基于ARM7的畜牧养殖智能消毒机器人控制系统设计

1 总体方案设计
   
畜牧养殖智能消毒机器人控制系统由机器人智能控制模块、监视模块、及无线网络通讯模块等三大部分组成。工作过程是通过接入互联网的手机或者微型计算机客户端通过无线网络向远程的机器人发送控制指令代码，期间传输信号由发送端使用加密狗加密。当信号经互联网发送到接收终端时，智能消毒机器人网络模块把接收的指令传送到处理器，处理器指示驱动模块驱动智能消毒机器人执行动作。运动的同时监视模块把采集到的图像通过无线互联网传输到客户机端，其整体结构如图1所示。



1．1 智能控制模块
   
此模块是智能消毒机器人的核心部分。采用的是嵌入式系统设计，可以准确高效地运行及处理数据。控制器通过网络组件WIFI或者GPRS与外部网络进行数据通讯，用户可以使用家用宽带网络或者手机短信的方式实现模块的远程控制。同时在本地控制还可以应用红外无线键盘、数字液晶屏来提供本地人机交流界面。

1．2 网络模块

智能消毒机器人无线网络通讯模块，是智能消毒机器人通讯信号传输的重要组成部分，由WIFI或者GPRS模块来实现通讯。通讯中介是家用无线路由或者移动网络GPRS。

1．3 监视模块
   
智能消毒机器人监视模块通过单片机驱动舵机实现全方位的监视。视频信号通过摄像头来采集，信号转换后将视频的PAL信号传输至处理器，经无线网络传输实时传到客户端。摄像头的控制与智能控制模块连接，摄像头的运动受控制模块的控制。
1．4 驱动模块
   
智能消毒机器人驱动模块是通过可编码的直流电机来驱动的。当处理器接收到客户端传来的指令，处理器对驱动模块信号处理，从而实现智能消毒机器人全方位的移动。

2 系统硬件设计
   
本文采用的是PHILIPS单片32位ARM微控制器LPC2138，作为控制器的处理器，负责和WIFI、GPRS无线通讯模块、监视模块、数据存储、键盘、红外、显示屏等模块进行数据通讯和对无线网络客户端发送的信号进行采集和处理。

2．1 控制核心模块
   
ARM外围电路包括电源键盘显示屏、SD卡、SDRAM以及与各个辅助模块进行连接的扩展接口等。ARM处理器内嵌512k FLASH、32k的可读写RAM。电路中SDRAM芯片选用hy57v25641，存储容量为16M。用其做系统运行所需内存，为操作系统信号的采集和数据的处理提供了可靠的运行空间。扩展的接口有串口、USB接口。串口为下载程序和与GPRS模块通讯用，USB接口用于与WIFI连接从而接入无线互联网络。LCD显示屏主要与键盘配合完成本地人机交互界面，LCD液晶240×320像素，65k色，驱动芯片是ili9325。键盘采用的是PS2接口方便使用电脑键盘，与LCD合力完成本地人机信息交换。串口通过MAX232与上位机进行通信，辅助单片机的下载通过ISP下载，支持在线调试。[page]

2．2 外围网络模块
   
WIFI和GPRS模块用于实现处理器与客户端的通信连接。WIFI模块采用的是wf8000-u USB WIFI模块。GPRS模块采用的是BENQ M22A模块。各通讯模块外围电路主要有：电源部分、工作指示及数据连接扩展口组成。

2．2．1 TTL电平

GPRS模块与处理器的连接通过串口通讯，模块与处理器间的电平均为TTL电平，所以无需进行电平转换就可直接进行连接。

2．2．2 MAX232转换电平
  
由于编程及调试控制器电脑与处理器间的电平定义不同，采用MAX232进行电平的转换，其外围电路主要有电源供电部分。
   
MAX232电平转换模块用来把电脑端的RS232信号处理得到TTL电平，实现电脑和处理器及GPRS模块之间的通信电路如图2所示。



2．2．3 GPRS外围网络模块
   
GPRS模块第15管脚必须持续3s的低电平才能实现模块的启动。本文采用的是软件模拟低电平GPRS模块启动。关机电路同样是管脚持续低电平3s，电路如图3所示。



GPRS模块第35脚是一个工作状态指示灯接口，状态表示分别为：亮1s灭1s为启动搜索信号；亮1s灭2s为信号正常；持续点亮为有数据输入或者输出。其工作原理图如图4(a)所示。图4(b)为GPRS模块SIM卡连接示意图。




GPRS模块串口工作方式的电平为TTL电平，所以GPRS模块和控制核心处理器的连接可以是直接连接。但考虑到模块的调试及程序的烧录，所以在GPRS模块与处理器连接处使用转接开关。以此完成电脑到处理器的通信、GPRS模块到电脑的通信。GPRS模块、处理器、电脑的通信电路连接示意图如图5所示。



3 监视模块
   
监视模块采用的是普通高清视频摄像头，分辨率达1024×768。视频采用PAL模式传输经处理器处理，通过无线互联网把图像传输到客户端，其电路图如图6(a)所示。摄像头的各方位由单片机驱动舵机来实现，舵机驱动电路如图6(b)所示。[page]



4 驱动模块
   
驱动模块采用的驱动芯片为L298N，该芯片功率大，电源可直接采用12V。单个芯片可以控制两个直流电机，本文采用两片L298N以实现智能消毒机器人的各方位移动。电路如图7所示。



5 电源模块
   
电源部分采用的是12V直流锂电池，功率为10W。对各个模块部分进行分别供电。稳压管采用的是7805。由于GPRS对电源要求特别高，所以单独采用一个LM2941S对其供电。
   
wf8000 WIFI模块是华为公司生产的一种专门用于嵌入式系统的无线网络模块。模块符合802．11b标准，芯片采用prism3．0。原理图如图8所示。



6 结论
   
利用本控制系统，可以实现机器人的远程控制及工作环境实时监控。结合消毒机械装置可以实现在特殊工作环境下的智能远程控制消毒工作。在畜牧养殖等一些环境较差的场所可以代替人工作实现更多的功能，为养殖工作带来便利。