態(tài)指示燈接口，狀態(tài)表示分別為：亮1s滅1s為啟動搜索信號；亮1s滅2s為信號正常；持續(xù)點亮為有數(shù)據(jù)輸入或者輸出。其工作原理圖如圖4(a)所示。圖4(b)為GPRS模塊SIM卡連接示意圖。

    GPRS模塊串口工作方式的電平為TTL電平，所以GPRS模塊和控制核心處理器的連接可以是直接連接。但考慮到模塊的調(diào)試及程序的燒錄，所以在GPRS模塊與處理器連接處使用轉(zhuǎn)接開關(guān)。以此完成電腦到處理器的通信、GPRS模塊到電腦的通信。GPRS模塊、處理器、電腦的通信電路連接示意圖如圖5所示。

3 監(jiān)視模塊
    監(jiān)視模塊采用的是普通高清視頻攝像頭，分辨率達1024×768。視頻采用PAL模式傳輸經(jīng)處理器處理，通過無線互聯(lián)網(wǎng)把圖像傳輸?shù)娇蛻舳?，其電路圖如圖6(a)所示。攝像頭的各方位由單片機驅(qū)動舵機來實現(xiàn)，舵機驅(qū)動電路如圖6(b)所示。

4 驅(qū)動模塊
    驅(qū)動模塊采用的驅(qū)動芯片為L298N，該芯片功率大，電源可直接采用12V。單個芯片可以控制兩個直流電機，本文采用兩片L298N以實現(xiàn)智能消毒機器人的各方位移動。電路如圖7所示。

5 電源模塊
    電源部分采用的是12V直流鋰電池，功率為10W。對各個模塊部分進行分別供電。穩(wěn)壓管采用的是7805。由于GPRS對電源要求特別高，所以單獨采用一個LM2941S對其供電。
    wf8000 WIFI模塊是華為公司生產(chǎn)的一種專門用于嵌入式系統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)模塊。模塊符合802．11b標準，芯片采用prism3．0。原理圖如圖8所示。

6 結(jié)論
    利用本控制系統(tǒng)，可以實現(xiàn)機器人的遠程控制及工作環(huán)境實時監(jiān)控。結(jié)合消毒機械裝置可以實現(xiàn)在特殊工作環(huán)境下的智能遠程控制消毒工作。在畜牧養(yǎng)殖等一些環(huán)境較差的場所可以代替人工作實現(xiàn)更多的功能，為養(yǎng)殖工作帶來便利。