Diese Arbeit analysiert das Hardware-Implementierungsschema vernetzter mobiler Roboter und schlägt eine Methode vor, die auf der Implementierung von GPRS-Netzwerkrobotern basiert. Diese Methode ist kostengünstig, nicht regional beschränkt, nutzt mobile Ortungsdienste zur Echtzeit-Positionierung des Roboters und ermöglicht die direkte Steuerung per SMS. Abschließend wird die Anwendung des programmierbaren Peripheriegeräts PSD813f2-Mikrocontrollers in dieses System integriert. Die konkrete Implementierung des vernetzten mobilen Robotersystems wird beschrieben. 1 Einleitung Seit dem Aufkommen des Internets hat die Welt das Zeitalter der Massenmarkt-Netzwerke erreicht. Die Kombination des Internets mit der laufenden Forschung an ferngesteuerten Robotern, wie beispielsweise Fußballrobotern und ferngesteuerten Robotern, kann neue Anwendungsgebiete für Roboter und Netzwerke eröffnen. Zu den aktuellen Entwicklungsprioritäten in der Robotertechnik gehören: praktische Anwendung, Hochgeschwindigkeitstechnologie, Miniaturisierung und Leichtbau, Hochpräzisionstechnologie, Zuverlässigkeitstechnologie, Computersteuerungstechnologie, Netzwerktechnologie sowie Bild- und Tastsensorik. Derzeit beschäftigen sich viele Wissenschaftler in China mit der Forschung zu Internetanwendungen im Bereich der Robotersteuerung, während die Netzwerktechnologie durch neue verteilte Rechenverfahren und Massenmarkt-Technologien repräsentiert wird. Vernetzte Roboter, die drahtloses Ethernet nutzen, sind komplex aufgebaut und relativ teuer. Dies beschränkt ihren Einsatz auf die Laborforschung und macht sie für Privathaushalte schwer zugänglich. Zudem sind sie geografisch eingeschränkt, da sie nur in WLAN-Netzen funktionieren und üblicherweise in Innenräumen eingesetzt werden. Die Forschung an vernetzten mobilen Robotern in Japan konzentriert sich hauptsächlich auf wissenschaftliche Experimente, was die Anforderungen einer breiten Anwendung erschwert. Im Gegensatz dazu hat Japan internetsteuerbare Roboter wie den „BN-8“ (Arbeitstitel) entwickelt, der zwischen 20.000 und 30.000 Yen (ca. 1250–1875 RMB) kostet. Die Positionierung von Robotern, ob in Innen- oder Außenbereichen, bleibt ein wichtiges und anspruchsvolles Forschungsthema. Eine gängige Methode besteht darin, einen GPS-Empfänger am Roboter zu installieren, der die empfangenen Informationen an den Roboter sendet. Dieser führt dann komplexe Berechnungen durch, um seinen Standort zu bestimmen – ein kostspieliges Verfahren. Um diese Probleme zu lösen, entwirft diese Arbeit einen GPRS-basierten vernetzten mobilen Roboter und bietet neue Ideen und Methoden für dessen Konstruktion. Der Artikel beschreibt detailliert den Entwurf und die Implementierung der Netzwerkfunktionen des Systems. 2 Systemstruktur Die Systemstruktur des GPRS-basierten vernetzten mobilen Roboters ist in Abbildung 1 dargestellt. Für die Netzwerksteuerung des Roboters wird eine Client/Server-Architektur verwendet. Zunächst meldet sich der Client am Netzwerkserver des Roboters an, wählt den Robotersteuerungsmodus (SMS/Online) und sendet Steuerbefehle. Der Roboterserver ist mit einem SMS-Sendemodul ausgestattet, das SMS-Nachrichten empfangen und senden kann. Er analysiert und interpretiert die empfangenen Befehle, ermittelt die Standortinformationen des Roboters über mobile Ortungsdienste und sendet Steuerbefehle oder SMS-Nachrichten an den vernetzten Roboter. Der Roboter befindet sich normalerweise im SMS-Modus; wenn keine neuen SMS-Nachrichten eingehen, wechselt er in den Schlafmodus. Sobald er einen Befehl zum Wechsel in den Online-Netzwerkmodus erhält, wählt er sich aktiv ein und stellt eine Netzwerkverbindung zum Roboterserver her. Dies ermöglicht dem Client die Steuerung des Roboters in Echtzeit. Der Roboter führt verschiedene Aufgaben gemäß den Befehlen des Roboterservers aus. Nutzer können die Standortinformationen des Roboters über mobile Ortungsdienste mit ihren Mobiltelefonen abrufen und ihn anschließend per SMS steuern. Dies ermöglicht die Offline-Programmierung und -Steuerung des Netzwerkroboters. So kann der Roboter einfache Aufgaben ohne zusätzliche Ausrüstung ausführen. Abbildung 1: Systemstruktur ; Abbildung 2: Hardwarestruktur ; Abbildung 3: Arbeitsablauf. Der gesamte Netzwerkroboter besteht aus sieben Komponenten: Sensoren, Kommunikationsschnittstelle, Controller-Mikrocontroller (MCU), programmierbarer Allzweck-Peripherieschnittstellenchip (PSD), Treiberschaltung, Stromversorgung, Taktgeber und Peripherieschaltungen. Das Hardware-Strukturdiagramm des Netzwerkroboters ist in Abbildung 2 dargestellt. Da der 80196 über zahlreiche Peripherieschnittstellen verfügt und sich für die Motorsteuerung eignet, wurde er als Mikrocontroller gewählt. Der programmierbare Allzweck-Peripherieschnittstellenchip (PSD) von WSI integriert mehrere vom Mikrocontroller benötigte Peripheriegeräte auf einem Chip und ermöglicht so eine nahtlose Verbindung (ohne zusätzliche Komponenten). Dies vereinfacht das Design erheblich, spart Ressourcen und verbessert die Systemzuverlässigkeit deutlich. Aktuell findet es breite Anwendung in verschiedenen Ladesystemen wie z. B. steuerbereinigten Zapfsäulen, Taxametern, POS-Geräten, IC-Kartentelefonen, Industriesteuerungen, Messtechnik, GPS-Fahrzeuggeräten und Kommunikationsnetzen wie ISDN, SDH, DWDM, PABX und VoIP. Darüber hinaus ermöglicht das PSD (Power-On-Demand) die Online-Programmierung des Netzwerkroboters. Durch den Einsatz eines Paging-Mechanismus kann die Beschränkung des Daten- und Programmspeichers des Mikrocontrollers auf lediglich 64 KB überwunden werden. Kommunikation und PSD sind Kernkomponenten eines Netzwerkroboters und beeinflussen dessen einwandfreie Funktion. Der Netzwerkroboter nutzt einen Halbduplex-Kommunikationsmodus. Im Normalbetrieb befindet er sich im SMS-Schlafmodus. Beim Empfang einer SMS passt er seinen Status entsprechend der Nachricht an. Befindet er sich im Online-Netzwerkmodus, wählt er sich ein, um auf das Internet zuzugreifen und Netzwerksteuerungsfunktionen auszuführen. Andernfalls führt er die entsprechenden Befehle aus der SMS aus. Nach einer gewissen Zeit ohne Datenverkehr im Online-Netzwerk wechselt der Roboter wieder in den SMS-Schlafmodus. Das Workflow-Diagramm des vernetzten mobilen Roboters ist in Abbildung 3 dargestellt . 4. Kommunikationssteuerung: Es gibt verschiedene Methoden zur Implementierung eines eingebetteten Webservers mithilfe eines Mikrocontrollers. Aufgrund ihrer Eigenschaften können mobile Roboter jedoch nur drahtlose Zugriffs- oder Bluetooth-Technologien nutzen. Obwohl WLAN im Bereich vernetzter mobiler Roboter weit verbreitet ist, ist diese Methode für gängige Netzwerkroboter relativ komplex. Die Nutzung eines drahtlosen Wähltelefons für den Internetzugang ist eine gute Alternative. Drahtlose Wählverbindungen können über GSM, GPRS oder CDMA erfolgen. GPRS wird datenbasiert abgerechnet und bietet Funktionen wie Echtzeit-Online-Zugriff, Prepaid-Abrechnung, schnelle Anmeldung, hohe Übertragungsgeschwindigkeit und nahtloses Umschalten. In diesem Artikel wird die zweite Methode verwendet, die einen dedizierten TCP/IP-Prozessorchip e5112 nutzt. Dieser übernimmt die TCP/IP-Protokollkonvertierung und reduziert so den Programmieraufwand erheblich. Der e5112 verfügt über 32 KB RAM und seine Internetgeschwindigkeit ist anpassbar. Bei Verwendung eines externen Quarzoszillators mit 22,1184 MHz erreicht die maximale Geschwindigkeit 115,2 kHz. Der E5112 bietet zwei Kanäle: einen nicht-transparenten und einen transparenten Kanal. Der transparente Kanal verarbeitet die Daten nicht und sendet und empfängt sie direkt, während der nicht-transparente Kanal die Daten vor der Übertragung verarbeitet. Der E5112 unterstützt drahtlose Übertragungsmodule von WAVECOM, SIEMENS und MOTOROLA. In dieser Arbeit wird das WAVECOM2403 verwendet, das GPRS-Kommunikation unterstützt. Da der 80196 nur über eine serielle Schnittstelle verfügt, muss der Roboter diese für die Parametereinstellung belegen. Um die serielle Kommunikation mit dem E5112 asynchron zu erweitern, wird in dieser Arbeit der 16C550 verwendet. Der 16C550 ist mit dem 8250 kompatibel, verfügt jedoch über einen 14-Byte-FIFO-Speicher, wodurch die Anzahl der Kommunikationsunterbrechungen effektiv reduziert und die Übertragungsgeschwindigkeit erhöht werden kann. Der Datenfluss der GPRS-Netzwerkkommunikation ist in Abbildung 4 dargestellt. Der Roboter kann in zwei Modi mit dem Server kommunizieren: SMS und TCP/IP. Die Schritte zum Verbinden des e5112 per SMS sind wie folgt: (1) Baudrate der seriellen Schnittstelle des drahtlosen Modems einstellen; (2) Baudrate der seriellen Schnittstelle des Roboters einstellen; (3) SMS-Zentrale einrichten; (4) Transparenten Befehlsübertragungsmodus aktivieren; (5) SMS lesen/schreiben. Die Schritte zum Einrichten der Netzwerkverbindung auf dem e5112 sind wie folgt: (1) Baudrate der seriellen Schnittstelle am Modem einstellen; (2) Baudrate der seriellen Schnittstelle am Roboter einstellen; (3) Transparenten Befehlsübertragungsmodus aktivieren; (4) Modus auf „B“ einstellen; (5) Protokoll und Zugangspunktnamen (APN) definieren; (6) Nicht-transparenten Befehlsübertragungsmodus aktivieren; Abbildung 4: Kommunikationsdatenflussdiagramm; 5: Programmablaufdiagramm; 6: Ablauf des SMS-Moduls; (7): Wählverbindungseinstellungen. (8) Einwahl; (9) SOCKET-Einstellungen; (10) TCP-Verbindung herstellen. Der e5112 reagiert auf jeden Einrichtungsschritt. Bei korrekter Antwort wird mit dem nächsten Schritt fortgefahren; andernfalls wird der Vorgang ab dem ersten Schritt wiederholt und ein Reset durchgeführt. 5. PSD-Konfiguration Aufgrund der Komplexität des Netzwerkrobotersystems wird in dieser Arbeit der PSD813F2 verwendet. Dieser verfügt über 1 MB Flash-Hauptspeicher, einen zweiten 256 KB großen E2PROM-Speicher, 16 KB SRAM, ein komplexes programmierbares Logikarray (CPLD) sowie Funktionsmodule wie erweiterte I/O-Ports und eine JTAG-Schnittstelle. Nach Abschluss der Programmierung wird der PSD813F2 mit PSDSOFTEXPRESS konfiguriert. Die Konfiguration wird anschließend in das Programm integriert und auf den PSD geladen. Da diese Architektur nur 48 KB Programmspeicher benötigt, ist kein Paging erforderlich. Die Zuweisung des Programmspeichers erfolgt wie folgt: 0000H-00FFH Interner RAM-Bereich des Mikrocontrollers; 0100H–08FFH PSD interner RAM-Bereich; 0900H–09FFH PSD interner CSIOP-Bereich; 0A00H–1FFFH peripherer RAM-Bereich // peripherer RAM-Bereich für Taktgeber, 16C550 usw.; 2800H–FFFFH Flash-Speicher. Da der Flash-Speicher in acht 16-KB-Segmente unterteilt ist, werden in diesem Artikel nur die Segmente 1–4 verwendet, die wie folgt definiert sind: fs0: 0000H–3FFFH; fs1: 4000H–7FFFFH; fs2: 8000H–BFFFH; fs3: C000H–FFFFH. Obwohl fs0 weitere RAM-Bereiche enthält, besteht zwischen ihnen eine hierarchische Beziehung. SRAM, I/O und periphere I/O haben die höchste Priorität, gefolgt von E2pROM, während der Flash-Speicher die niedrigste Priorität besitzt. Nach der Definition des Flash-Speichers behalten die RAM-Bereiche ihre ursprünglichen Segmentfunktionen. Bei der Konfiguration des PSD sind folgende Punkte zu beachten: Erstens: CSIOP belegt beim Memory Mapping 256 Byte und darf sich nicht mit anderen Adressen auf derselben Ebene im Datenspeicherbereich überschneiden. Beim 80196 mit 8-Bit-Datenbus muss das Memory Mapping bedarfsgerecht erfolgen, um Konflikte oder Überschneidungen der CSIOP-Adresse mit den Registern des 80196 zu vermeiden. Zweitens: Die Pins für Adressspeicherung, Chipauswahl und I/O-Modus müssen neben der Definition in PSDsoft EXPRESS auch im Programm initialisiert werden. Jeder Port verfügt über einen Satz Konfigurationsregister, die vom Mikrocontroller korrekt gelesen werden können. Die Registeradresse setzt sich aus der Basisadresse und der Offsetadresse von CSIOP zusammen. 6. Programmierung: Aufgrund der Systemkomplexität wird in diesem Dokument die C96-Programmierung verwendet. Nach der Programminitialisierung werden Interrupts aktiviert und die Interrupt-Schleife gestartet. Das Programm enthält Handler für serielle GPRS-Kommunikationsinterrupts, serielle Parametereinstellungsinterrupts, Taktinterrupts usw. Der Programmablauf ist in Abbildung 5 dargestellt. Die Aufgabenverarbeitungsschleife umfasst Module für Kurznachrichten und Online-Netzwerkkommunikation. Der Wechsel zwischen diesen Modulen ist in Abbildung 3 dargestellt, und ihre Arbeitsabläufe sind ähnlich. Im Internetmodus werden die Daten nach der Verarbeitung durch das Roboterkommunikationsprotokoll mithilfe des e5112-Protokolls verarbeitet. Abbildung 6 zeigt den Ablauf des Kurznachrichtenmoduls. Im Programmdesign sind mehrere Punkte zu beachten: Erstens: Initialisierung des seriellen GPRS-Kommunikationsinterrupts, hauptsächlich durch Setzen der Register des 16C550. Nach dem Setzen jedes Registers wird eine Verzögerung eingefügt, um die ordnungsgemäße Funktion des Chips zu gewährleisten, wie im folgenden Code gezeigt: `void initial_GPRS232()`. Zweitens: Um zu viele Aufgaben in der Behandlung von seriellen GPRS-Kommunikationsinterrupts und damit verschachtelte Interrupts zu vermeiden, werden die Daten nicht während der Behandlung des seriellen GPRS-Kommunikationsinterrupts, sondern außerhalb des Interrupts (in der jeweiligen Aufgabe) verarbeitet. Dies kann jedoch auch zu Datenverlust führen. Daher wird ein großer Ringpuffer eingerichtet, in den während der Interrupt-Anforderung ausschließlich Daten geschrieben werden. Drittens: Während des Betriebs müssen einige Komponenten wie der Taktgeber und der 16C550 überwacht werden, um ihren ordnungsgemäßen Betrieb sicherzustellen. Bei einer Fehlfunktion einer Komponente aufgrund externer Störungen müssen deren Register neu initialisiert werden. 7. Fazit: In diesem Beitrag wird ein Entwurfsschema für einen GPRS-basierten Netzwerkroboter vorgestellt, das auf praktischen Anwendungen basiert und eine konkrete Implementierungsmethode beschreibt. Das Schema ist einfach zu implementieren, bietet verschiedene Steuerungsmethoden, überwindet die regionalen Beschränkungen von WLAN-Zugriffsmethoden und kann mobile Ortungsdienste zur Roboterpositionierung nutzen. Dadurch eignet es sich für den breiten Einsatz vernetzter mobiler Roboter. Es weist jedoch auch Schwächen auf, beispielsweise hinsichtlich der Verarbeitungsgeschwindigkeit des Roboters, der Positionsgenauigkeit und der Systemstabilität. Durch den Einsatz von Hochgeschwindigkeits-DSP-Chips oder leistungsstarken 32-Bit-Mikrocontrollern wie dem Ti2407 oder ARM7 in Kombination mit Embedded-Betriebssystemen wie UC/OS, uClinux, VxWorks oder WinCE und präziseren Mobilfunkmodulen wird die Gesamtleistung des Systems verbessert und stabiler. Mobile Kommunikation und Internet sind zwei zentrale Themen der Informationsindustrie. Das mobile drahtlose Internet und seine integrierten Anwendungen eröffnen der Branche enorme Geschäftsmöglichkeiten und fördern die Verbreitung vernetzter mobiler Roboter. Mit der Weiterentwicklung der Robotertechnologie, der zunehmenden Verbreitung von Breitbandinternet und Hochgeschwindigkeitsnetzen sowie der breiten Anwendung von Kommunikationstechnologien werden intelligente vernetzte mobile Roboter bald in Privathaushalten Einzug halten und den Alltag der Menschen bereichern.