網(wǎng)絡(luò)化操作和遠(yuǎn)程控制成為很多企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)鉆研的方向，要實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行管理和控制，就需要與這些設(shè)備進(jìn)行通訊連接，進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)交換，以達(dá)到管理、控制和監(jiān)控的目的。同樣嵌入式領(lǐng)域中，為了達(dá)到遠(yuǎn)程監(jiān)控，也必須基于網(wǎng)絡(luò)。在水下或者惡劣環(huán)境作業(yè)的機(jī)械手，在特定的時(shí)候需要遠(yuǎn)程控制。網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制機(jī)械手進(jìn)行作業(yè)成為了可能。
在遠(yuǎn)程控制中，通信是值得討論的技術(shù)問題。傳統(tǒng)的通信只是局限于脫離網(wǎng)絡(luò)的通信，如兩個 PC 機(jī)之間通信，或者是上位機(jī)為 PC 機(jī)，下位機(jī)為單片機(jī)。在遠(yuǎn)程控制機(jī)械手系統(tǒng)中，采用的是基于 Internet 的遠(yuǎn)程串口通信，遠(yuǎn)程串行通訊是指客戶端與下位機(jī)或通訊對象之間通過串口進(jìn)行的遠(yuǎn)距離通訊，而傳統(tǒng)的遠(yuǎn)程通訊只是它其中的一部分，通過客戶端傳送指令給下位機(jī)至控制部件，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。
1、遠(yuǎn)程串口通訊系統(tǒng)的基本構(gòu)架及實(shí)現(xiàn)
（一）基本構(gòu)架概述
在軟件系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)中，C/S 和 B/S 是當(dāng)今世界開發(fā)模式技術(shù)架構(gòu)的兩大主流技術(shù)。
C/S 模式采用的是兩層體系結(jié)構(gòu)，即客戶端和服務(wù)器，通過該架構(gòu)可以充分利用兩端硬件環(huán)境的優(yōu)勢，將任務(wù)合理分配到 Client 端和 Server 端來實(shí)現(xiàn)，客戶端進(jìn)行顯示界面和事務(wù)處理，服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和應(yīng)答請求處理。在客戶端需要安裝客戶端軟件才能訪問服務(wù)器。不但軟件升級不便，而且也增加了客戶端的負(fù)載和投資成本。
B/S（Browser/Server）結(jié)構(gòu)即瀏覽器和服務(wù)器結(jié)構(gòu)。它是隨著 Internet 技術(shù)的興起，對 C/S 結(jié)構(gòu)的一種變化或者改進(jìn)的結(jié)構(gòu)。在這種結(jié)構(gòu)下，用戶工作界面是通過瀏覽器來實(shí)現(xiàn)，極少部分事務(wù)邏輯在前端（Browser）實(shí)現(xiàn)，但是主要事務(wù)邏輯在服務(wù)器端（Server）實(shí)現(xiàn)， 數(shù)據(jù)處理則由數(shù)據(jù)庫服務(wù)器進(jìn)行，形成所謂三層結(jié)構(gòu)。這樣就大大簡化了客戶端電腦載荷，減輕了系統(tǒng)維護(hù)與升級的成本和工作量，降低了用戶的總體成本，但僅在 B/S 模式下還不能直接實(shí)現(xiàn)與被控對象進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。
基于 B/S 模式實(shí)現(xiàn)與被控對象進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊的遠(yuǎn)程串行通訊采用四層體系結(jié)構(gòu)，增加了一個控制層，瀏覽器端為表示層，WEB 服務(wù)器為功能層，數(shù)據(jù)庫服務(wù)器為數(shù)據(jù)層，控制層為通過 WEB 服務(wù)器傳送指令到控制服務(wù)器，控制服務(wù)器作為上位機(jī)，通過串口控制下位機(jī)，直到控制執(zhí)行部件。這里不僅增加了控制層，而且對功能層和數(shù)據(jù)層也都進(jìn)行了擴(kuò)展。這種體系結(jié)構(gòu)即具有 B/S 模式的優(yōu)良特性，又增加了控制服務(wù)功能，充分利用了現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)資源和工業(yè)現(xiàn)場資源，并且使兩者有機(jī)地結(jié)合在一起，達(dá)到了與被控設(shè)備通過串口進(jìn)行遠(yuǎn)程通訊的目的。表示層、功能層、數(shù)據(jù)層和控制層既有一定的相互聯(lián)系又具有相對獨(dú)立性，各層是通過 Internet 相連接，通過 HTTP 協(xié)議和串口通訊協(xié)議進(jìn)行信息通訊。如圖 1 所示
（二）遠(yuǎn)程串口通訊各部件的功能及實(shí)現(xiàn)
（1）瀏覽器端：用戶通過瀏覽器登陸 web 服務(wù)器，通過輸入用戶名和密碼，和數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)比較驗(yàn)證通過后，成為合法的用戶，然后在相應(yīng)的表單中輸入控制數(shù)據(jù)。按提交按鈕后，數(shù)據(jù)傳送到 web 服務(wù)器。瀏覽器端再作為顯示端，能夠顯示遠(yuǎn)程執(zhí)行部件的反饋位置。
（2）WEB 服務(wù)器：能夠接收瀏覽器端發(fā)送過來的控制數(shù)據(jù)，并處理相應(yīng)的數(shù)據(jù)后，把數(shù)據(jù)發(fā)送給控制服務(wù)器，或者直接作為控制服務(wù)器，通過串口把數(shù)據(jù)發(fā)送給執(zhí)行部件。
（3）數(shù)據(jù)庫服務(wù)器端：存放合法用戶的用戶名和密碼，以進(jìn)行檢驗(yàn)。同時(shí)，在發(fā)送執(zhí)行數(shù)據(jù)時(shí)，如果需要特定的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，也可直接到數(shù)據(jù)庫中獲取。實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理，并把運(yùn)行結(jié)果反饋給 web 服務(wù)器。
（4）控制服務(wù)器：作為直接通過串口發(fā)送命令給執(zhí)行部件的上位機(jī)，或者直接由 web 服務(wù)器本身擔(dān)任。接收 web 服務(wù)器從瀏覽器端接收過來的數(shù)據(jù)。通過串口通訊協(xié)議及握手信號，把數(shù)據(jù)發(fā)送給下位機(jī)。
（5）下位機(jī)：通過串口通訊協(xié)議接收控制服務(wù)器（上位機(jī)）的執(zhí)行數(shù)據(jù)，再通過相應(yīng)的驅(qū)動電路，帶動執(zhí)行部件工作。
（6）執(zhí)行部件：按照傳送過來的指令進(jìn)行工作，并通過傳感器把當(dāng)前執(zhí)行部件的位置和姿態(tài)化作數(shù)據(jù)再通過串口回送到控制服務(wù)器，直至到達(dá)瀏覽器端，使得用戶不在執(zhí)行部件的現(xiàn)場也可以遠(yuǎn)程控制并得到部件執(zhí)行之后的效果
在瀏覽器中，登陸驗(yàn)證后，通過 HTTP 協(xié)議，把數(shù)據(jù)傳送給 web 服務(wù)器，再傳給控制服務(wù)器。控制服務(wù)器作為上位機(jī)，打開串口，通過通訊協(xié)議把數(shù)據(jù)發(fā)送給下位機(jī)。下位機(jī)根據(jù)通訊協(xié)議，收到上位機(jī)發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，并啟動 D/A 轉(zhuǎn)換器，控制執(zhí)行部件。同時(shí)通過傳感器把執(zhí)行部件的姿態(tài)反饋給上位機(jī)。下位機(jī)可以為單片機(jī)、DSP、ARM 等微處理器。
2、遠(yuǎn)程控制作業(yè)機(jī)械手系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)
基于 web 的機(jī)械手的遠(yuǎn)程控制，在高溫、水下等惡劣的工作環(huán)境下，需要遠(yuǎn)程控制機(jī)械手實(shí)行操作。在遠(yuǎn)程通過瀏覽器輸入操縱數(shù)據(jù)，通過網(wǎng)絡(luò)傳送給主控機(jī)，主控機(jī)采用一般的 PC 機(jī)，主控機(jī)通過串口把數(shù)據(jù)發(fā)送給下位機(jī)，該作業(yè)機(jī)械手系統(tǒng)中采用 89C51 單片機(jī)作為直接控制計(jì)算機(jī)。現(xiàn)場通過監(jiān)控設(shè)備把作業(yè)機(jī)械手的姿態(tài)反饋到遠(yuǎn)程控制機(jī)，同時(shí)通過傳感器采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)返回到控制機(jī)。圖 2 為遠(yuǎn)程控制作業(yè)機(jī)械手的系統(tǒng)示意圖。
在瀏覽器端登陸主控機(jī)擔(dān)當(dāng)?shù)姆?wù)器，取得合法身份驗(yàn)證之后，發(fā)送數(shù)據(jù)。主控機(jī)收到信息后，通過串口把數(shù)據(jù)發(fā)給直接控制機(jī) 89C51。
（一） 單片機(jī)系統(tǒng)的硬件組成部分
（1） 以 89C51 為微處理器的為核心，擴(kuò)展 RAM6254、鎖存器、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路等。
（2） 串口通訊電路：主控機(jī)向 89C51 傳送數(shù)據(jù)時(shí)，采用串口通信，常用的串行通信總線接口是美國電氣協(xié)會 EIA 制定的 RS-232C。鑒于單片機(jī)串行口 TXD，RXD 均為 TTL 電平，而 PC 機(jī)配置的是 RS-232C 標(biāo)準(zhǔn)串行接口，在應(yīng)用時(shí)，必須進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。在作業(yè)機(jī)械手控制系統(tǒng)中，采用 MAX232 作為接口轉(zhuǎn)換芯片。
（3） 數(shù)模轉(zhuǎn)換電路：通過串口，主控機(jī)把機(jī)械手的動作指令數(shù)據(jù)發(fā)送給 89C51，89C51 通過總線把數(shù)據(jù)發(fā)送給 D/A 轉(zhuǎn)換電路數(shù)據(jù)端口，在該系統(tǒng)中采用 DA0832 數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片來實(shí)現(xiàn)。
（4） 驅(qū)動電路：機(jī)械手的作業(yè)動力來自液壓系統(tǒng)，采用伺服閥來實(shí)現(xiàn)對機(jī)械手的回路控制，為驅(qū)動伺服閥，設(shè)計(jì)相應(yīng)的驅(qū)動電路
（5） 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路：用角度電位計(jì)和位移傳感器采集機(jī)械手的實(shí)際操作數(shù)據(jù)，傳感器標(biāo)定之后，采集的位移量和角度模擬信號要轉(zhuǎn)換數(shù)字信號傳送給 89C51，再向上發(fā)送，該系統(tǒng)中采用 AD0809 模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片來實(shí)現(xiàn)。
（二） 主控機(jī)與單片機(jī)軟件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)
（1） 主控機(jī)程序
主控機(jī)由 PC 機(jī)擔(dān)任，用 VC++開發(fā)操縱界面，通過串口控件 MSComm 對串口通訊協(xié)議進(jìn)行串口初始化，從后臺數(shù)據(jù)庫 SQLServer 中提出從 WEB 發(fā)送的控制機(jī)械手的數(shù)據(jù)，控制機(jī)械手各個關(guān)節(jié)的執(zhí)行的角度量，同時(shí)等待接收 89C51 回送回來的數(shù)據(jù)。軟件系統(tǒng)的流程圖如圖 3 所示。
（2） 89C51 單片機(jī)主程序
89C51 作為直接控制計(jì)算機(jī)，用 C 語言來編寫主程序，初始化串口，分配內(nèi)存緩沖區(qū)存放接收數(shù)據(jù)，開中斷，等待外部以中斷形式進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。89C51 的主程序流程圖如圖 4 所示。
（3） 89C51 中斷處理子程序
中斷子程序中首先清除中斷標(biāo)志，然后判斷是接收還是發(fā)送引起的中斷，根據(jù)相應(yīng)的中斷源進(jìn)行處理。89C51 中斷處理子程序的流程圖如圖 5 所示。
3、 結(jié)束語
本文作者創(chuàng)新點(diǎn)在于把 89C51 單片機(jī)與機(jī)械手的作業(yè)聯(lián)系起來，通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程通信達(dá)到了遠(yuǎn)程控制機(jī)械手實(shí)驗(yàn)室的實(shí)現(xiàn)，為遠(yuǎn)程控制作業(yè)的研究提供了一個具體的實(shí)例參考，目前該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)上發(fā)送數(shù)據(jù)到主控機(jī)，存儲在數(shù)據(jù)庫中，需要手工在主控機(jī)調(diào)動數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)對機(jī)械手的控制。能夠完全脫離人的介入，直接通過網(wǎng)絡(luò)來控制作業(yè)還在進(jìn)一步的研究中。實(shí)驗(yàn)應(yīng)用和市場證明，在網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)代化的今天和未來，遠(yuǎn)程通信必將出現(xiàn)在未來的人類生活中，有可觀的研究意義和實(shí)用價(jià)值。