0 引 言

LAMOST望远镜是一个镜面由37个高度和角度均不相同的对角线长度为1.1 m的六边形子镜组成的大型拼接望远镜。其中心位置距离地面约10.11 m，且与水平面成约65°夹角[1]。该望远镜工作环境恶劣，镜面需要定期进行维护和清理。但由于该镜面重量过大、造价过高、安装位置不易到达，所以不适合人工拆卸，因此需要专门设计一个用于镜面拆装的机械手。该机械手必须满足兼有大跨度、长距离和小位移以及高精度的工作特点。为此设计了一个多自由度的机械手来完成复杂而精准的动作[2-5]。自由度的增加导致该机械手的驱动电机较多，因此控制该机械手运动所需的控制板也相应增加。此外，该机械手基座位于一个与水平面呈45°夹角的斜坡上，如果采用传统的线缆通信会给现场布线、设备运动和后期的维护增加困难。

Tsai等[16]通过对照确诊AS的4387例心绞痛患者和健康对照组sdLDL-C及LDL-C，调整各种因素后观察8.5年内其发生冠心病的风险概率，结果表明高水平sdLDL-C是血糖正常个体发生冠心病的重要危险因素。

为实现该机械手复杂而精准的运动，完成望远镜拆装的任务，本文将针对该系统中的无线网络通信系统的实现进行研究，并对相关性能进行试验验证。

1 总体设计方案

1.1 机械手系统总体方案设计

该机械手系统由工控机、遥控器、无线网络、控制柜和执行机构5部分组成。工控机部分为操作人员提供监测机械手状态和控制机械手完成任务的操作界面[6]。遥控器部分作为工控机的一个补充，便于操作人员在便于观察的位置对机械手进行控制，无线网络则完成工控机和遥控器与控制柜以及机械手各机构的传感器与控制柜之间的通信。一方面实现工控机和遥控器与控制柜之间的通信，另一方面将机械手的传感器信息发送给工控机。控制柜通过下位机程序控制机械手完成指定动作并将机械手的实时状态反馈给工控机。执行机构在下位机的控制下完成指定动作，实现相应功能。为了防止出现意外情况而对机械手和望远镜造成损伤，该机械手系统还配有一个紧急停车按钮，该按钮通过系统物理断电来实现紧急停车。

系统整体结构如图1所示。

  

图1 机械手系统结构图

该机械手的控制由操作者通过工控机上的操作界面或手持遥控器来完成，为非周期控制。当机械手需要在某个方向上运动时，操作者会通过控制软件设置机械手相应部位的运动参数，然后等待机械手运动完成。

1.2 通信系统总体方案设计

该系统的无线通信系统主要由中心节点、控制板卡节点、传感器节点、工控机节点和遥控器节点组成。

中心节点作为整个网络的协调器，负责网络的创建和维护。控制板卡节点作为相应机构传感器的父节点，负责上下位机的通信和管理传感器节点并与其通信。一方面，控制板卡节点负责将工控机发送过来的指令通过串口发送给控制板卡，实现上位机对机械手运动的控制[7]；另一方面，控制板卡节点负责将控制板卡要发送给上位机的数据发送到工控机，实现上位机对机械手实时状态的监控。此外，控制板卡节点还需要接收来自传感器节点的报警信息，并将其转发给控制板卡进行处理。传感器节点则负责监测各个运动机构的位置是否在安全范围，并及时将报警信息发送给控制板卡节点。工控机节点主要负责将上位机发送过来的命令消息通过网络传输给相应的控制板卡节点，并接受来自控制板卡节点的消息。遥控器节点与工控机节点类似，负责将遥控器的控制信息通过中心节点转发给相应的控制板卡节点，但其不需要接收来自控制板卡节点的信息。其结构如图2所示。

①相同环境温度和测试工况下，由于加强型翅片增加了扰流效果，换热器的油侧标准放热量由31.627 kW增加到34.336 kW，换热功率相应提升了8.57%；

  

图2 无线通信系统结构图

2 系统硬件设计

工控机或遥控器控制机械手运动时，工控机和遥控器发出的消息经过中心节点的路由转发给相应的控制板卡节点。控制板卡接收到命令消息后对消息解析并进行响应。机械手在运动过程中，控制板卡会周期性的将机械手的实时位置信息通过中心节点发送给上位机，以便操作者监测机械手的实时状态；同时机械手的传感器也会检测机械手的位置，并将报警信息发送给其父节点。

近年来，受国家环保、行业政策趋严趋紧，市场不景气等因素影响，包括中阿公司在内的生产厂家都不同程度地遇到了困难。姜友善表示：“撒可富曾像阳光雨露一样帮助过我，在行业整体不景气的今天，我也非常理解厂家的压力和难处。”经过多年的经营布局，忠仁公司已在舒兰及周边地区形成了乡镇、村、大户三级营销网络，实现了服务区域的无死角、全覆盖。在同行减量的今天，姜友善顶住压力，利用完善的网络和高效的执行，做到了稳销甚至增量，为撒可富成功镇守住舒兰这片必争之地。

2.1 ZigBee技术简介

ZigBee是与组网、安全和应用软件有关的技术标准，能在数千个微型传感器之间协调通信，其通信效率非常高。ZigBee常见的拓扑结构有3种，分别为星形拓扑结构、网状拓扑结构和树簇形拓扑结构。

星型网络结构的特点是只能实现协调器和终端节点之间的通信，该种网络结构的优点是结构简单、成本低。

[4] 史敬灼.步进电动机伺服控制技术[M].北京:科学出版社，2006.

树簇状结构成本低，而且覆盖的面积较大，能够实现“多跳”功能，缺点是任何一个节点的信息安全都会影响整个网络，网络的性能较差，不适合动态的环境。

校园足球是推进素质教育、引领学校体育改革创新的重要突破口，校园足球与文化学习在本质上并不冲突而是相互促进的。丰富的校园足球文化应该是体教结合、深化教育领域综合改革、创新教育实践形式的具体体现[7]。

ZigBee网络拓扑结构示意图如图3所示。

  

图3 ZigBee网络拓扑结构示意图

2.2 ZigBee无线网络设计

该通信系统所需的无线网络主要实现以下几个功能：(1)完成将上位机和遥控器的控制指令转发给控制柜；(2)完成将控制柜所获取的机械手运动过程中的实时状态发送给工控机；(3)完成将机械手各个运动机构的传感器信息发送到控制柜。该系统的传感器节点只需与其相关的控制板卡节点进行通信，所以传感器节点作为控制板卡节点的子节点加入网络。控制板卡需要同时与中心节点与传感器节点通信，故其作为路由器加入网络。控制柜和机械手只需要和控制板卡进行通信，故其可以作为终端设备，加入网络即可。综合考虑，本方案采用树簇形网络拓扑结构。

在该网络结构中，中心节点为协调器，该节点的作用是建立网络并配置网络的相关参数，提供给其他设备加入网络，此节点使用全功能设备(FFD)。5个控制板卡所在的网络节点分为一个父节点和若干子节点。一方面，父节点接收工控机和遥控器发送过来的信息，然后交给控制板卡进行信息处理，并将控制板卡的反馈信息发送给工控机；另一方面，父节点还要接收来自机构传感器节点的信息。由于精简功能设备(RFD)只能与FFD设备进行通信，故控制板卡节点只能用FFD。机构传感器节点只与相应的控制板卡进行通信，该节点均采用RFD。工控机和遥控器只与控制板卡节点进行通信，且不需要对消息进行路由，所以这两个节点采用RFD。

该设计中的无线通信系统采用的是基于ZigBee的无线网络通信系统。一般的ZigBee网络由协调器、路由器和终端节点组成。根据该系统的具体情况，此无线网络由作为协调器的中心节点、与其通信的控制板卡节点与工控机节点和遥控器节点以及检测机构运动位置的机构传感器节点组成。

2.3 网络节点设计

该无线网络节点主要由CC2530模块、电源模块、复位电路和外围接口电路组成。CC2530模块作为网络节点的核心，主要负责网络的建立和维护；其次，该模块负责将通过串口或传感器接口接收到的数据发送到目的节点，或者将从网络接收到的数据通过RS232串口发送给工控机或控制板卡；除了必要的供电电路和用于下载程序和调试的JTAG接口外，网络节点还有防止程序跑飞的复位电路。

本课程在开发过程中，在焊接技术与自动化专业“基于工作过程系统化”的人才培养方案基础上，根据焊接技术及自动化专业典型工作岗位（焊工、技术员）、典型工作任务、工作过程、职业行动能力分析，设定本课程的培养目标。在教学内容的设计上以企业生产的真实产品作为载体，并辅以先进的教学方法——行动导向教学法，培养学生的实践能力，使学生能尽快地适应职业岗位的要求。采用行动导向教学法中的头脑风暴法、项目教学法、虚拟企业（车间）、任务驱动教学法相结合组织教学， 体现 “以学生为主”、“理实一体”、“学中做、做中学”的理念，结合专业课程的工学结合，使学生获得与企业焊工岗位要求相一致的职业能力。

网络节点整体结构如图4所示。

  

图4 网络节点结构图

上、下位机之间的通信是以数据包的形式进行的，比较可靠的数据协议通常由以下几部分组成：包头、地址信息、数据长度、数据类型、数据块、校验码和包尾。本系统中针对上位机命令数据和下位机反馈数据设计了两种不同的数据格式。其各部分定义如表(1，2)所示。

在全球化条件下，要素和商品在国际间的流动，使得一个国家或地区不仅会通过要素价格改变促成产业结构演变升级；而且还会通过将产业转移至劳动力更低的国家和地区，完成本地产业结构升级。在全球价值链分工条件下，产业分工和转移往往表现为价值链环节和工序的分工、转移。因此，随着劳动力成本上升，一国或地区会逐渐将劳动密集型生产环节和工序转移出去，促进自身产业结构从劳动密集型产业为主导向以资本技术密集型产业为主导的产业结构演变升级。基于以上分析，可以得到本文的核心假说：

为了满足传感器和芯片的不同供电方案，该设计采用24 V直流供电，然后通过电压转换芯片SPX1117-3.3获得芯片所需的3.3 V电压。该网络节点采用了SP706SEN看门狗芯片来实现独立于单片机的复位电路。该设计中采用美信公司的MAX232芯片来实现串口通信所需的电平转换。该方案中采用了东芝公司(Toshiba)的TLP521-4光电耦合器件，实现不同供电系统的信号传递。

3 系统软件设计

3.1 协调器程序设计

协调器首先上电初始化，通过对指定信道或默认信道进行能量检测，以探测可能存在的网络或干扰；然后在已存在网络最少切干扰最低的信道建立网络；成功建立网络之后进入监听模式，接受节点加入网络或进行消息路由。其程序流程如图5所示。

  

图5 协调器程序流程图

3.2 控制板卡节点程序设计

控制板卡节点作为传感器节点的父节点，不仅需要自己加入网络，还需要允许其子节点通过它加入网络。该节点负责处理其子节点的入网请求并对其子节点进行管理。控制板卡节点不仅需要与协调器通信，接受来自协调器的信息并将控制板卡要发送的信息通过协调器转发到上位机，而且控制板卡节点还要接收其子节点的报警信息。故其程序流程为上电初始化系统加入网络，然后进入监听模式。在监听模式中，控制板卡节点会处理子节点加入网络的请求、接收和发送数据。其程序流程如图6所示。

  

图6 控制板卡节点程序流程图

3.3 传感器节点程序设计

传感器节点主要负责检测各运动机构的运动位置是否超出安全范围，并将报警信号发送给对应的控制板卡节点。每个ZigBee终端传感器拥有唯一的通信地址，根据此地址来判断是哪个机构的位置状态。当传感器接口接收到异常信息时将发送报警信号给控制板卡节点。传感器节点程序流程如图7所示。

  

图7 机构传感器节点程序流程图

3.4 通信方案设计

上下位机通信是一个主从通信的过程，通信由上位机发起，下位机接收到上位机的命令之后被动的进行回应。下位机接收到上位机的命令之后，根据通信协议对命令进行解析，然后做出响应。当上位机命令为状态查询指令时，下位机会将相应的状态进行一次反馈，如果上位机在规定时间内没有接收到下位机反馈的状态信息则会收到提示，由操作者决定是否让下位机重发。当上位机命令为运动控制指令时，下位机会以1 Hz的频率向上位机反馈当前运动机构的实时位置，以便操作者观察机构状态。其稳定回传的数据量为几十字节。

由于上位机命令的优先级高于下位机反馈的消息，要保证该方向上消息的传递在限定的时延内，故对时延有一定的要求。由工控机和手持遥控器发向下位机的消息是在超帧时期的非竞争接入时期采用时分多址接入方式发送，而下位机向上位机反馈的消息对时延要求不高，则在超帧时期的竞争接入时期来发送。

CC2530模块结合了德州仪器的ZigBee协议栈(Z-StackTM)，具有自组网功能，在单个芯片上整合了ZigBee射频(RF)前端、内存和微控制器，微控制器使用1个8位增强型MCU，具有32/64/128/256 KB可编程闪存和8 KB的RAM。该芯片具有完全集成的压控振荡器，只需要天线、16 MHz晶振等非常少的外围电路就能在2.4 GHz频段上工作，完全可以满足IEEE802.15.4标准和ZigBee技术标准的无线网络技术设计开发需要[11]。

 

表1 上位机命令数据包

  

位数12345678-1112-151617定义包头包长度接收地址命令码电机号方向细分圈数频率校验包尾

 

表2 下位机反馈数据包

  

位数1234567-89-12131415定义包头包长度接收地址命令码板卡号电机号传感器信息反馈信息看门狗次数校验包尾

4 系统测试与工程实现

4.1 系统测试

课堂教学作为师生活动的中心环节和基本组织形式，是学生获取知识、锻炼能力和提高各种技能的主要途径。那么，如何构建优质高效的课堂是每位数学教师应该思考、探索的主要课题。学生不再是消极、被动的知识接受者与程序化的机器，而应是主动、积极的知识探索者，是课堂的主人。在新课标理念下，必须突出学生的主体地位，把课堂的时间、空间、学习过程都还给学生，课堂教学不能再“涛声依旧”，教师应是课堂的组织者、引领者、参与者。评价一堂数学课是否高效，就要看能否充分调动学生的学习积极性、主动性，激发学生学习的认知需求，培养学生的创新精神和实践能力，促进学生各种能力的提高和发展。

世界一流军队，就是与富强民主文明和谐美丽的社会主义现代化强国的地位相称；与维护国家主权、安全、统一和发展利益相适应；以战斗力为核心指标的全面建设，在世界各国军队中走在前列、处于第一方阵，具备与世界最强对手抗衡过招、打赢制胜的能力。这样的战略安排，使我国国防和军队现代化的建设标准提高了，任务艰巨了。但前景更加美好，未来更加振奋人心、催人奋进。

远距离通信测试中，在无任何遮挡且通信成功率达99%时的远距离通信的范围为80 m。上位机节点到下位机节点的通信时延不到0.5 s。加上中间节点之后，在150 m以内的通信成功率可达99%。测试结果如图8所示。

4.2 工程实现

原来的有线通信系统控制方式有几个突出问题：(1)由于线缆过多导致机械手运动不灵活；(2)经常性拖拽线缆使得线缆连接出现松动甚至脱落；(3)由于工作环境恶劣，长期工作于零下十几度的环境导致线缆变脆，出现机械手瘫痪；(4)由于结构复杂而导致现场布线过多，当出现问题时排查和维护难度大。

我在给四年级学生上《风向和风速》一课时，让学生担任“教师”的角色，让学生说关于风的谜语，再由学生自己回答，让学生介绍八大方位图和风速歌，自己写板书，鼓励学生发挥各自的聪明才智动手制作风向标和风旗。有的学生不善于表达，有的学生不敢展示自己的风向标等等。我大胆的锻炼学生的能力，对学生不断的鼓励，积极的赞扬，此时，在这个时候，我指出学生出现的问题，学生会从心理改正错误，激励自己进步。

经过现场安装调试，该通信方案在保证机械手正常运动的前提下通信稳定、成功率高达99.99%。在工作人员的协同操作下，该机器人可以很好的完成LAMOST望远镜子镜的拆装工作。整套系统完成一块子镜的安装或拆卸过程大约需要2 h。基本达到了拼接望远镜在整个维护周期内镜面均在只缺少一面子镜的情况下正常工作的理论装卸速度。与之前的拆装方法相比，本系统很好地完成了子镜拆装的任务。

  

(a)发送节点串口助手截图

  

(b)接收节点串口助手截图

 

图8 通信测试结果

5 结束语

本文对ZigBee无线通信方案在多自由度机械手控制系统中的应用进行了研究，设计了一个基于该技术的用于多自由度机械手控制的无线通信系统，解决了由于空间狭小、位置特殊而带来的布线困难等问题，提高了机械手控制的灵活度，降低了该机械手后期维护和升级的成本和难度。

参考文献(References):

网状结构具有自组织、自愈功能，而且适应环境能力强，具有较强的系统可靠性和网络的健壮性，缺点是路由模式不固定，瞬时网络的连接质量决定了网络传输的时间，网络更加复杂，功能也相应的增加[8-10]。

[1] 褚耀泉. LAMOST科学观测计划[J].中国科学技术大学学报，2007，37(6)：591-595.

[2] 王 坤.基于机器视觉的大型拼接望远镜子镜装卸控制系统的研究与实现[D].南京：南京航空航天大学机电学院，2013.

[3] 张利平.液压传动设计指南[M].北京：化学工业出版社，2009.

笔者在实验室模拟系统结构搭建了一个相同的无线通信系统，使用电脑端的串口助手通过RS232串向节点发送数据，将目的节点与另一电脑串口相连，将接收到的数据在串口中显示。

例如，教师在教授“投掷实心球”时，就可以为学生创设生活化的教学情境。如组建一个投沙包的游戏活动，让学生积极参与，将教学比赛用投沙包替换成实心球，这样不仅能够激发学生学习兴趣，还能让学生在团体游戏中培养投掷的基本能力。

[5] 熊立贵，皮阳雪，陈海生.多自由度工业机械手的开发与研究[J].机电工程技术，2016，45(1)：24-28.

[6] 孙 鑫，余安萍.VC++深入详解[M].北京：电子工业出版社，2006.

[7] 张筠莉，刘书智. Visual C++实践与提高——串口通信与工程应用篇[M].北京：中国铁道出版社，2006

[8] 钟永峰，刘永俊. ZigBee无线传感器网络[M].北京：北京邮电大学出版社，2011.

SATB1、Wnt1、β-catenin、Vimentin、Snail在对照组肝组织中显著表达(P<0.05)，在实验组和预防组中表达降低；E-cadherin在对照组肝组织中表达降低，而在实验组和预防组表达升高。各抗体的表达抑制率具体结果见表2。各组经统计学检验(P<0.05)，差异具有统计学意义。

[9] FARAHANI S. ZigBee无线网络与收发器[M].沈建华，王维华，阔鑫译.北京：北京航空航天大学出版社，2013.

引导学生做好课前的准备工作是提高课堂效率的前提和条件。有多种方法可以引导学生做好课前的准备工作，比如，充分发挥课代表的作用，让课代表领读某一单元的导言、或某一课的基本线索、或核心内容。一方面，可以督促学生做好物质的、思想上的上课准备；另一方面，也可以引导学生及时进入学习的状态，为点燃学生历史思维的火花创造条件。

[10] 金 纯，罗祖秋，罗 凤，等. ZigBee技术基础及案例分析[M].北京：国防工业出版社，2008.

[11] Texas Instruments Incorporated. A true system-on-chip solution for 2.4-GHz IEEE 802.15.4 and ZigBee applications[M]. Texas: Texas Instruments Incorporated，2011.