孫華，吳亞明，李偉
（哈爾濱工程大學 自動化學院，黑龍江 哈爾濱 150001）
摘要：設計了一種移動機器人無線局域網控制系統，采用OpenWrt系統的無線路由器建立無線局域網，與FPGA進行數據轉換，設計了系統的人機交互界面。通過WiFi，操作人員可以對移動機器人進行遙操作控制。通過整體設計使得系統能通過無線局域網將移動機器人控制器與上位機控制平臺聯系起來進行數據交流，實現上位機對移動機器人的遙操作控制功能以及對移動機器人的監測功能。
關鍵詞：OpenWrt；無線局域網；FPGA；WiFi；人機交互
0引言
隨著無線數據傳輸協議的規范和無線局域網(Wireless Local Area Network，WLAN)傳輸速率和穩定性的提高，無線局域網在機器人領域得到了應用。當機器人在惡劣的環境或者有毒、危險的環境下工作時，對操作人員的人身安全和身心健康造成極大的危害，因此很多機器人的控制方式已經從傳統的現場控制發展到遠程遙控的方式。操作人員的工作位置與機器人的作業位置可以在兩個不同的地方，保證了操作人員的人身安全［1］。
本文設計了基于OpenWrt系統的無線路由器的無線局域網。整個系統由上位機和下位機組成，通過基于OpenWrt系統的無線路由器進行傳輸數據。下位機采用FPGA控制板作為控制器，將無線路由器的網口數據轉化為FPGA方便處理的串口數據，使得在進行數據編排時更加簡單、快捷，降低了成本，縮短了開發時間。
1移動機器人無線局域網實現
本文首先闡述了系統中無線局域網的通信原理，闡明了數據轉化的方式，然后對建立無線局域網的設備進行了介紹，并對其內部進行了一些修改，最后對OpenWrt系統和其安裝配置進行了簡要說明。
1.1機器人無線局域網通信系統總體設計
本文實現的無線局域網方案是由無線路由器發出WiFi信號，無線路由器可以基于人為定制的OpenWrt系統安裝。無線路由器發射的無線局域網完成的通信功能有兩個：將網口數據轉化為串口數據實現與上位機通信；將攝像頭采集的數據發送給上位機處理。為滿足要求，在OpenWrt系統的無線路由器上安裝兩個軟件：ser2net和mjpgstreamer。
ser2net是網口串口數據互轉的軟件，上位機發送的控制指令以網口為路徑經ser2net從串口轉發給移動機器人的FPGA控制板，同樣FPGA控制板也可以將該路徑反過來反饋數據給上位機［2］。mjpgstreamer可用于通過網絡攝像頭采集圖像，把圖像數據以流的形式通過基于IP的網絡傳輸到瀏覽器。移動機器人無線局域網通信原理圖如圖1所示。
1.2無線路由器
本文采用的路由器型號為TPLINKWR703N，傳輸標準為IEEE 802.11b/g/n，無線傳輸率為150 Mb/s。該路由采用AR9331的方案，主控芯片為AR9331芯片，為方便串口通信，將該路由的數據輸入和數據輸出線引出作為TTL串口通信的RX和TX數據線，并引出接地線。
無線路由器的路由模式有3種：3G路由模式、無線路由模式、無線AP模式。本設計采用無線AP模式下的接入點模式。
1.3OpenWrt系統
OpenWrt是一個高度模塊化、高度自動化的嵌入式Linux系統，擁有強大的網絡組件和高擴展性，常常被用于工控設備、電話、小型機器人、智能家居、路由器以及VOIP設備中。有一個稱作LuCI的Web交互接口用于配置路由器。這個Web接口有許多配置頁面，可以管理安裝可用的軟件包，但是有些軟件不能從網絡安裝，所以通過終端配置也是一種不可或缺的選擇［3］。
1.4OpenWrt系統定制
本文采用基于Linux的Ubuntu13.10操作系統定制OpenWrt系統。為定制OpenWrt系統，需在Ubuntu13.10操作系統下安裝一定的編譯依賴包和OpenWrt系統源碼。
編譯依賴包具體安裝指令如下：先輸入sudo aptget update，再輸入sudo aptget install gcc g++ binutils patch bzip2 flex bison make autoconf gettext texinfo unzip sharutils subversion libncurses5dev ncursesterm zlib1gdev［4］。Ubuntu安裝編譯依賴包過程如圖2所示。
本設計選擇OpenWrt提供的backfire版，下載過程為：先輸入mkdir openWrt創建文件夾，再輸入cd openwrt確定，緊接著下載OpenWrt源碼（svn co svn://svn.openwrt.org/openwrt/branches/backfire/）。下載安裝backfire版系統源碼如圖3所示。
1.5Ser2net和Mipgstreamer
本文所使用的系統需要ser2net和mjpgstreamer兩個軟件來完成數據的轉化。
ser2net的作用是把接收到的網絡數據（TCP/IP格式）轉化為處理器可以處理的串口數據，同時把串口數據打包成網絡格式（TCP/IP格式）發送出去。把此程序放入路由器的啟動項程序中，每當串口接收到來自FPGA的數據時，便會觸發該程序，把串口數據自動打包，再送到下一級處理。
mjpgstreamer的作用是將攝像頭采集的視頻流數據以mjpg流媒體協議輸出到路由器，然后通過ser2net將流媒體數據轉化為網絡格式（TCP/IP格式）發送出去［5］。
1.6無線路由器OpenWrt系統
本設計選擇設置頁面的升級接口方式進行系統安裝。具體過程如下：設置進行刷機的PC的網卡IP為 192.168.1.100，子網掩碼為255.255.255.0；用網線將無線路由器與PC連接，按住路由器reset按鈕，接電源，直到藍色指示燈亮起后松開reset按鈕；用瀏覽器打開192.168.1.1，進入failsafe刷機界面；在刷機界面中選擇刷機的目的固件并確定，等待大約5 min直到指示燈不閃爍，隨后刷機完成，可以進入固件界面。
2上位機與無線局域網通信
圖4ser2net工作流程圖上位機與移動機器人控制板的無線局域網通信實際上是上位機數據通過網絡端口轉串口進行發送。通過OpenWrt系統中安裝的軟件ser2net完成轉發功能。同時視頻數據傳輸到上位機界面后通過綁定的端口號和IP將視頻進行解碼。在上位機上運用Socket編程和多線程編程將流媒體數據提取出來［6］。TCP網口數據轉發到串口的工作流程圖如圖4所示。
3上位機與無線局域網系統測試
調試過程中先將無線路由器通過串口轉USB線連接計算機，然后將計算機接入無線路由器發射出的無線局域網，如圖5所示。
接著打開上位機軟件接入網絡，設置控制信號為不同值，如圖6所示。
然后通過上位機發出控制指令，由串口調試助手監測無線路由器是否轉發了該控制指令，如圖7所示。
4人機交互系統
本文開發的人機交互系統主要有兩個功能：視頻觀察、移動機器人控制。視頻觀察是通過攝像頭將畫面顯示到人機交互界面，以便實時監控移動機器人的路況，防止移動機器人在運動過程中碰到障礙物，發生損壞。在控制區有移動機器人的操作指令和視頻關閉按鈕，可以對移動機器人進行遙操作。
5無線局域網系統整體調試
在調試完成并測試了各個模塊可以正常工作后，需要調試整體功能，最終經過系統調試，整個系統可實現正常運行。
6結論
本文通過將OpenWrt系統移植到無線路由器中，實現了網口數據轉化為串口數據，通過FPGA進行處理，并將圖像數據以流的形式通過基于IP的網絡傳輸到上位機界面，構成一個完整的無線局域網系統。
本文開發的人機交互界面具有較強的可移植性，對于不同的主控系統都可以很好地兼容。實驗表明，該人機交互界面同以往無線數據傳輸開發工具相比，具有開發周期短、可移植性好、操作簡單等優點。
參考文獻
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［2］ 蔣嘉柔,蘇寒松,李婷. 基于手機終端無線通信系統的設計與實現［J］. 電子測量技術,2015,38(10):122130.
［3］ 曹為華,凌強,張雷,等. 基于OpenWrt系統路由器的模式切換與網頁設計［J］. 微型機與應用,2015,34(23):9194.
［4］ 危思思. 基于OpenWrt開源平臺的移動智能裝備［D］.杭州：浙江大學,2014.
［5］ 李歡,魏衡華.基于仿人機器人的無線視頻監控系統設計［J］.微型機與應用,2014,33(10):8891,94.
［6］ 李章俊,沈天怡,華嬌嬌,等. 基于WiFi技術的多功能小型搜救機器人［J］. 電子世界,2014,13(6):198199.