【文章內(nèi)容簡介】 構(gòu)及硬件設計與實現(xiàn) 系統(tǒng)分析設計移動機器人日常主要工作是打掃房間，工作區(qū)域十分固定，老人與移動機器人的距離通常保持在一定的范圍內(nèi)。與此同時，手環(huán)與移動機器人是分離的。為此本系統(tǒng)在手環(huán)與移動機器人之間通信設計上優(yōu)先選擇近距離無線通信技術。近些年，由于通信與信息技術的日新月異，各種以無線方式進行通信的技術得到廣泛的應用，并且已十分成熟。如今應用較為廣泛的近距離無線通信技術有藍牙技術、WiFi、IrDA技術、ZigBee技術等。各種近距離無線通信技術都有其自己的特點。有些技術適合對功能進行擴充，而有些因滿足特定應用得名，還有傳輸?shù)乃俣?、傳輸距離、功耗等各自的不同。在各種通信技術中，藍牙技術被廣泛應用于各種設備之間，并且技術成熟。它的通信范圍在10m內(nèi)，并且能夠達到1Mbps傳輸速率，傳輸效率高，穩(wěn)定性強。所以，本系統(tǒng)選用藍牙技術進行移動機器人與心電手環(huán)之間的通信。移動機器人需要將老人心率數(shù)據(jù)發(fā)送到子女客戶端，因為子女通常不在家中，所以子女客戶端要接收到心率數(shù)據(jù)需要網(wǎng)絡通信。移動機器人日常工作是打掃房間，不能固定在一個位置，將機器人與有線網(wǎng)絡進行連接顯然是不合理的。因此，需通過無線網(wǎng)絡通信將心率數(shù)據(jù)發(fā)送到子女客戶端。圖21系統(tǒng)總體框圖 Figure 21 system overall block 通過以上分析，可以設計出系統(tǒng)的總體框圖：由圖可知，本系統(tǒng)工作流程可分為兩個階段，第一階段是心電模塊采集老人心率數(shù)據(jù)。藍牙從模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到移動機器人藍牙主模塊上。第二階段是藍牙主模塊接收心率數(shù)據(jù)，并在移動機器人的ARM9處理器上對數(shù)據(jù)簡單處理。然后將心率數(shù)據(jù)利用無線網(wǎng)絡發(fā)送到遠程客戶端[5]。 由于考慮到心電模塊要穿戴到空巢老人手腕上。所以，心電模塊選型上要在保證心電信號穩(wěn)定性的前提下適合穿戴。心電模塊選擇了STM32F103C8T6微處理器為內(nèi)核，STM32是ST公司推出的基于ARMCortexM3內(nèi)核的32位單片機。該單片機計算處理數(shù)據(jù)能力比8位和16位單片機強很多，并且處理代碼效率更高。在功耗方面，該單片機具有三種模式相互切換，可以使功耗達到最低。由于心電模塊要安放在可穿戴手環(huán)上，所以對功耗方面要求盡可能最低。而該單片機剛好滿足可穿戴設備對功耗方面的要求。心電采集模塊選用的是AD8232芯片，該芯片主要用于ECG和一些生物電的測量。因為該芯片本身集成了一些先進設備，可以自動濾去噪聲或是放大微弱的生物電信號，所以對其采集數(shù)據(jù)的準確性能夠得到一定的保證。與此同時，該設計可以讓單片機輕松的采集到輸出的信號，這使得選用的處理器與其更好的配合。完整的心電模塊圖如圖31心電模塊圖。圖 21 心電模塊圖Figure 21 ECG module chart將心率數(shù)據(jù)以無線傳輸方式發(fā)送到機器人本體上的關鍵在于實現(xiàn)藍牙模塊之間的數(shù)據(jù)通信。藍牙模塊的性能決定了傳輸數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性、傳輸速率、效率及功耗等。藍牙模塊需要主從模塊兩個，需要設置波特率、主從模式等相應參數(shù)。設置完成后，主模塊能夠搜索到從模塊并完成配對。藍牙模塊的選擇是十分重要的。本項目選擇BLKMDBC04B藍牙模塊為主模塊作為其解決方案。該模塊使用的芯片是英國CSR公司的BlueCore4Ext。+EDR藍牙規(guī)范，支持各種常用接口。該模塊除了具有研發(fā)成本低、體積小巧的特點外，模塊的功耗也很低并且收發(fā)十分靈敏。與此同時，該模塊采用主從一體式設計且支持軟硬件控制主從模式轉(zhuǎn)換，支持連接7個藍牙從設備。利用藍牙模塊的AT指令集可以方便地對藍牙模塊進行配置和查詢。選用HM06模塊作為從模塊。HM系列藍牙模塊采用CSR Blue Core、TI CC2540芯片，配置256Kb、68Mbit的軟件存儲空間，支持AT指令，用戶可根據(jù)需要更改SPP角色（主、從模式）以及串口波特率、設備名稱、配對密碼等參數(shù)，使用靈活。該模塊設計時為了滿足于袖珍設備的使用，封裝盡可能達到最小， 圖22 藍牙主從模塊圖Figure 22 Bluetooth masterslave module**，滿足心電手環(huán)對體積的要求。為實現(xiàn)無線網(wǎng)絡接口，本文選用TPLINK公司的TLWN823N無線網(wǎng)卡作為解決方案。該網(wǎng)卡遵循IEEE 、IEEE ，其傳輸速率最高可達300Mbps（IEEE ）且體積小巧非常便于安裝。由于移動機器人選型及結(jié)構(gòu)復雜，并且不是本論文研究重點，所以在此僅對其作簡要介紹。圖24移動機器人圖Figure 24 mobile robot本文采用Friendly ARM公司的micro2440開發(fā)板為信息處理模塊的實現(xiàn)硬件。Micro2440采用核心板+擴展底板的設計結(jié)構(gòu)，其核心板其實是一個最小系統(tǒng)板，采用六層PCB板設計，利用等長布線的方式滿足信號的完整性需求，保證了信息處理時的穩(wěn)定性。采用SamsungS3C2440A為處理核心，默認主頻為400MHz，最高可達到533MHz，能夠滿足機器人平臺對計算能力的要求。板載64MSDRAM，時鐘頻率可達100MHz并擁有1GNANDFLASH用以滿足機器人平臺對存儲空間的需求。此外，核心板還引出56Pin作為GPIO接口并提50PinLCD/CAMERA接口與56Pin的系統(tǒng)總線接口，為我們對外進行擴展提供了充足的空間[5]。圖23 micro2440開發(fā)板圖Figure 23 micro2440 development board 硬件實現(xiàn) 圖25藍牙模塊連接圖Figure 25 Bluetooth module connection 藍牙主模塊用于接收從模塊發(fā)送的數(shù)據(jù),連接在micro2440開發(fā)板的串口3上,該串口輸出TTL信號。藍牙模塊有VCC、RXD、TXD、GND、SET、3V六個引腳。VCC為電源引腳，工作電壓為5V。RXD與TXD分別為接收數(shù)據(jù)和傳送數(shù)據(jù)引腳。GND為地線引腳。SET可作為硬件主從設置口，懸空或接GND模塊為從模塊。將開發(fā)板VCC RXD TXD GND與藍牙模塊的VCC、TXD、RXD、GND引腳對應連接，注意輸入輸出需要反接。具體連線方式如圖25藍牙模塊連接圖。由于S3C2440上已經(jīng)安裝了操作系統(tǒng)，這為我們使用TLWN823N提供了便利，但TPLINK公司并沒有提供該款網(wǎng)卡在Linux系統(tǒng)下的驅(qū)動程序，要想順利使用該網(wǎng)卡必須首先解決驅(qū)動問題。圖26網(wǎng)卡圖Figure 26 wireless adapter下面對其驅(qū)動移植過程進行簡要說明，首先掛載該網(wǎng)卡，利用系統(tǒng)返回信息查看其USB ID：0bda 8178ID，搜索該ID對應的芯片組：REALTEK公司的RTL8192CU芯片，下載該型號的芯片驅(qū)動對其程序進行修改使其適應本操作系統(tǒng)，修改其Make file文件并指定目標系統(tǒng)的硬件構(gòu)架、系統(tǒng)內(nèi)核、編譯工具鏈等[6]。由于驅(qū)動的編譯需要交叉編譯工具鏈和經(jīng)過編譯的目標板操作系統(tǒng)的源碼，所以我們要構(gòu)建這兩方面的編譯環(huán)境，這部分工作繁瑣復雜又不在本文的重點討論范圍內(nèi)因而具體步驟不再贅述。，移植、剪裁、在以上工作全部完成后，對網(wǎng)卡芯片的驅(qū)動程序進行編譯，最終獲得驅(qū)動文件，加載驅(qū)動文件，驅(qū)動無線網(wǎng)卡正常工作同時禁用板載有線網(wǎng)卡避免沖突，再經(jīng)過簡單的配置，無線網(wǎng)絡接口搭建完成。 本章小結(jié)本章主要講述本系統(tǒng)旨在服務于空巢老人這一目的，并以此對系統(tǒng)實現(xiàn)需要使用的主要技術選擇上進行了分析；對系統(tǒng)總體設計思想進行了描述，并根據(jù)系統(tǒng)設計思想設計出系統(tǒng)的總體框圖，為后續(xù)詳細設計打下基礎。依據(jù)系統(tǒng)總體設計思想，根系統(tǒng)性能以及適應性綜合考慮對各個模塊進行了選型。并且從硬件方面對系統(tǒng)進行了總體設計，完成了硬件系統(tǒng)的搭建工作，為系統(tǒng)軟件的實現(xiàn)打下良好的基礎。第三章 系統(tǒng)軟件設計與實現(xiàn)圖31串口通信確認圖Figure 31 serial munication confirm藍牙通信模塊連接好以后可以通過發(fā)送AT指令測試模塊是否連接正確，能否正常通信，以及設置主從模塊、波特率、以及查詢模塊名稱等?？梢酝ㄟ^PC機串口和BC04B藍牙模塊進行通信。串口缺省波特率為