一种蛇形机器人内部狭小空间微型通讯网关

1.本发明涉及网络通讯领域，尤其涉及一种蛇形机器人内部狭小空间内微型通讯网关领域。


背景技术：

2.管网运输是自来水、天然气等最基本的运输方式，每个城市的地下都布满四通八达的管道。但是随着使用时长的增加，管道会出现腐蚀破损、泄漏的情况，造成资源浪费，因此需要及时对管道进行主动检修，对管道的漏损情况进行提前诊断。由于管道埋于地下、穿越公路楼房，且管道内部空间狭小，常规仪器和检测手段难已完成主动检修，管道机器人应运而生。
3.管道机器人采用蛇形结构，具有视觉舱、控制舱、综合舱、驱动舱，各舱体之间采用串行软连接，以便于在狭长空间进行探测。机器人不仅需要采集管道内部多个环境参数，如温度、压力、流速、磁场强度、机器人姿态，而且需要采集管道内部的视频图像、声音，并将这些数据实时传送至云服务器进行分析、计算。要实现蛇形管道机器人这些功能，相应的对机器人内部的控制线路也提出了较高的要求，主要表现在：蛇形机器人采用多cpu结构；各舱位控制线路采用串行结构，要求通讯方式灵活、快速；能传输视频图像，要求通讯具有较高的带宽；具备rs485、rs232、以太网、光纤通讯多种通信接口，方便各舱体间信息的交互通讯；网络通讯电路板尺寸要求不大于40mm
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50mm。
4.综上，本实用新型设计了一种蛇形机器人内部狭小空间微型通讯网关，不仅能够实现多种异构网络交互通讯，而且能将内部所有数据、音视频通过一根单模单纤传输到数据平台，有效解决在空间受限的狭小空间内各舱体之间的网络通讯、协议转换、信息集成传输问题。


技术实现要素：

5.本实用新型设计了一种蛇形机器人内部狭小空间微型通讯网关，主要包括：arm嵌入式处理器、电源、eeprom存储器电路、以太网控制器电路、网络交换机电路、以太网电口、以太网单模单纤光口、rs232串口通讯电路、rs485串口通讯电路。电源分别与arm嵌入式处理器、以太网控制器电路和网络交换机电路连接；所述的arm嵌入式处理器与以太网控制器电路进行交互连接，以太网控制器电路与网络交换机电路行交互连接；所述的arm嵌入式处理器与eeprom存储器电路、rs232串口通讯电路和rs485串口通讯电路进行交互连接；网络交换机电路分别与rj45网口1、rj45网口2、单模单纤光口进行交互连接。
6.所述的电源实现dc-dc电源变换，将外部输入的直流24v电压变换成直流3.3v，为arm嵌入式处理器和各通讯接口电路提供所需要的电源。
7.所述的arm嵌入式处理器是网关数据分析、处理、计算和协议转换单元，一方面通过spi总线扩展以太网通讯接口，通过i2c总线扩展了eeprom，通过异步串口usart扩展了rs232和rs485通讯接口，另一方通过程序代码，实现异构网络接口的通讯协议转换。
8.所述的以太网控制器电路实现arm嵌入式处理器以太网接口扩展，一方面通过spi总线和处理器连接，另一方面和网络交换机电路连接，实现多个网络接口和光纤接口扩展。同时该部分电路采用全硬件tcp/ip协议栈，具有10/100mbps以太网网络层和物理层，支持tcp、udp、ipv4、icmp、arp、igmp和pppoe协议，使用32kb缓存作为网络通讯数据内存，支持8个独立端口同时运行。
9.所述的网络交换机电路采用5口交换机芯片作为核心器件，其中：1个tx网口和以太网控制器相连接，1个fx网口作为以太网光口，用于连接外部网络设备，2个tx网口作为以太网电口，用于连接机器人视觉舱的网络摄像头和其它网络模块。
10.所述的eeprom存储器电路通过i2c总线和处理器连接，实现非易失性数据存储，用来保存网络参数、端口地址和系统设置参数。
11.所述的rs232串口通讯电路通过异步通讯接口usart和处理器连接，实现处理器和机器人驱动舱的电路模块连接。
12.所述的rs485串口通讯电路通过异步通讯接口usart和处理器连接，实现处理器和机器人控制舱的电路模块连接。
13.与现有技术相比较，本实用新型具有以下技术优势：
14.将rs232、rs485串行通讯和以太网通讯集成在一个模块上，可实现串行通讯数据和以太网数据双向透明传输。
15.模块集成了以太网光纤接口，模块上的任一通讯接口数据可通过光纤进行远距离传输，最远传输距离可达80km。
16.光纤接口采用单模单纤，减少光纤传输成本，方便工程布线。
17.模块尺寸仅40mm
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50mm，特别适用于狭小空间场景。
18.综上，本实用新型设计的一种蛇形机器人内部狭小空间微型通讯网关，不仅能够实现多种异构网络交互通讯，而且能将内部所有数据、音视频通过一根单模单纤传输到数据平台，有效解决在空间受限的狭小空间内各舱体之间的网络通讯、协议转换、信息集成传输问题。
19.需要特别说明的是，本实用新型的技术改进点为蛇形机器人内部狭小空间微型通讯网关，主要针对的是蛇形机器人进行的通讯控制系统，上述技术描述中为了凸显技术结构和功能，对各个通讯协议以及相应程序进行了描述，但并不表示本实用新型的技术方案主体需要依照程序或者协议进行，具体的技术架构以及通讯结构在下述具体实施方式进行详述。上述技术特征的描述涉及的产品型号可以在市场上购买得到，程序及通讯协议为系统自带，本实用新型依托的仅是产品结构。
附图说明
20.图1为蛇形管道机器人结构图。图1中，1为视觉舱，2位控制舱，本实用新型通讯网关安装在控制舱壳体内。
21.图2为本实用新型通讯网关接口图。
22.图3为本实用新型通讯网关结构组成框图。
23.图4为本实用新型电源电路图。
24.图5为本实用新型arm嵌入式处理器核心电路图。
25.图6为本实用新型以太网控制器电路图。
26.图7为本实用新型5口交换机电路图。
27.图8为本实用新型eeprom存储器电路图。
28.图9为本实用新型rs232串口通讯电路图。
29.图10为本实用新型rs485串口通讯电路图。
具体实施方式
30.参照附图，本实用新型提出的一种蛇形管道机器人内部狭小空间微型通讯网关。图1为蛇形管道机器人结构图，通讯网关安装在图1中的控制舱2的壳体内；图2为通讯网关接口图，包括2个10/100m自适应tx以太网电口，1个10/100m自适应fx以太网光口，1个rs232全双工串口，1个rs485半双工串口。图3为本实用新型通讯网关结构组成框图，包括：arm嵌入式处理器、电源、eeprom存储器电路、以太网控制器、网络交换机电路、以太网电口、以太网单模单纤光口，rs232串口通讯电路、rs485串口通讯电路。
31.本实施方案中，图4为电源电路图，采用mp1584en电源管理芯片，将外部输入的直流24v电压变换成直流3.3v，为处理器和各通讯接口电路提供所需要的电源。
32.本实施方案中，arm嵌入式处理器采用stm32f103rct6，是网关数据分析、处理、计算和协议转换单元，图5为处理器核心电路图，通过引脚p33、p34、p35、p36、p37、p38和以太网控制器芯片相连接，p33为芯片的片选信号，低电平有效，p34为处理器spi2的时钟信号，p35为处理器spi2的数据输入引脚，p36为处理器spi2的数据输出引脚，通过spi2这4个引脚就可以实现和以太网控制器的数据通讯；p37为中断信号，低电平有效，以太网控制器收到数据后产生该中断信号；p38为以太网控制器的复位信号，在软件设计中用于主动复位以太网控制器芯片。通过引脚p58、p59、p8和eeprom存储器fm24cl04相连接，引脚p58是i2c接口的时钟线，引脚p59是i2c接口的数据线，处理器通过i2c接口实现和fm24cl04的数据读写，引脚p8用作eeprom的写保护，该引脚输出低电平，fm24cl04允许写入数据，输出高电平则禁止写入数据。处理器通过usart4实现rs232通讯接口，引脚p51为异步通讯接口的数据发送端，引脚p52为数据接收端。处理器通过usart1实现rs485通讯接口，引脚p42为异步通讯接口的数据发送端，引脚p43为数据接收端，引脚p41为rs485通讯的数据接收/发送使能端，该引脚为高电平时，允许发送数据，低电平时允许接收数据。
33.本实施方案中，以太网控器电路采用嵌入式集成芯片w5500设计，和arm嵌入式处理器之间采用spi进行接口，图6为w5500接口电路原理图。w5500的引脚p32、p33、p34、p35、p36、p37分别和arm处理器的p33、p34、p35、p36、p37、p38引脚相连接。w5500的p1和p2为网络数据发送引脚的负端和正端，分别和交换机电路中ip175gh的p45和p44引脚相连接，w5500的p5和p6为网络数据接收引脚的负端和正端，和ip175gh的p47和p46引脚相连接。w5500电路采用全硬件tcp/ip协议栈，具有10/100mbps以太网网络层和物理层，支持tcp、udp、ipv4、icmp、arp、igmp和pppoe协议，使用32kb缓存作为网络通讯数据内存，支持8个独立端口同时运行。
34.本实施方案中，图7为5口交换机电路原理图，主芯片选用ip175gh。p44、p45为以太网口0数据接收引脚的正端和负端，和以太网控制器的w5500的p2、p1引脚连接；p46、p47为以太网口0数据发送引脚的正端和负端。ip175gh的p19、p20为以太网光纤接口数据发送引
脚的负端和正端，直接和1*9光模块的发送端口连接，p21、p22为以太网光纤接口数据接收引脚的负端和正端，和1*9光模块的接收端口相连接。ip175gh的引脚1～4为交换机以太网口1的数据发送端和数据接收端，连接到网络变压器，经过网络变压器信号隔离后，得到tx网口1；ip175gh的引脚8～11为交换机以太网口2的数据接收端和数据发送端，连接到网络变压器，经过网络变压器信号隔离后，得到tx网口2。
35.本实施方案中，eeprom存储器采用fm24cl04，和处理器之间采用i2c接口连接，电路原理图见图8；fm24cl04的数据线sda和微处理器stm32f103rct6的p59引脚连接，时钟线scl和微处理器的p58引脚连接；写保护线wp和处理器的p8引脚连接。
36.fm24cl04wei用来保存网络参数、端口地址和系统设置参数。
37.本实施方案中，图9为rs232串行接口电路图，采用sp3232ecy-l作为rs232的驱动器，引脚t1in和处理器usart4的数据发送引脚usart4_tx连接，p12引脚r1out和处理器usart4的数据接收脚usart4_rx连接。通过rs232接口，实现处理器和驱动舱的电路模块通讯。
38.本实施方案中，图10为rs485串行接口电路图，采用sp3485en-l作为rs485的驱动器，p1引脚ro和处理器usart1的数据接收引脚usart1_rx连接；p4引脚di和处理器usart1的数据发送引脚usart1_tx连接，引脚p2和p3为rs485的数据发送/接收使能控制端，为输入引脚，和处理器的引脚41连接，低电平时，数据接收使能，允许接收数据，高电平时，数据发送使能，允许发送数据，处理器通过控制该引脚状态来实现数据接收和数据发送。通过rs485接口，实现处理器和机器人控制舱的电路模块通讯。
39.以上所述，仅为本发明专利的具体实施方式，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其构思加以等同替换或改变，都应该涵盖在本发明的保护范围之内。