摘 要：当今，正变得更加网络化了嵌入式系统，并在需要与其物理环境密切交互的应用领域中得到广泛使用。我们思考出了一种基于无线网络控制系统装置的研究方法。首先介绍了网络控制系统的简史、基本特征、相对于其他经典控制系统的优势，包括可用于无线网络控制的协议。此外，本文还分析了影响网络行为的不同问题，包括系统在控制动作时发生的干扰和延迟，并且设计出相应的机器人模型。
关键词：远端控制，无线网络控制系统，网络调度。
前言
目前，借助无线网络来控制机器人的案例越来越多，但大多是只限于短距离的控制，要想进行较远控制还是比较难以实现。面对各种科学技术上的问题，控制系统解释了不同生态系统中的各种行为，如动物、生物学、神经网络、社会学等。网络化控制系统是为了解决特定网络系统中不同选择所带来的问题而产生的，它来自于反馈控制系统理论与网络控制系统理论。本文研究了无线网络控制装置的相关优势，并以无线网络进行远程控制的机器人为例加以说明。
1通信方式
在历史上，针对不同领域的应用，控制系统发挥了重要作用。随着各种技术的进步，对不同系统的控制性能越来越追求可靠、优化和高效。由于无线通信的发展，其思想逐渐延伸到网络控制。目前在网络控制系统中有以下几种通信方式:
•CAN:这种通信协议专为需要高数据完整性和1 Mb/s的数据传输速率的应用程序设计。
•以太网:成本低，而且和现在的以太网兼容，对于大多数使用者是一个不错的选择。但当流量增加时就会受到很大影响。以太网维护所需的成本、安装时间以及在工作环境下通常需要的大量电缆都是其缺点。
•无线网络控制系统:它的发展来自于人们对应用程序快速部署的需求，以及对系统进行移动操作的需要。由于无线信道固有的特性，当无线系统被包括在内时，可靠性和时间就很难得到满足。如何使大多数控制系统收集的数据变得准确、及时和稳定，是WNCS所面临的挑战。
与网络控制的不同之处在于，无线控制由微处理器远程控制，信息可以通过共享的数字网络，甚至无线连接可靠地发送。在无线网络的分布系统中，不同的传感器分布在不同的位置之上，其测量值需要在无线网络的不同链路上逐一编码和发送。
2网络上控制系统的可行性
网络控制系统是指I/O信息通过共享的通信媒介与系统组件交换的系统。通过网络媒体共享信息有执行器、传感器以及控制器。网络控制系统的主要特点是提供用于获取实时数据的通信系统。该系统必须考虑到网络协议、网路拥塞、路由性能，以确保通信数据的高效。如今，利用无线通信网络作为载体实现控制系统，已达到在偏远地区进行远程控制的目的，正是新技术的兴起模式。
3无线网络控制系统装置的整体架构
根据初步的理论分析和实验，单片机作为系统的主要核心，无线网络作为信息传输的媒介。
首先，个人电脑通过转换器与无线单元进行有线连接，之后无线单元之间则通过无线网络环境下的无线传输进行信号交互。而作为接收端的无线单元再与执行装置相连接，以此完成这个系统的运行。系统原理框图如图1所示。
.png)
图1.系统原理图
(1)系统的硬件组成
系统的硬件部分主要由单片机以及无线发射模块组成。控制核心我们选用的是单片机MSP430。 430被人们叫作混合信号处理器，由于实际应用的需要，多个模拟电路在单个芯片上所集成。
无线网络模块符合2.4ghz IEEE802.15.4标准，是ZigBee产品的首个RF设备。它基于Chipcon的SmartRF 03技术，采用0.18um CMOS工艺制造，因为它的拥有最少的外部组件、稳定的性能和低功耗而被使用。若使用这种芯片开发无线通信设备就可以做到支持高达250kbps的数据传输速率，用这种芯片多点联网就可以快速实现。
(2)系统的无线通信部分
两个无线单元可通过广播和单播的方式进行信息传输。信道用的是802.15.4协议，通信频率为2.4GHz。无线单元网络的通信协议分为五层，至上而下为：应用层、应用支持层、网络层、媒介访问控制层、物理层。
操作者首先在电脑端进行操作，对应单片机将数据通过有线结构传输至无线单元，无线单元根据通信协议对数据进行打包，通过无线网络发送至无线单元，此时该无线单元将传输来的数据通过单片机传输至执行机构，已完成执行命令。
4方案设计
整体机器人设计成履带式，利用单片机进行核心控制，再利用市场上现有的材料进行机器人建模。
单片机采用MSP430，其好处在于使用的函数功能较多，函数上比起其他单片机也相对较为容易。MSP430开发板供电为正5v电源供电,MSP430开发板通过USB数据线连接电脑USB端口,通过电脑向其输入编写好的程序。
电机驱动采用ln298其采用双H桥驱动芯片，借助高低电平以达到电机正反转的目的，来控制机器人的前进后退，驱动部分端子的供电是+5V到+12V之间，其供电方式可以直接由单片机引出。
32路舵机控制板，采用USB和UART通讯接口，蓝牙通讯的方式控制进行对机器人的通信，采用32位ARM内核的处理器芯片，该芯片的使用可以达到同步控制32个舵机的效果。
5控制方案简介
设计出硬件产品后设计出相应的程序控制，控制的原理大致如下：分别将计算机与无线网络单元A(CC2420模块)、单片机与无线网络单元B进行有线连接，此时，计算机可以对与其相连的无线网络单元A发出相关指令，而与无线网络单元B相连的单片机则负责接收来自无线网络单元A的指令，并对机器人进行控制。首先将程序输入单片机，使单片机可以对电机控制板及舵机控制板发出指令以完成对机器人进行控制。之后，计算机发出操作命令，通过线路将指令信息传递给无线网络单元A，单元A对数据进行处理分析，向远处的无线网络单元B进行发送。无线网络单元B在接收到来自A的信号后，对信号进行处理分析，被处理过的信号再传递给单片机，由单片机对机器人进行控制。两台无线网路单元设备构成了一个无线网络，而信息的传递即可通过该无线网络进行远端传输，以此来完成对装置的远程控制。
根据标准，无线网络单元支持长距离的通讯传输，每个设备可以同时维护多个连接，而且每两个设备之间的连接都被加密，通过加密的手段防止被其他的设备接受。最后，操作者对编写的程序进行反复修改，使机器人实现相应的动作。
6小结
本文简要分析了网络控制系统的主要特点、一般应用以及网络控制系统存在的不同问题。给出了一个基于网线网络控制系统的初步的设计思路，并对其进行了分析。同时，通过本文还可以看出为了使无线传感器网络系统更加稳定，在整个控制系统中需要更先进的安全协议，并使其能够用于智能电网和其他项目。同时，给出了一个具体的设计思路，即通过由两个无线网络单元构成的局域网来实现对机器人的远程控制。在未来的一段时间里，伴随着社会的改革进步，机器人代替人来劳作的方式一定会慢慢的普及，而网络控制的机器人来代替人们的劳作也会越来越受到人们的关注，特别人类难以作业的领域对机器人的控制精度会提出更高的要求，基于无线网络控制系统装置将会有更加广阔的发展。
参考文献：
［1］韩潇.基于WIFI的无线传感器网络的研究与应用[D].河北工业大学,2014.．
［2］孙浩.基于Wi-Fi技术和Android系统的智能家居系统设计[D].中国矿业大学,2014.
［3］郭春鸿.基于ZigBee与蓝牙转换的多汇聚节点数据传输系统研究[D].宁波大学,2014.
［4］黄席樾,马力波,陈东义,何传江 Internet网络远程机器人学及其应用研究[J]重庆大学学报，2002，25．
(基金来源：嘉兴学院南湖学院SRT项目NH85179319)
论文作者:徐港军,程海玉,姚瀚东,琚珈琪
论文发表刊物:《电力设备》2020年第1期
论文发表时间:2020/4/22
标签：无线网络论文; 控制系统论文; 单元论文; 单片机论文; 机器人论文; 网络论文; 系统论文; 《电力设备》2020年第1期论文;