強電磁干擾下遠距離綜合無線通信設計

針對大功率電磁干擾環(huán)境下以及復雜煙霧條件下的排爆機器人作業(yè)時的通信控制問題，提出了一套集無線通信、紅外通信、激光通信于一體的多手段綜合無線通信系統(tǒng)。并對各通信方式采取了多項改善措施以提升通信效果：一是采用功耗低的2.4 GHz頻段無線通信，以提高無線射頻的抗干擾能力;二是使用大功率紅外發(fā)射管設計了大功率紅外發(fā)射電路，利用反射鏡與凸透鏡凝聚紅外光束，在接收端使用多接收器旋轉陣列的方式多方向采集信號并利用遮光罩屏蔽雜散光線，從而提升紅外通信距離;三是利用視頻標注的方式解決激光通信對準的難題。通過試驗驗證了所設計電路良好的通信效果，達到了設計目標，并為類似的工程項目提供了參考。

當前國際恐怖活動多發(fā)，且以爆炸襲擊居多，因此爆炸物的排除成了一項重要工作內(nèi)容[1]。目前的排爆方式主要有人工排爆和機械排爆兩種。但二者均存在一些缺點：人工排爆對心理素質、操作技術要求高，很難在短時間內(nèi)完成對爆炸物的識別和處理;機械排爆是將爆炸物放入防爆罐后運至安全地帶進行起爆處理，但在運輸途中爆炸物狀態(tài)不穩(wěn)定、易發(fā)生危險。因此，在反爆炸恐怖活動中迫切需要一種安全的現(xiàn)場排爆裝備。對此，本文設計出一種利用水刀進行排爆的遠程遙控機器人。這種排爆機器人可讓排爆人員在安全距離外遠程遙控完成對爆炸物的切除銷毀，使爆炸物在喪失爆炸威力的前提下盡可能保留原貌，以利于后續(xù)工作的開展。但這種設計存在一個問題，就是在排爆現(xiàn)場通常會放置大功率電磁干擾儀或屏蔽器以屏蔽外來信號遙控啟動炸彈，這種干擾也會讓水刀排爆機器人的遠程遙控信號遭受影響。因此本文將水刀排爆機器人的遠程遙控通信設計成一套集無線通信、紅外通信、激光通信于一體的多手段綜合無線通信系統(tǒng)，成功解決了排爆機器人在復雜電磁環(huán)境下的通信問題，最后完成了詳細電路設計以及加工調(diào)試并做出了實物。

1 綜合通信設計

在大磁場干擾環(huán)境下或者煙霧狀態(tài)下，為了保證水刀排爆機器人的拆彈任務順利實施，本文在使用基礎無線遙控通信方式的同時還使用了紅外通信以及激光通信的方式共同配合，實現(xiàn)了多手段綜合無線通信。圖 1即為多手段綜合無線通信系統(tǒng)的原理框圖。

各通信方式的使用模式可以概括如下：在通常模式下控制水刀排爆機器人行走、移動、測試作業(yè)等操作主要依賴無線通信，因為無線通信無需對準控制，操作方便。一旦機器人進入大電磁干擾環(huán)境中，則需要借助于光學通信手段。如果距離近則使用紅外通信，因為紅外通信折射性好，發(fā)射角度大、范圍廣，無需精確對準即可通信。但是如果距離較遠或者現(xiàn)場有煙霧存在，則需使用激光通信，激光通信傳播距離遠，穿透性強，但發(fā)散角小，需要精確對準方可通信。在嵌入式程序中將三者的通信協(xié)議統(tǒng)一起來，使用相同的信號標志位、校驗碼以及加密方式進行綜合編程，實現(xiàn)信號的同步發(fā)射、復合接收。即三者的信號同時發(fā)出，但只要有一路到達接收方即可實現(xiàn)通信，從而使得通信更為寬泛靈活。

1.1 無線通信設計

遠程遙控的無線通信采用抗干擾能力強、功耗低的2.4 GHz頻段進行設計[2]，使用SX1212單芯無線芯片。該芯片工作電壓為2.1 V~3.6 V，發(fā)射功率能達到+12.5 dBm，典型接收電流為2.6 mA，并且該芯片包含了射頻功能和邏輯控制功能，同時集壓控振蕩器、鎖相環(huán)電路、功率放大電路、低噪聲放大電路、調(diào)制解調(diào)電路、變頻器、中放電路等于一體。無線通信芯片與核心處理器之間通過串口進行透傳通信。

雖然該設計具有傳輸距離遠、接收靈敏度高、功耗低、穿透能力與繞射能力都相對較強等諸多優(yōu)點。但是在大磁場干擾環(huán)境下，2.4 GHz波段的電磁波由于波長較短，繞過障礙物的能力和穿透能力就會被大大削弱。2.4 GHz的遙控通信采用跳頻通信技術，雖然能解決多臺設備同時使用時相互干擾的問題，但由于其頻率帶寬通常只有8 MHz，不能解決外部侵入信號的干擾問題，因此需要引入光學通信。

1.2 紅外通信設計

紅外通信雖然不受電磁干擾的影響，但是傳輸距離相對較近[3-5]。因此本文采用了3種措施來改善紅外通信距離：一是增大發(fā)射方的發(fā)射功率，采用950 nm近紅外波段的3 W大功率紅外線發(fā)射管設計了大功率紅外發(fā)射電路;二是在發(fā)射端采用反射聚光與凸透鏡聚光相結合的方式實現(xiàn)光束凝聚發(fā)射;三是在接收端采用遮光罩設計來實現(xiàn)對外界雜散光和太陽光的屏蔽，并將6個接收管使用旋轉陣列的方式接收，從而保證接收端在360°方向都能接收到發(fā)射信號。在試驗中通過這3種措施，成功將紅外遙控的距離從30 m提高到了100 m。

紅外電路設計采用PT2262、PT2272兩款芯片來完成光波發(fā)射與接收的編碼與解碼。這兩款芯片功耗低，使用方便。對高頻電路完成ASK調(diào)制，相當于調(diào)制度為100%的調(diào)幅。

1.3 激光通信設計

激光的頻率相對單純，容易調(diào)制，而且光束散開角小，方向性極好，穿透能力強，是一種理想的遠距離通信手段[6-7]。但是由于激光方向性太強，所以在實施通信操作時需要將發(fā)射端對準接收裝置，否則通信將會中斷。因此為了解決這一問題，本文在手持發(fā)射器的前端放置一個可變焦攝像機，可將圖像顯示在手持發(fā)射器的屏幕上，對激光光束射出以后所在圖像中的位置進行校對，并以十字叉線的方式予以標注，從而有效解決了激光的對準難度大的問題。

2 電路設計及實現(xiàn)

2.1 發(fā)射電路

為了使電路發(fā)射端容易攜帶、手持操作輕便，電池的大小及容量受到了較大限制。因此在發(fā)射電路的實際中盡量使用貼片式、低功耗的芯片，并對電路使用了自動休眠與喚醒的設計。由于發(fā)射電路處理起來相對簡單，所以核心處理器使用單片機即可滿足需求。

圖2為紅外發(fā)射模塊電路，單片機I/O口與PT2262調(diào)制芯片的管腳之間通過P00~P05進行通信。最終信號通過圖中的大功率紅外發(fā)射二極管D3發(fā)送出去。激光發(fā)射模塊基本與紅外模塊相同，調(diào)制芯片也采用了PT2262，只是將發(fā)光二極管改成了650 nm激光發(fā)射管。

圖3為無線發(fā)射模塊電路圖，單片機的讀入讀出串口與無線發(fā)射芯片之間通過RXD和TXD進行連接通信。控制信號最終通過圖3中P1天線發(fā)送出去。

本文在發(fā)射手持終端的單片機上編寫程序時將鍵盤鍵入的命令信號通過3種通信途徑同步送出、同時發(fā)射，從而達到在遭到擾亂時也能正常進行通信的目的，也就是常說的“擾中通”。

2.2 接收電路

接收電路由于放在排爆機器人方，因此空間相對較大，不受空間限制。接收電路分為三部分同時接收，不管哪路信號被接收進來，中央處理器都會立即執(zhí)行，保證了通信的效果。

由于接收端接收信號及需要處理的信息較多、處理速度要求較快、外接設備多，因此使用了性能高、低成本、功耗小的增強型STM32F103系列嵌入式ARM芯片作為接收端的核心處理器。該芯片使用Cortex-M3作為內(nèi)核，時鐘頻率可達72 MHz，能夠較好地完成信號接入、信息處理和動作執(zhí)行等相關操作。

無線信號、紅外信號和激光信號接入進來后分別通過串口(USART1-RX/USART1-TX)以及GPIO口與ARM芯片進行連接。圖4為接紅外接收模塊電路圖。激光通信模塊的電路圖基本與紅外接收模塊一致，只是將6個紅外接收光敏二極管改為了6個激光接收器。而無線接收模塊同樣使用了圖3所示電路模塊進行通信。

接收端的ARM芯片接收到3個通信通道當中的任何一個的命令信號以后，就分別驅動其后續(xù)的2個直流電機、4個步進電機、顯示器、水開關液壓閥、水刀磨砂材料開關等機構進行工作，最終實驗證明運行效果良好。

3 結論

本文針對大功率電磁干擾環(huán)境下以及復雜煙霧條件下的排爆機器人作業(yè)時的通信控制，提出了利用無線通信、紅外通信、激光通信進行綜合無線通信，并對各通信方式采取了多項改善措施以提升通信效果。經(jīng)過在強電磁場干擾環(huán)境中、煙霧環(huán)境中、強光照環(huán)境中多次試驗，該系統(tǒng)都能夠較好地實施通信，具有非常強的抗干擾能力，達到了綜合無線通信規(guī)避外界干擾的設計目的。