CN102158517B

CN102158517B - 动物机器人野外远程智能监控的方法

Info

Publication number: CN102158517B
Application number: CN201010569164.8A
Authority: CN
Inventors: 罗勇; 杨二冰
Original assignee: Zhengzhou University
Current assignee: Zhengzhou University
Priority date: 2010-11-25
Filing date: 2010-11-25
Publication date: 2014-09-24
Anticipated expiration: 2030-11-25
Also published as: CN102158517A

Abstract

一种动物机器人野外远程智能监控的方法。背包、手持式控制终端分别与基站无线连接，基站、GPRS网关服务器、Internet网络有线顺序连接，桌面控制终端、监控中心分别与Internet网络有线连接。控制指令由终端输入，经上述连接发送到监控中心暂存，待背包数据发送到监控中心后，再将控制指令传输至背包，完成对动物机器人的监控。本发明优点：1.可对动物机器人远程监控。2.可利用电脑终端远程室内主控。3.可利用手持式控制终端远程室内外移动主控。4.可利用电子地图显示监控数据。5.可进行野外长期监控。总之本发明监控覆盖区域广泛、控制方式灵活，适合全天候、广区域、长期监控，可操纵动物机器人探测危险区域，或应用于军事侦察，经济和社会效益巨大。

Description

动物机器人野外远程智能监控的方法

技术领域

本发明是一种动物机器人野外远程智能监控的方法，即在保证动物机器人所背负的电子装置(以下简称背包)待机最长的情况下，远程无线实现对动物机器人所处野外环境信息的数据采集和智能控制方法。

背景技术

“动物机器人”是指利用动物的运动机能、动力供应系统，从动物的感觉传入或神经支配着手，实现对动物的运动和某些行为的人为控制。随着脑科学、计算机科学、控制学和微电子技术等相关学科的发展及相互渗透，已形成了一个前沿的交叉学科，加速了动物机器人的研究进展。

在本发明做出之前，对动物机器人进行监控主要以现场监控为主。通常是利用桌面电脑的监控软件控制一个发送机，通过无线传输，将控制指令发送到动物机器人背包上。背包将接收的指令转换成对动物的刺激信号，通过电极刺激动物相应的神经，从而促使动物完成指定的动作。同时，背包将动物机器人采集的数据回传给发送机，完成简单的数据采集，此种模式控制与监测方式简单，可实现动物行为的现场监控。但该方式监控距离很近，一般在300米以内，不能实现远距离无线监控。由于该方式需要有电脑设备的支持，因此，常局限于室内实验，很难进行野外动物的监控。另外，在该模式下，动物机器人背包时刻处于接收状态，接收通讯芯片将不断地进行无线信号的检测，需要耗费较大的功率。而背包固定于动物身体上，需要由微小体积的电池供电，因此，该方式将会极大的降低电池的供电时间，导致背包很快因电池耗尽而无法工作。

目前，进行动物机器人远程监控方面的研究较少，主要集中在利用有线网络(如Internet网络)进行信号的传递。根据新华社南京2010年1月28日电，东南大学射频与光电集成电路研究所的王志功教授，利用微电子神经桥和Internet网络，实现了南京和北京的两只蟾蜍的互感互动。Internet网络虽然能够实现远程的传递，但对主控设备和被控设备的要求均较高，必须是能上网的电脑，因此也不适合动物机器人的野外监控。

综上所述，对动物机器人进行远程野外监控需要有一种结构简单而功能强大的控制设备，并且动物机器人的背包应该是微体积、微功耗，能够支持动物机器人在野外长期工作。

发明内容

本发明主要是针对上述存在的不足，提出的一种动物机器人野外远程监控的新方法。即利用GPRS(整合分包无线通讯服务)无线移动网络和Internet网络相连，实现监控信息的远程传输，从而保证了对动物机器人的远程指挥和监测。动物机器人背包通过主控器连接可控电源开关，实现了电源可控与间歇工作方式相结合，保证了背包的野外长期待机工作。同时，本方法通过上述传输网络，使监控中心与背包、手持式控制终端和桌面控制终端分别连接，对动物机器人实施监控，使控制方式更灵活。本方法利用GPS(全球定位系统)对野外动物机器人进行定位，从而实现对野外动物机器人运动轨迹的精确跟踪。

本发明的技术方案是：

本系统由五部分组成：背包、传输网络、监控中心、桌面控制终端以及手持式控制终端。背包通过其升压刺激模块和电极，与动物机器人相连，实现对动物机器人的升压刺激；同时，背包通过其主控器控制可控电源开关，实现背包的低功耗工作；另外，背包通过其GPRS模块，与基站无线连接；再通过基站，与手持式终端无线连接；并通过基站、GPRS网关服务器、Internet网络与桌面控制终端和监控中心有线连接，实现对动物机器人的远程监控。

背包即动物机器人背包，是固定在动物机器人身体上的电子装置，是完成动物机器人监控的主要现场设备。考虑到动物机器人一般体积都较小，负重有限，因此，动物机器人背包必须微体积。同时为了支持长期野外工作，动物机器人背包应该具有微功耗。背包主要由七个部分组成：主控器、GPS、GPRS、数据采集、升压刺激、电池、可控电源开关。电池通过电源线分别连接主控器和可控电源开关，以提供电能。主控器通过信号线，分别连接可控电源开关、GPS、GPRS、数据采集、升压刺激等模块，完成对以上模块的数据处理和控制。可控电源开关通过电源线分别连接GPS、GPRS、数据采集、升压刺激等模块，为其提供电能。

主控器采用美国Silab公司的微功耗单片机C8051F041，该款单片机为SoC(片上系统)，集成有2个UART(异步串行口)、1个DAC(数模转换)、2个ADC(模数转换)。主控器接收数据采集模块和GPS模块传来的数据，并传递给GPRS模块进行远程发送。同时，主控器处理GPRS模块接收的远程控制指令，通过其内部DAC控制升压刺激模块完成对动物的神经刺激，从而完成对动物的控制。GPS模块通过接收卫星信号，完成全球定位数据的采集。GPS模块采用MTK方案的GPS接收机GS-89，该模块采用SiRF StarIII的GPS芯片组进行定位数据接收。GPS模块通过单片机的UART0连接主控器。GPRS模块采用华为公司的EM310来完成远程无线GPRS通信功能。GPRS模块通过UART1连接主控器。GPRS模块内置SIM卡槽与SIM卡相连。SIM卡中包含有GPRS客户端的地址、动物机器人参数等信息。数据采集模块主要采用美国DALLAS公司生产的数字化温度传感器DS18B20对环境温度进行采集，该芯片可直接输出9-12位(含符号位)的被测温度值，DS18B20通过一个IO口直接与主控器相连。电池作为整个背包的电源，采用可充电锂电池，标称电压为3.7V，容量在400mAh左右。体积为29mm×14mm×9mm。由于对动物的控制作用与刺激电压相关，而本系统采用的是3.7V的低压供电，因此对动物进行刺激控制时，需要进行升压。升压芯片采用美国国家半导体公司生产的DC-DC升压芯片LM2731X，将刺激脉冲的电源电压升至15V。升压芯片的控制脚通过信号线与单片机1O口相连，其电源输入脚通过电源线与可控电源开关的输出相连，其电源输出脚连接运算放大器的电源脚。由运算放大器构成同相比例放大电路。主控器单片机的DAC输出脚与运放的同相端相连结，以输出电压不同的刺激脉冲，完成对动物机器人的控制。可控电源开关由四个PNP三极管及电阻构成。

为了保证背包长期工作，背包采用间隙供电方式。除主控器外，其他模块的电源引脚通过电源线与可控电源开关连接，由主控器通过信号线连接可控电源开关，对其进行控制。在空闲时刻，主控器先关闭可控电源开关，切断其输出电源，再将主控器自身置于休眠状态，此时背包的电流为主控器的休眠电流和可控电源开关的截止电流，基本可忽略。每隔固定时间(如10分钟)，主控器通过内部定时器将其自身唤醒，再打开可控电源开关进行工作。整个工作持续时间设定为1分钟左右。由于背包工作期间电流的平均值约为10mA左右，则400mAh的电池可持续工作40个小时。按照以上每隔10分钟工作1分钟计算，则可待机时间约为400小时，再加上工作时间40小时，即该背包可支持对野外动物机器人的监控时间达到18.3天，基本可满足野外动物机器人的监控工作需要。

传输网络包括GPRS无线移动网络及Internet网络两部分。GPRS无线移动网络由多个基站和GPRS网关服务器连接构成。广泛分布的基站是构成移动网络的主体。背包通过GPRS模块、无线传输链路与最近的基站连接，背包将定位信息和采集数据按照WMMP(无线机器管理协议)进行封装，利用GPRS模块发送给基站。基站通过信号线连接至GPRS网关服务器，GPRS网关服务器完成无线GPRS通讯的WMMP协议与Internet网络通讯的TCP/IP协议之间的转换。GPRS网关服务器经过Internet网络与监控中心连接，经过转换的数据经过Internet网络被传送到监控中心。完成动物机器人的数据上传。控制指令由监控中心至动物机器人的传递路径与此相同。

监控中心包括监控服务器、存储设备、显示屏等设备，以上设备通过以太网总线进行连接。监控服务器上运行有动物机器人监控系统软件，完成动物机器人采集和定位数据的接收，并将其转发给桌面控制终端和手持式控制终端。同时，该系统将接收桌面控制终端和手持式控制终端的指令，并将其转发给动物机器人。动物机器人监控系统软件包括网络通讯模块、控制处理模块、数据处理模块、GIS(地理信息系统)显示模块。网络通讯模块主要是利用TCP/IP协议和Internet网络，完成两种控制终端与背包之间的数据传递。控制处理模块主要是解释由两种控制终端发来的指令，并将其转发给动物机器人。数据处理模块主要是对接收到的动物机器人采集数据和定位信息进行预处理和存储、并将其转发给两种控制终端。GIS显示模块主要实现对动物机器人采集数据和定位信息的电子地图显示，该模块通过对数据包的解析处理，并结合GIS地理信息系统进行地图匹配，可在电子地图上清晰的显示动物机器人的当前地理位置、采集数据等信息。存储设备主要完成对动物机器人采集数据和定位信息的存储。显示屏实现对电子地图的大屏幕显示。

桌面控制终端是通过信号线与Internet网络相连的普通电脑，主要实现控制指令的下达、动物机器人采集和定位数据的查阅，以及GIS电子地图的显示等功能。动物机器人监控系统软件和桌面控制终端软件采用B/S架构实现。

手持式控制终端使用普通的具有GPRS上网功能的手机，通过无线传输链路与最近的基站连接。在手持式控制终端上运行有javascript客户端程序，主要实现控制指令的下达、动物机器人采集和定位数据的查阅等功能。

用户可通过桌面控制终端及Internet网络将控制指令发送给监控中心的监控服务器。同时，用户也可通过手持式控制终端将控制指令发送给基站，再经GPRS网关服务器处理后，通过Internet网络传递给监控服务器。监控服务器收到控制指令以后将其暂存。当监控服务器收到动物机器人的回传数据后，先将暂存的控制指令发送给GPRS网关服务器，经过基站传递给动物机器人，同时将收到的回传数据经过GPRS网关服务器和基站传递给手持式控制终端，或经过Internet网络传输给桌面控制终端。

通过以上设计，可实现对动物机器人野外活动的远程智能监控。本发明同现有方法比较，在同等条件下具有以下优点：(1)监控覆盖区域广泛，可对野外动物机器人进行远程移动监控。理论上只要有手机信号覆盖的地方，均能进行野外动物机器人的监控。(2)可利用电脑终端进行远程监控。使用者只要通过能够上网的桌面电脑，均能进行电脑终端的远程监控。(3)可利用手持式控制终端进行远程监控，只要在手机信号能覆盖的区域，使用者均可通过手持式控制终端对动物机器人进行远程监控。(4)在监控中心，可利用电子地图，对动物机器人的地理位置和采集数据进行图形化可视显示。(5)动物机器人背包采用电源可控与间歇方式相结合进行工作，具有极低的功率，可支持野外动物机器人的长时间监控。(6)本方法还可用在其他的远程野外监控制领域，如运输车辆、警务人员的监控等。总之本发明是对野外动物机器人进行远程监控的的一种较好方法，可实现对动物机器人的长时间野外监控。监控覆盖区域广泛、控制方式灵活，适合全天候、广区域监控。利用本方法，可操纵野外机器人在危险区域进行探测工作，也可应用于军事侦察领域，具有广泛的经济和社会效益。

附图说明

现结合附图作进一步描述：

附图1是本发明的动物机器人野外远程智能监控系统组成示意图。

参照附图1，用户通过桌面控制终端[18]以及Internet网络[19]将控制指令发送给监控中心[11]的监控服务器[17]。同时，用户也可通过手持式控制终端[7]输入控制指令，经过基站[8]，传输给GPRS网关服务器[20]处理后，再通过Internet网络[19]传递给监控服务器[17]。监控服务器[17]收到控制指令以后将其暂存，并等待动物机器人[21]采集数据的到来。当动物机器人[21]的背包[24]工作定时时间到，则主控器[23]被唤醒，其控制可控电源开关[25]为背包[24]的各个模块供电。GPS[1]模块通过全球定位卫星[2]获得定位数据。数据采集[3]模块获得检测的环境温度数据。GPRS[4]模块将定位和采集数据发送给基站[8]，再经过GPRS网关服务器[20]处理后，通过Internet网络[19]传递给监控中心[11]的监控服务器[17]。此时监控服务器[17]再将控制指令经过Internet网络[19]、GPRS网关服务器[20]以及基站[8]发送给动物机器人[21]的背包[24]，并通过升压刺激[5]模块，驱动电极[6]，完成对动物机器人[21]的刺激和控制功能。同时，监控服务器[17]将接收的定位信息和采集数据通过以太网总线[12]送入大屏幕[10]，以电子地图的形式进行显示，并将相关数据存储在大容量存储设备[9]中。另外，监控服务器[17]还将控制命令执行信息以及动物机器人[21]回传的采集和定位数据，通过Internet网络[19]传递给桌面控制终端[18]。或者通过Internet网络[19]、GPRS网关服务器[20]以及基站[8]传递给手持式控制终端[7]，从而完成对动物机器人[21]的远程监控过程。与此同时，动物机器人[21]的背包[24]经过1分钟的工作，完成控制指令的接收和执行后，转入待机休眠方式。

通过以上流程可达到本发明的目的。

具体实施方式

实施方式一：用户使用桌面控制终端进行控制

参照附图1，用户通过桌面控制终端[18]以及Internet网络[19]将控制指令发送给监控中心[11]的监控服务器[17]。监控服务器[17]收到控制指令以后将其暂存，并等待动物机器人[21]采集数据的到来。当动物机器人[21]的背包[24]工作定时时间到，则主控器[23]被唤醒，其控制可控电源开关[25]为背包[24]的各个模块供电。GPS[1]模块通过全球定位卫星[2]获得定位数据。数据采集[3]模块获得检测的环境温度数据。GPRS[4]模块将定位和采集数据发送给基站[8]，再经过GPRS网关服务器[20]处理后，通过Internet网络[19]传递给监控中心[11]的监控服务器[17]。此时监控服务器[17]再将控制指令经过Internet网络[19]、GPRS网关服务器[20]以及基站[8]发送给动物机器人[21]的背包[24]，并通过升压刺激[5]模块，驱动电极[6]，完成对动物机器人[21]的刺激和控制功能。同时，监控服务器[17]将接收的定位信息和采集数据通过以太网总线[12]送入大屏幕[10]，以电子地图的形式进行显示，并将相关数据存储在大容量存储设备[9]中。另外，监控服务器[17]还将控制命令执行信息以及动物机器人[21]回传的采集和定位数据，通过Internet网络[19]传递给桌面控制终端[18]，从而完成对动物机器人[21]的远程监控过程。与此同时，动物机器人[21]背包[24]经过1分钟的工作，完成控制指令的接收和执行后，转入待机休眠方式。

实施方式二：用户使用手持式控制终端进行控制

参照附图1，用户通过手持式控制终端[7]，经过GPRS网关服务器[20]处理后，通过Internet网络[19]传递给监控服务器[17]。监控服务器[17]收到控制指令以后将其暂存，并等待动物机器人[21]采集数据的到来。当动物机器人[21]的背包[24]工作定时时间到，则主控器[23]被唤醒，其控制可控电源开关[25]为背包[24]的各个模块供电。GPS[1]模块通过全球定位卫星[2]获得定位数据。数据采集[3]模块获得检测的环境温度数据。GPRS[4]模块将定位和采集数据发送给基站[8]，再经过GPRS网关服务器[20]处理后，通过Internet网络[19]传递给监控中心[11]的监控服务器[17]。此时监控服务器[17]再将控制指令经过Internet网络[19]、GPRS网关服务器[20]以及基站[8]发送给动物机器人[21]的背包[24]，并通过升压刺激[5]模块，驱动电极[6]，完成对动物机器人[21]的刺激和控制功能。同时，监控服务器[17]将接收的定位信息和采集数据通过以太网总线[12]送入大屏幕[10]，以电子地图的形式进行显示，并将相关数据存储在大容量存储设备[9]中。另外，监控服务器[17]还将控制命令执行信息以及动物机器人[21]回传的采集和定位数据，通过Internet网络[19]、GPRS网关服务器[20]以及基站[8]传递给手持式控制终端[7]，从而完成对动物机器人[21]的远程监控过程。与此同时，动物机器人[21]的背包[24]经过1分钟的工作，完成控制指令的接收和执行后，转入待机休眠方式。

实施方式三：无控制指令模式

当动物机器人[21]的背包[24]工作定时时间到，则主控器[23]被唤醒，其控制可控电源开关[25]为背包[24]的各个模块供电。GPS[1]模块通过全球定位卫星[2]获得定位数据。数据采集[3]模块获得检测的环境温度数据。GPRS[4]模块将定位和采集数据发送给基站[8]，再经过GPRS网关服务器[20]处理后，通过Internet网络[19]传递给监控中心[11]的监控服务器[171。此时监控服务器[17]将接收的定位信息和采集数据通过以太网总线[12]送入大屏幕[10]，以电子地图的形式进行显示，并将相关数据存储在大容量存储设备[9]中。动物机器人[21]的背包[241经过1分钟的工作后，转入待机休眠方式。

Claims

1.一种动物机器人野外远程智能监控的系统，包括背包[24]、手持式控制终端[7]、基站[8]、GPRS网关服务器[20]、Internet网络[19]、监控中心[11]以及桌面控制终端[18]，其特征在于：背包[24]包括主控器[23]、GPS[1]模块、GPRS[4]模块、数据采集[3]模块、升压刺激[5]模块、供电电池[22]、可控电源开关[25]，以及相关的低功耗数据采集、通讯和控制软件，背包[24]通过其升压刺激[5]模块和电极[6]，与动物机器人[21]相连，实现对动物机器人[21]的升压刺激；同时，背包[24]的主控器[23]通过电源线与背包的供电电池[22]相连，通过信号线连接可控电源开关[25]，可控电源开关[25]通过电源线与除主控器[23]以外的其他模块相连，主控制器[23]采用间隙工作方式，间隔固定的时间才唤醒自身工作，间隔固定时间值为5-60分钟，并同时控制可控电源开关[25]，实现对其他模块的智能供电，从而实现背包[24]的低功耗工作；另外，背包[24]通过其GPRS[4]模块，与基站[8]无线连接，再通过基站[8]，与手持式控制终端[7]无线连接，并通过基站[8]、GPRS网关服务器[20]、Internet网络[19]与桌面控制终端[18]和监控中心[11]有线连接，实现对动物机器人[21]的远程监控。