CN105929743A - 一种基于lifi远程ccd机器人控制物联网系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于LIFI远程CCD机器人控制物联网系统，主要由中央处理器、现场可编程门阵列电路、光钥匙模块、智能加湿器、光电检测模块、开关量检测电路、白光LED及存储电路组成，现场可编程门阵列电路连接智能加湿器，开关量检测电路连接现场可编程门阵列电路，现场可编程门阵列电路连接光电检测模块，光钥匙模块连接现场可编程门阵列电路；存储电路内设置有FLASH存储器及随机存储器，FLASH存储器及随机存储器皆连接在现场可编程门阵列电路上；利用多种存储模式进行数据存储，利用不同的存储器对相应的处理数据进行存储，从而有效的提高现场可编程门阵列电路的处理性能，提高其处理速度。

Description

一种基于LIFI远程CCD机器人控制物联网系统
技术领域
本发明涉及自动化控制技术领域，具体的说，是一种基于LIFI远程CCD机器人控制物联网系统。
背景技术
太阳能（solar energy），是指太阳的热辐射能（参见热能传播的三种方式），主要表现就是常说的太阳光线。在现代一般用作发电或者为热水器提供能源。自地球上生命诞生以来，就主要以太阳提供的热辐射能生存，而自古人类也懂得以阳光晒干物件，并作为制作食物的方法，如制盐和晒咸鱼等。在化石燃料日趋减少的情况下，太阳能已成为人类使用能源的重要组成部分，并不断得到发展。太阳能的利用有光热转换和光电转换两种方式，太阳能发电是一种新兴的可再生能源。广义上的太阳能也包括地球上的风能、化学能、水能等。
太阳能是由太阳内部氢原子发生氢氦聚变释放出巨大核能而产生的，来自太阳的辐射能量。
人类所需能量的绝大部分都直接或间接地来自太阳。植物通过光合作用释放氧气、吸收二氧化碳，并把太阳能转变成化学能在植物体内贮存下来。煤炭、石油、天然气等化石燃料也是由古代埋在地下的动植物经过漫长的地质年代演变形成的一次能源。地球本身蕴藏的能量通常指与地球内部的热能有关的能源和与原子核反应有关的能源。
智能控制（intelligent controls）在无人干预的情况下能自主地驱动智能机器实现控制目标的自动控制技术。控制理论发展至今已有100多年的历史，经历了“经典控制理论”和“现代控制理论”的发展阶段，已进入“大系统理论”和“智能控制理论”阶段。智能控制理论的研究和应用是现代控制理论在深度和广度上的拓展。20世纪80年代以来，信息技术、计算技术的快速发展及其他相关学科的发展和相互渗透，也推动了控制科学与工程研究的不断深入，控制系统向智能控制系统的发展已成为一种趋势。
自动化（Automation）是指机器设备、系统或过程（生产、管理过程）在没有人或较少人的直接参与下，按照人的要求，经过自动检测、信息处理、分析判断、操纵控制，实现预期的目标的过程。自动化技术广泛用于工业、农业、军事、科学研究、交通运输、商业、医疗、服务和家庭等方面。采用自动化技术不仅可以把人从繁重的体力劳动、部分脑力劳动以及恶劣、危险的工作环境中解放出来，而且能扩展人的器官功能，极大地提高劳动生产率，增强人类认识世界和改造世界的能力。
FLASH存储器（FLASH闪存），英文名称是"Flash Memory"，一般简称为"Flash"，它属于内存器件的一种，是一种不挥发性（Non-Volatile）内存。闪存的物理特性与常见的内存有根本性的差异：目前各类DDR、SDRAM或者RDRAM 都属于挥发性内存，只要停止电流供应内存中的数据便无法保持，因此每次电脑开机都需要把数据重新载入内存；闪存在没有电流供应的条件下也能够长久地保持数据，其存储特性相当于硬盘，这项特性正是闪存得以成为各类便携型数字设备的存储介质的基础。
flash闪存是非易失存储器,可以对称为块的存储器单元块进行擦写和再编程。任何flash器件的写入操作只能在空或已擦除的单元内进行,所以大多数情况下,在进行写入操作之前必须先执行擦除。NAND器件执行擦除操作是十分简单的,而NOR则要求在进行擦除前先要将目标块内所有的位都写为0。
由于擦除NOR器件时是以64～128KB的块进行的,执行一个写入/擦除操作的时间为5ms,与此相反,擦除NAND器件是以8～32KB的块进行的,执行相同的操作最多只需要4ms。
执行擦除时块尺寸的不同进一步拉大了NOR和NADN之间的性能差距,统计表明,对于给定的一套写入操作(尤其是更新小文件时),更多的擦除操作必须在基于NOR的单元中进行。这样,当选择存储解决方案时,设计师必须权衡以下的各项因素：NOR的读速度比NAND稍快一些；NAND的写入速度比NOR快很多；NAND的4ms擦除速度远比NOR的5ms快；大多数写入操作需要先进行擦除操作；NAND的擦除单元更小,相应的擦除电路更少。
随机存取存储器（random access memory，RAM）又称作“随机存储器”，是与CPU直接交换数据的内部存储器，也叫主存(内存)。它可以随时读写，而且速度很快，通常作为操作系统或其他正在运行中的程序的临时数据存储媒介。
存储单元的内容可按需随意取出或存入，且存取的速度与存储单元的位置无关的存储器。这种存储器在断电时将丢失其存储内容，故主要用于存储短时间使用的程序。按照存储单元的工作原理，随机存储器又分为静态随机存储器（英文：Static RAM，SRAM)和动态随机存储器（英文Dynamic RAM，DRAM)。
具有如下特性：
随机存取，所谓“随机存取”，指的是当存储器中的数据被读取或写入时，所需要的时间与这段信息所在的位置或所写入的位置无关。相对的，读取或写入顺序访问（SequentialAccess）存储设备中的信息时，其所需要的时间与位置就会有关系。它主要用来存放操作系统、各种应用程序、数据等。
易失性，当电源关闭时RAM不能保留数据。如果需要保存数据，就必须把它们写入一个长期的存储设备中（例如硬盘）。RAM和ROM相比，两者的最大区别是RAM在断电以后保存在上面的数据会自动消失，而ROM不会自动消失，可以长时间断电保存。
对静电敏感，正如其他精细的集成电路，随机存取存储器对环境的静电荷非常敏感。静电会干扰存储器内电容器的电荷，引致数据流失，甚至烧坏电路。故此触碰随机存取存储器前，应先用手触摸金属接地。
访问速度，现代的随机存取存储器几乎是所有访问设备中写入和读取速度最快的，存取延迟和其他涉及机械运作的存储设备相比，也显得微不足道。
需要刷新（再生），现代的随机存取存储器依赖电容器存储数据。电容器充满电后代表1(二进制)，未充电的代表0。由于电容器或多或少有漏电的情形，若不作特别处理，数据会渐渐随时间流失。刷新是指定期读取电容器的状态，然后按照原来的状态重新为电容器充电，弥补流失了的电荷。需要刷新正好解释了随机存取存储器的易失性。
发明内容
本发明的目的在于设计出一种基于LIFI远程CCD机器人控制物联网系统，满足机器人自动控制所需，利用多种存储模式进行数据存储，并根据不同的需要，利用不同的存储器对相应的处理数据进行存储，从而有效的提高现场可编程门阵列电路的处理性能，提高其处理速度，达到机器人的运行更加流畅的目的，整个系统具有设计科学合理、安全稳定、实用性强等特点。
本发明通过下述技术方案实现：一种基于LIFI远程CCD机器人控制物联网系统，主要由中央处理器、现场可编程门阵列电路、光钥匙模块、智能加湿器、信号调制控制设备、LED 灯、接收天线、信号处理电路、光电检测模块、开关量检测电路、白光LED及存储电路组成，所述中央处理器连接现场可编程门阵列电路、信号调制控制设备、LED 灯、接收天线、信号处理电路；
所述中央处理器连接光钥匙模块、信号调制控制设备、LED 灯、接收天线、光探测器、信号处理电路；所述信号调制设备负责调制生成原始的电信号；所述LED 灯是单色的 LED；所述光探测器是可见光波段响应较好的 CCD光电转换器件；所述接收天线是可变倍数的光学镜头；所述信号处理电路与光探测器相适应，用于视频电信号的处理，以及确定接收光斑的形状、大小和平均接收光功率；所述探照灯和所述接收天线之间是大气信道，光源发出的光通过大气信道进行传输；所述远距离可见光通信系统设备主要包括发射端和接收端；发射端可使用OOK、PPM 等调制方式，光源将调制好的光信号以高速、明暗变化的规律进行发射，采用大功率低束散角阵列 LED 作为光源，由于调制速率在一百比特量级，可以采用单片机配合 C++软件编程进行发射端的软硬件设计，实现字符串的发送；接收端，采用 CCD 作为光探测器，硬件设备使用高帧频100fps 以上、高灵敏度、高响应度 CCD 相机；相机以与光源相同帧频进行拍摄，并且设计软件对CCD 相机进行数据的采集和处理，将调制信号的规律呈现出来，得到相应的灰度值，从而完成信息的传递过程，实现字符串的接收；所述充电插口设置于闭合门的侧端；进一步的，为更好的实现本发明，所述随机存储器采用静态随机存储器和/或动态随机存储器。所述光钥匙模块内设置有智能移动终端，基于智能移动终端操作系统，设计基于虚拟串口的秘钥发送智能移动终端的软件模块，通过智能移动终端的软件模块发送出秘钥信息，秘钥信息由智能移动终端的 min-USB 口输出；所输出的秘钥信息，基于智能移动终端OTG 功能，经过外部驱动模块加载到LED灯上，通过LED来完成秘钥信息的传送。
进一步的，为更好的实现本发明，所述智能加湿器内设置有编码器、运动控制器、PWM功放、直流伺服电机，所述现场可编程门阵列电路连接编码器，所述编码器连接运动控制器，所述运动控制器连接PWM功放，所述PWM功放连接直流伺服电机，所述直流伺服电机连接编码器。
进一步的，为更好的实现本发明，所述光钥匙模块 内设置有光敏元件接收器、反射镜、光源、调制波形发生器、调制波形处理器及调制放大器，所述现场可编程门阵列电路连接调制波形发生器，所述调制波形发生器连接光源，所述光源连接反射镜，所述反射镜连接光敏元件接收器，所述光敏元件接收器连接调制放大器，所述调制放大器连接调制波形处理器，所述调制波形处理器连接现场可编程门阵列电路。
进一步的，为更好的实现本发明，所述白光LED内设置有太阳能电池板、稳压电路、电源控制器及直流供电电路，所述太阳能电池板连接稳压电路，所述稳压电路连接电源控制器，所述电源控制器连接直流供电电路，所述直流供电电路分别连接中央处理器和现场可编程门阵列电路。
进一步的，为更好的实现本发明，所述白光LED内还设置有蓄电池组，所述蓄电池组连接电源控制器。
进一步的，为更好的实现本发明，还包括参数存储器，所述参数存储器连接中央处理器。
进一步的，为更好的实现本发明，所述现场可编程门阵列电路主芯片采用CycloneIII。
进一步的，为更好的实现本发明，所述中央处理器采用TMS570LS1114微控制器。
本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：
（1）本发明满足机器人自动控制所需，利用多种存储模式进行数据存储，并根据不同的需要，利用不同的存储器对相应的处理数据进行存储，从而有效的提高现场可编程门阵列电路的处理性能，提高其处理速度，达到机器的运行更加流畅的目的，整个系统具有设计科学合理、安全稳定、实用性强等特点。智能加湿器可以根据室内的温度来自动调节湿度，当空气中的水气量一定时，提高温度，湿度则会降低；可以自行设定相对湿度值，当环境的相对湿度值低于设定值时，系统将自动加湿；当环境的相对湿度值高于设定值时， 声光报警器发出报警信号。用户可以根据所在环境自行设置湿度限值，采集的相对湿度值、 温度值和湿度限值，都可以在液晶显示屏上显示。有高中低水位开关， 在没有水的情况下， 则LED亮， 提示用户加水， 以防止干烧。
另外，智能加湿器能够通过GSM通信模块实现了远程控制，用户可以在回家之前启动智能加湿器，改善室内空气湿度，在离开家以后关闭，即使忘记出门之前关闭智能加湿器，也可以通过手机发出控制指令，关闭智能加湿器，这样能够合理规划智能加湿器的使用时间，延迟使用寿命以及节约能源。所述湿度采集传感器是SHT21传感器，此时不在需要温度传感器；该传感器能够对环境的温度和湿度进行监测，湿度精度±2%(相对湿度20%～80%)， 温度精度±0.3℃(环境温度25～42℃)。传感器经过标定，既能提供I2C数字接口，也能提供PWM模拟输出模式。因为数字通信可大大降低功耗，在正常工作状态下，功耗可在3μW以内，在延长测量间隔的情况下，功耗还可进一步降低。使用 SHT21 过程中， A/D电路进行数字化信号转换。除此之外，SHT21的分辨率还可以通过指令进行8/12bit 到12/14bit的改变，便于检测电量状态，同时输出校验和，有助于提高通信的可靠性。
所述微控制器是采用单片机 ,其CPU由控制器和运算器组成， 主要进行运算及指令识别。存储器为８Ｋ可擦写闪存， 工作电源为+５Ｖ 。其内部有振荡器的反相放大器， 石英晶体和陶瓷谐振器共同构成自激振荡器。引脚简单可靠， 功能强大， 使用方便， 并具有低功耗空闲和掉电模式。
所述温度传感器是DS18B20传感器，DS18B20传感器具有一线接口， 使用简单方便， 在实际使用中无需外部元件， 直接利用数据总线供电， 测量温度范围较大。因此， 使用范围较广， 用途较大。
（2）本发明通过自动化技术、智能化控制技术、以及微处理器控制技术相结合而进行系统控制，使得机器人在使用过程中能够有效完成所设定工作流程，采用微控制器与现场可编程门阵列相结合的中心控制技术，提高整个系统的处理性能及处理效率，使得整个系统运行更加稳定，并有效降低故障率；并设计利用清洁能源内的太阳能进行供电，使得整个系统结构可减少不可再生能源的损耗，同时还能够满足恶劣天气下依然正常工作，达到24小时全天候系统工作的目的。
（3）本发明所述光钥匙模块 内有效保证机器人在运行区域内进行运动，而不会出现因超出运行区域进行运动产生事故的发生。
（4）本发明所述随机存储器可进一步提高现场可编程门阵列电路的处理性能，在运行时，静态存储器作高速缓冲存储器(Cache)使用，动态存储器做主存储器使用。
（5）本发明所述的蓄电池能够满足在光照度不够使太阳能进行发电或夜间时候依然满足对整个系统进行供电。
（6）本发明采用PWM调制信号来完成电机及舵机的速度调制、方向调制，使其运行更加稳定安全；远距离可见光通信系统，在发射端采用了OOK调制方式，OOK 带宽需求低，而且硬件实现最为简单，解码时候只需要通过直接检测的方法，通过判断光的有无来确定接收到的信息时0或者1；使得发射端成本合理；在接收端，采用 CCD 作为光探测器，硬件设备使用高帧频（100fps 以上）、高灵敏度、高响应度 CCD 相机；相机以与光源相同帧频进行拍摄，并且设计软件对CCD 相机进行数据的采集和处理，将调制信号的规律呈现出来，得到相应的灰度值，从而完成信息的传递过程，实现字符串的接收。选择 CCD 作为光探测器，其灵敏度和响应度比传统的 PIN 光电二极管高很多。对比于传统光电二极管，采用 CCD 相机可以使光源的位置可以在图像中清晰的显示出来，这样，只要能够判断出信号的位置，将来可以使用多个光源，在接收端的接受能力之内，成倍的提高传输速率。并且 CCD 作为光探测器还可以同时用于APT 通信系统当中。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明整体结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行进一步详细介绍，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1：
一种基于LIFI远程CCD机器人控制物联网系统，如图1所示，主要由中央处理器、现场可编程门阵列电路、光钥匙模块 、智能加湿器、信号调制控制设备、LED 灯、接收天线、信号处理电路、光电检测模块、开关量检测电路、白光LED及存储电路组成，所述中央处理器连接现场可编程门阵列电路、信号调制控制设备、LED 灯、接收天线、信号处理电路；
所述中央处理器连接光钥匙模块、信号调制控制设备、LED 灯、接收天线、光探测器、信号处理电路；所述信号调制设备负责调制生成原始的电信号；所述LED 灯是单色的 LED；所述光探测器是可见光波段响应较好的 CCD光电转换器件；所述接收天线是可变倍数的光学镜头；所述信号处理电路与光探测器相适应，用于视频电信号的处理，以及确定接收光斑的形状、大小和平均接收光功率；所述探照灯和所述接收天线之间是大气信道，光源发出的光通过大气信道进行传输；所述远距离可见光通信系统设备主要包括发射端和接收端；发射端可使用OOK、PPM 等调制方式，光源将调制好的光信号以高速、明暗变化的规律进行发射，采用大功率低束散角阵列 LED 作为光源，由于调制速率在一百比特量级，可以采用单片机配合 C++软件编程进行发射端的软硬件设计，实现字符串的发送；接收端，采用 CCD 作为光探测器，硬件设备使用高帧频100fps 以上、高灵敏度、高响应度 CCD 相机；相机以与光源相同帧频进行拍摄，并且设计软件对CCD 相机进行数据的采集和处理，将调制信号的规律呈现出来，得到相应的灰度值，从而完成信息的传递过程，实现字符串的接收；所述充电插口设置于闭合门的侧端；在运行时，整个系统需要控制多个电动机和行程开关，并进行光电检测，为提高处理性能，加快处理速度，在中央处理器控制处理的基础上外扩现场可编程门阵列电路来进行诸如光电检测、电机驱动检测、舵机驱动检测、开关量检测，以提高整个系统的处理性能。其中，现场可编程门阵列（FPGA）电路，采用了逻辑单元阵列LCA（LogicCell Array）这样一个概念，内部包括可配置逻辑模块CLB（Configurable Logic Block）、输入输出模块IOB（Input Output Block）和内部连线（Interconnect）三个部分；现场可编程门阵列（FPGA）是可编程器件，与传统逻辑电路和门阵列（如PAL，GAL及CPLD器件）相比，FPGA具有不同的结构。FPGA利用小型查找表（16×1RAM）来实现组合逻辑，每个查找表连接到一个D触发器的输入端，触发器再来驱动其他逻辑电路或驱动I/O，由此构成了既可实现组合逻辑功能又可实现时序逻辑功能的基本逻辑单元模块，这些模块间利用金属连线互相连接或连接到I/O模块。FPGA的逻辑是通过向内部静态存储单元加载编程数据来实现的，存储在存储器单元中的值决定了逻辑单元的逻辑功能以及各模块之间或模块与I/O间的联接方式，并最终决定了FPGA所能实现的功能，FPGA允许无限次的编程。
在信号处理过程中，为便于使机器人在规定的区域内运行，特别设置有光钥匙模块 ，在运行时，现场可编程门阵列电路所形成的控制舵机运动的信号将加载至光电检测模块内完成诸如转向等方向控制类的舵机控制，在控制时，光电检测模块内所生成的PWM的信号就能够快速调节舵机的转角，从而实现机器人的方向控制；开关量检测电路用于完成电路系统运行时的开关量数据检测。
为提高现场可编程门阵列电路处理数据的性能，将数据按性能要求进行调用，提高处理速度，特采用多种数据存储模式，优选的设置有FLASH存储器及随机存储器作为现场可编程门阵列电路的存储电路使用，在运行时，FLASH存储器采用SPR4096A，主要用来存储现场可编程门阵列电路诸如备份数据、运行状态、处理时长等需要长期存储使用的数据信息。SPR4096A FLASH具有如下特征：512K×8位的存储空间；内嵌4K×8位的SRAM；外部CPU可以通过串行接口或8位并行接口来访问Flash／SRAM；I／O接口的电压范围为2.25～3.6 V，并支持stand by的省电模式。可以大大降低系统的成本。在使用时，数据处理过程中，现场可编程门阵列电路结合随机存储器和FLASH存储器可有效完成数据交换，以达到良好的数据处理效果。
所述湿度采集传感器是SHT21传感器，此时不在需要温度传感器；该传感器能够对环境的温度和湿度进行监测，湿度精度±2%(相对湿度20%～80%)， 温度精度±0.3℃(环境温度25～42℃)。传感器经过标定，既能提供I2C数字接口，也能提供PWM模拟输出模式。因为数字通信可大大降低功耗，在正常工作状态下，功耗可在3μW以内，在延长测量间隔的情况下，功耗还可进一步降低。使用 SHT21 过程中， A/D电路进行数字化信号转换。除此之外，SHT21的分辨率还可以通过指令进行8/12bit 到12/14bit的改变，便于检测电量状态，同时输出校验和，有助于提高通信的可靠性。
所述微控制器是采用单片机 ,其CPU由控制器和运算器组成， 主要进行运算及指令识别。存储器为８Ｋ可擦写闪存， 工作电源为+５Ｖ 。其内部有振荡器的反相放大器， 石英晶体和陶瓷谐振器共同构成自激振荡器。引脚简单可靠， 功能强大， 使用方便， 并具有低功耗空闲和掉电模式。
所述温度传感器是DS18B20传感器，DS18B20传感器具有一线接口， 使用简单方便， 在实际使用中无需外部元件， 直接利用数据总线供电， 测量温度范围较大。因此， 使用范围较广， 用途较大。
所述远距离可见光通信系统具体包括：
调制器，用于可见光通信发射端需要将基带信号调制到光载波上，调制器的作用就是要根据不同的调制方式，如 OOK 调制、PPM 调制等，将信息先调制成电信号。调制器硬件上可以采用常用的 51 单片机系列，为了达到更高的速度和精度的要求，还可以选择 FPGA等。
LED 驱动，用于将电信号转化为光信号。LED 驱动模块用于完成对LED 光源的驱动功能，同时将调至好的电信号转化为光信号加载到 LED 光源上。如 51 单片机，其触发方式是 TTL 触发，完成对 LED 光源驱动。
LED，是可见光通信系统的发射装置，为了满足通信系统的需求，应尽可能选择功率大、束散角小、白光 LED 光源。此外，选择阵列形式 LED 光源可以增大光功率，而对束散角一般达到4度。
LED控制器，用来控制光源和相机的设备，完成辅助功能。
大气信道，光源将调至好的信号光发射出去，通过大气信道传输，传输过程中将受到大气信道的影响。
相机镜头，相机镜头即是接收天线，主要完成光信号的捕捉接收功能，镜头能够进行变焦，变化接收视场角，可以放大或者缩小目标。为了便于和 CCD相机相互配合，配置了电动变焦镜头和编码器，可以实现电脑控制自动变焦。
CCD 相机，CCD 是感光元器件，主要是将光信号转化为电信号再成像。
CCD 相机需能够匹配光源的速率， CCD 相机能够完成高帧频采集。CCD 相机通过千兆以太网连接到电脑上，并通过程序完成图像数据的采集和处理。
成像处理过程，用于将接收到的已调光信号进行接收成像，分析其灰度光强度，解调出原始信息，完成信息接收。
实施例2：
本实施例是在上述实施例的基础上进一步优化，进一步的，为更好的实现本发明，提高现场可编程门阵列电路的处理性能，特别设置有下述结构：所述随机存储器采用静态随机存储器和/或动态随机存储器，静态存储器（SRAM）的特点是工作速度快，只要电源不撤除，写入SRAM的信息就不会消失，不需要刷新电路，同时在读出时不破坏原来存放的信息，一经写入可多次读出，但集成度较低，功耗较大，在本发明中作高速缓冲存储器(Cache)使用。DRAM是动态随机存储器(Dynamic Random Access Memory)，它是利用场效应管的栅极对其衬底间的分布电容来保存信息，以存储电荷的多少，即电容端电压的高低来表示“1”和“0”，在本发明中作为主存储器使用。
实施例3：
本实施例是在上述任一实施例的基础上进一步优化，进一步的，为更好的实现本发明，能利用PWM控制方式对电机进行调速与控制，如图1所示，特别设置有下述结构：所述智能加湿器内设置有编码器、运动控制器、PWM功放、直流伺服电机，所述现场可编程门阵列电路连接编码器，所述编码器连接运动控制器，所述运动控制器连接PWM功放，所述PWM功放连接直流伺服电机，所述直流伺服电机连接编码器。
为控制机器人的运行轨迹及动作，现场可编程门阵列电路将机器人的运行轨迹及动作数据通过相应的转换后加载至智能加湿器、光电检测模块及开关量检测电路内，机器人的驱动件主要是电机和舵机，皆采用PWM进行调速与控制，根据编码器（优选脉冲编码器）的反馈信号，对机器人的运动状态进行实时控制，在控制时，编码器对待控制动作信号进行编码，而后传送至运动控制器内形成相应的控制信号，并将PWM功放进行信号放大后再控制直流伺服电机进行相应的运动。
本发明通过自动化技术、智能化控制技术、以及微处理器控制技术相结合而进行系统控制，使得机器人在使用过程中能够有效完成所设定工作流程，采用微控制器与现场可编程门阵列相结合的中心控制技术，提高整个系统的处理性能及处理效率。
实施例4：
本实施例是在实施例1或2的基础上进一步优化，进一步的，为更好的实现本发明，为便于使机器人在规定的区域内运行，如图1所示，特别设置成下述结构：所述光钥匙模块 内设置有光敏元件接收器、反射镜、光源、调制波形发生器、调制波形处理器及调制放大器，所述现场可编程门阵列电路连接调制波形发生器，所述调制波形发生器连接光源，所述光源连接反射镜，所述反射镜连接光敏元件接收器，所述光敏元件接收器连接调制放大器，所述调制放大器连接调制波形处理器，所述调制波形处理器连接现场可编程门阵列电路。
在运行时，现场可编程门阵列电路将发出光电检测指令至调制波形发生器内，调制波形发生器的波形调制采用频率调制方法，由于检测系统的调制频率在几十至几百kHz的范围内，为满足要求，优选考虑采用发光二级管（响应速度快，其工作频率可达几MHz或十几MHz）来完成调制波形的生成；光源内设置有光源驱动及光源，光源驱动主要负责把调制波形放大到足够的功率去驱动光源发光，而光源采用适合波形为方波的调制光的发射、且工作频率较高的红外发光二极管，利用红外发光二级管将调制光进行发射后，反射镜将此调制光反射至光敏元件接收器上，光敏元件接收器采用光敏二极管接收调制光线，并将光信号转变为电信号，由于此电信号较弱，因此需进一步进行滤波及放大处理，故将光敏二极管转换后的电信号首先加载至调制放大器内进行信号放大，此调制信号的放大采用交流放大的形式，还能使调制光信号与背景光信号分离，为信号处理提供方便。经放大、分离处理后的调制光信号将利用调制波形处理器进一步进行滤波及信号识别处理，而后加载至现场可编程门阵列电路内，以此为参考而调整机器人的运行区域，光钥匙模块 其本质是将“交流”的、有用的调制光信号从“直流”的、无用的背景光信号中分离出来，从而达到抗干扰的目的。
实施例5：
本实施例是在实施例1或2的基础上进一步优化，进一步的，为更好的实现本发明，利用清洁能源内的太阳能进行供电，使得整个系统结构可减少不可再生能源的损耗，同时还能够满足恶劣天气下依然正常工作，达到24小时全天候系统工作的目的，如图1所示，特别设置成下述结构：所述白光LED内设置有太阳能电池板、稳压电路、电源控制器及直流供电电路，所述太阳能电池板连接稳压电路，所述稳压电路连接电源控制器，所述电源控制器连接直流供电电路，所述直流供电电路分别连接中央处理器和现场可编程门阵列电路。
在工作中，太阳能电池板将太阳能转化为直流电能，而后将通过稳压电路进行稳压，经稳压后的直流电源将通过电源控制器内的输出电路输送至直流供电电路内，而后由直流供电电路分别给中央处理器和现场可编程门阵列电路进行供电。
实施例6：
本实施例是在上述实施例的基础上进一步优化，进一步的，为更好的实现本发明，能够在光照度不够使太阳能进行发电或夜间时候依然满足对整个系统进行供电，如图1所示，特别设置有下述结构：所述白光LED内还设置有蓄电池组，所述蓄电池组连接电源控制器。
在使用时，多余的电能将被存储在蓄电池组内，而出现太阳能光照不够或阴雨天气或夜间时，蓄电池组将进行释电，并通过电源控制器的输出电路输送至直流供电电路内，对中央处理器及现场可编程门阵列电路进行供电，达到24小时全天候的使整个系统工作。
实施例7：
本实施例是在实施例1或2的基础上进一步优化，进一步的，为更好的实现本发明，便于提高处理性能，并更多的存储机器人运行轨迹及动作，如图1所示，特别设置有下述结构：还包括参数存储器，所述参数存储器连接中央处理器。
在参数存储器内存储有机器人运行轨迹数据及动作数据，中央处理器将通过读取此类数据后加载至现场可编程门阵列电路内，用于控制机器人的运行轨迹及动作。
实施例8：
本实施例是在实施例1或2的基础上进一步优化，进一步的，为更好的实现本发明，能利用成熟的逻辑门阵列处理技术完成诸如开关量检测控制、舵机驱动检测控制、光电检测控制、光电检测模块控制等操作，特别采用下述设置方式：所述现场可编程门阵列电路主芯片采用Cyclone III。
Cyclone III，低成本的Cyclone III FPGA是Altera Cyclone系列的第三代产品。Cyclone III FPGA系列前所未有地同时实现了低功耗、低成本和高性能，进一步扩展了FPGA在成本敏感大批量领域中的应用。采用台湾半导体生产公司(TSMC)的65-nm低功耗(LP)工艺技术。Cyclone III容量在5K至120K逻辑单元(LE)之间，最多534个用户I/O引脚。Cyclone III器件具有4-Mbit嵌入式存储器、288个嵌入式18*18乘法器、专用外部存储器接口电路、锁相环(PLL)以及高速差分I/O等。
实施例9：
本实施例是在实施例1或2的基础上进一步优化，进一步的，为更好的实现本发明，能利用成熟的微控制器芯片技术完成主控制处理，特别采用下述设置方式：所述中央处理器采用TMS570LS1114微控制器。
TMS570LS1114器件是一款高性能汽车级安全系统微控制器系列。此安全架构包括：以锁步模式运行的双核CPU，CPU和存储器内置自检(BIST)逻辑，闪存和数据SRAM上的ECC，外设存储器的奇偶校验，外设I/O上的回路功能。
TMS570LS1114器件集成了ARM Cortex-R4F浮点CPU，此CPU 提供一个高效1.66DMIPS/MHz，并且具有能够以高达180MHz运行的配置，从而提供高达298DMIPS。此器件支持字不变大端序[BE32]格式。
TMS570LS1114器件具有1MB集成闪存和128KB数据RAM，此配置具有单个位纠错和双位纠错功能。这个器件上的闪存存储器是一个由64位宽数据总线接口实现的非易失性、电可擦除并且可编程的存储器。为了实现所有读取、编程和擦除操作，此闪存运行在一个3.3V电源输入上（与I/O电源一样的电平）。当处于管线模式中时，闪存可在高达180MHz的系统时钟频率下运行。SRAM在整个支持的频率范围内支持字节、半子、字和双字模式的单周期读取和写入访问。
TMS570LS1114器件特有针对基于实时控制的外设，其中包括2个下一代高端定时器(N2HET)时序协处理器，此协处理器具有多达44 个I/O端子，7个支持多达14个输出的增强型脉宽调制器(ePWM)模块，6个增强型捕捉(eCAP)模块，2个增强型正交编码器脉冲(eQEP)模块，以及2个支持多达24个输入的12位模数转换器(ADC)。
N2HET1是一款高级智能定时器，此定时器能够为实时应用提供精密的计时功能。该定时器为软件控制型，采用一个精简指令集，并具有一个专用的定时器微级机和一个连接的I/O端口。N2HET 可被用于脉宽调制输出、捕捉或者比较输入，或者通用I/O。N2HET 特别适合于那些需要多种传感器信息的应用，以及那些要求具有复杂和准确时间脉冲的驱动致动器的应用。一个高端定时器传输单元(HTU)能够执行DMA类型处理来与主存储器之间传输N2HET数据。一个内存保护单元(MPU)被内置于HTU内。
ePWM模块能够用最少的CPU开销或干预来生成复杂脉宽波形。ePWM易于使用，并且支持高侧和低侧PWM和死区生成。借助于集成触发区保护以及与片载MibADC的同步，ePWM模块非常适合于数字电机控制应用。
eCAP模块在外部事件的精确定时捕捉十分重要的系统中是必不可少的。在不被用于捕捉应用时，eCAP还可被用于监视ePWM输出或用于简单的PWM生成。
eQEP模块用于与一个线性或旋转递增编码器进行直接连接以从一个高性能运动和位置控制系统中正在旋转的机械中获得位置、方向和速度信息。
此器件具有212位分辨率MibADC，每个MibADC总共具有24个 通道和受64字奇偶校验保护的缓冲器RAM。MibADC通道可被独立转换或者可针对顺序转换序列由软件成组。16个输入可在2个MibADC间共用。有三个独立的组。每个组可在被触发时被转换一次，或者通过配置以执行连续转换模式。MibADC1还支持外部模拟复用器的使用。
此器件有多个通信接口：3个MibSPI，2个SPI，1个LIN1个SCI，3个DCAN，和1个I2C。SPI为相似移位寄存器类型器件之间的高速通信提供了一种便捷方法。LIN支持本地互联标准2.0并可被用作一个使用标准不归零码(NRZ)格式的全双工模式UART。DCAN支持CAN 2.0（A和B）协议标准并使用一个串行、多主控通信协议，此协议用高达1Mbps的稳健耐用通信速率有效支持分布式实时控制。DCAN非常适合工作于嘈杂和恶劣环境中的系统（例如：汽车和工业领域），此类应用需要可靠的串行通信或多路复用布线。
I2C模块是一个多主控通信模块，此模块通过I2C串行总线在微控制器和一个I2C兼容器件之间提供一个接口。此I2C支持100Kbps和 400Kbps的速度。
一个调频锁相环(FMPLL)时钟模块被用来将外部频率基准与一个内部使用的更高频率相乘。此全局时钟模块(GCM)管理可用时钟源与器件时钟域间的映射。
此器件还有一个外部时钟前置分频器(ECP)模块，当被启用时，此模块在ECLK端子上输出一个连续外部时钟。ECLK频率是一个外设接口时钟(VCLK)频率的用户可编程比例。这个可被外部监视的低频输出作为此器件运行频率的指示器。
直接内存访问(DMA)控制器有16个通道，32个控制数据包和对其内存的奇偶校验保护。MPU被内置在DMA中，以保护内存不受错误传输的影响。
错误信令模块(ESM)监控所有器件错误并在检测到一个故障时确定是触发一个中断还是触发一个外部错误引脚/球状引脚。可从外部监视的nERROR端子可作为一个微控制器中故障条件的指示器。
外部内存接口(EMIF)提供到异步和同步内存或者其它从器件的内存扩展。
一个参数覆盖模块(POM)被用来提高应用代码的校准功能。POM能够将闪存访问重新路由至内部存储器或EMIF，从而避免了闪存内参数更新所需的重编程步骤。
本发明满足机器人自动控制所需，利用多种存储模式进行数据存储，并根据不同的需要，利用不同的存储器对相应的处理数据进行存储，从而有效的提高现场可编程门阵列电路的处理性能，提高其处理速度，达到机器人的运行更加流畅的目的，整个系统具有设计科学合理、安全稳定、实用性强等特点。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于LIFI远程CCD机器人控制物联网系统，其特征在于：主要由中央处理器、现场可编程门阵列电路、光钥匙模块 、智能加湿器、信号调制控制设备、LED 灯、接收天线、信号处理电路、光电检测模块、开关量检测电路、白光LED及存储电路组成，所述中央处理器连接现场可编程门阵列电路、信号调制控制设备、LED 灯、接收天线、信号处理电路；
所述智能加湿器包括微控制器、加湿器开关以及光接收模块，所述光接收模块从LED灯组中接收LED通信信号，对所述LED通信信号处理后获得控制指令，并将所述控制指令输送到微控制器，所述微控制器根据所述控制指令生成加湿器开关的执行指令，所述加湿器开关是电磁继电器，所述电磁继电器与加湿器的加湿装置连接；
所述智能加湿器还包括水位传感器、温度传感器、湿度采集传感器、声光报警器以及显示电路，当所述智能加湿器根据控制指令开始工作时，微控制器向所述水位传感器、温度传感器、湿度采集传感器发出执行指令，获得加湿器内的水量数据信号、室温信号以及室内湿度信号，微处理器对所述水量数据信号、室温信号以及室内湿度信号进行放大、测量、A/D转换之后传送到加湿判断电路，控制加湿器按设定参数工作，同时把数据反馈给所述显示电路进行数据的可视化处理，最终达到对环境进行智能加湿的目的；
当环境的相对湿度值高于设定值时或者加湿器水量不足时，所述声光报警器发出报警信号；
所述中央处理器连接光钥匙模块、信号调制控制设备、LED 灯、接收天线、光探测器、信号处理电路；所述信号调制设备负责调制生成原始的电信号；所述LED 灯是单色的 LED；所述光探测器是可见光波段响应较好的 CCD光电转换器件；所述接收天线是可变倍数的光学镜头；所述信号处理电路与光探测器相适应，用于视频电信号的处理，以及确定接收光斑的形状、大小和平均接收光功率；所述探照灯和所述接收天线之间是大气信道，光源发出的光通过大气信道进行传输；所述远距离可见光通信系统设备主要包括发射端和接收端；发射端可使用OOK、PPM 等调制方式，光源将调制好的光信号以高速、明暗变化的规律进行发射，采用大功率低束散角阵列 LED 作为光源，由于调制速率在一百比特量级，可以采用单片机配合 C++软件编程进行发射端的软硬件设计，实现字符串的发送；接收端，采用 CCD 作为光探测器，硬件设备使用高帧频100fps 以上、高灵敏度、高响应度 CCD 相机；相机以与光源相同帧频进行拍摄，并且设计软件对CCD 相机进行数据的采集和处理，将调制信号的规律呈现出来，得到相应的灰度值，从而完成信息的传递过程，实现字符串的接收；所述充电插口设置于闭合门的侧端；所述现场可编程门阵列电路连接智能加湿器，所述开关量检测电路连接现场可编程门阵列电路，所述现场可编程门阵列电路连接光电检测模块，所述光钥匙模块 连接现场可编程门阵列电路，所述白光LED分别连接中央处理器和现场可编程门阵列电路，所述存储电路连接现场可编程门阵列电路；所述存储电路内设置有FLASH存储器及随机存储器，所述FLASH存储器及随机存储器皆连接在现场可编程门阵列电路上。
2.根据权利要求1所述的一种基于LIFI远程CCD机器人控制物联网系统，其特征在于：所述随机存储器采用静态随机存储器和/或动态随机存储器；所述光钥匙模块内设置有智能移动终端，基于智能移动终端操作系统，设计基于虚拟串口的秘钥发送智能移动终端的软件模块，通过智能移动终端的软件模块发送出秘钥信息，秘钥信息由智能移动终端的min-USB 口输出；所输出的秘钥信息，基于智能移动终端OTG 功能，经过外部驱动模块加载到LED灯上，通过LED来完成秘钥信息的传送。
3.根据权利要求1所述的一种基于LIFI远程CCD机器人控制物联网系统，其特征在于：所述智能加湿器内设置有编码器、运动控制器、PWM功放、直流伺服电机，所述现场可编程门阵列电路连接编码器，所述编码器连接运动控制器，所述运动控制器连接PWM功放，所述PWM功放连接直流伺服电机，所述直流伺服电机连接编码器。
4.根据权利要求1所述的一种基于LIFI远程CCD机器人控制物联网系统，其特征在于：所述光钥匙模块 内设置有光敏元件接收器、反射镜、光源、调制波形发生器、调制波形处理器及调制放大器，所述现场可编程门阵列电路连接调制波形发生器，所述调制波形发生器连接光源，所述光源连接反射镜，所述反射镜连接光敏元件接收器，所述光敏元件接收器连接调制放大器，所述调制放大器连接调制波形处理器，所述调制波形处理器连接现场可编程门阵列电路。
5.根据权利要求1所述的一种基于LIFI远程CCD机器人控制物联网系统，其特征在于：所述白光LED内设置有太阳能电池板、稳压电路、电源控制器及直流供电电路，所述太阳能电池板连接稳压电路，所述稳压电路连接电源控制器，所述电源控制器连接直流供电电路，所述直流供电电路分别连接中央处理器和现场可编程门阵列电路。
6.根据权利要求1所述的一种基于LIFI远程CCD机器人控制物联网系统，其特征在于：所述白光LED内还设置有蓄电池组，所述蓄电池组连接电源控制器。
7.根据权利要求1所述的一种基于LIFI远程CCD机器人控制物联网系统，其特征在于：还包括参数存储器，所述参数存储器连接中央处理器。
8.根据权利要求1所述的一种基于LIFI远程CCD机器人控制物联网系统，其特征在于：所述现场可编程门阵列电路主芯片采用Cyclone III。
9.根据权利要求1所述的一种基于LIFI远程CCD机器人控制物联网系统，其特征在于：所述中央处理器采用TMS570LS1114微控制器。
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