强电磁干扰下远距离综合无线通信设计

针对大功率电磁干扰环境下以及复杂烟雾条件下的排爆机器人作业时的通信控制问题，提出了一套集无线通信、红外通信、激光通信于一体的多手段综合无线通信系统。并对各通信方式采取了多项改善措施以提升通信效果：一是采用功耗低的2.4 GHz频段无线通信，以提高无线射频的抗干扰能力；二是使用大功率红外发射管设计了大功率红外发射电路，利用反射镜与凸透镜凝聚红外光束，在接收端使用多接收器旋转阵列的方式多方向采集信号并利用遮光罩屏蔽杂散光线，从而提升红外通信距离；三是利用视频标注的方式解决激光通信对准的难题。通过试验验证了所设计电路良好的通信效果，达到了设计目标，并为类似的工程项目提供了参考。

当前国际恐怖活动多发，且以爆炸袭击居多，因此爆炸物的排除成了一项重要工作内容[1]。目前的排爆方式主要有人工排爆和机械排爆两种。但二者均存在一些缺点：人工排爆对心理素质、操作技术要求高，很难在短时间内完成对爆炸物的识别和处理；机械排爆是将爆炸物放入防爆罐后运至安全地带进行起爆处理，但在运输途中爆炸物状态不稳定、易发生危险。因此，在反爆炸恐怖活动中迫切需要一种安全的现场排爆装备。对此，本文设计出一种利用水刀进行排爆的远程遥控机器人。这种排爆机器人可让排爆人员在安全距离外远程遥控完成对爆炸物的切除销毁，使爆炸物在丧失爆炸威力的前提下尽可能保留原貌，以利于后续工作的开展。但这种设计存在一个问题，就是在排爆现场通常会放置大功率电磁干扰仪或屏蔽器以屏蔽外来信号遥控启动炸弹，这种干扰也会让水刀排爆机器人的远程遥控信号遭受影响。因此本文将水刀排爆机器人的远程遥控通信设计成一套集无线通信、红外通信、激光通信于一体的多手段综合无线通信系统，成功解决了排爆机器人在复杂电磁环境下的通信问题，最后完成了详细电路设计以及加工调试并做出了实物。

1、综合通信设计

在大磁场干扰环境下或者烟雾状态下，为了保证水刀排爆机器人的拆弹任务顺利实施，本文在使用基础无线遥控通信方式的同时还使用了红外通信以及激光通信的方式共同配合，实现了多手段综合无线通信。图1即为多手段综合无线通信系统的原理框图。

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机器人行走、移动、测试作业等操作主要依赖无线通信，因为无线通信无需对准控制，操作方便。一旦机器人进入大电磁干扰环境中，则需要借助于光学通信手段。如果距离近则使用红外通信，因为红外通信折射性好，发射角度大、范围广，无需精确对准即可通信。但是如果距离较远或者现场有烟雾存在，则需使用激光通信，激光通信传播距离远，穿透性强，但发散角小，需要精确对准方可通信。在嵌入式程序中将三者的通信协议统一起来，使用相同的信号标志位、校验码以及加密方式进行综合编程，实现信号的同步发射、复合接收。即三者的信号同时发出，但只要有一路到达接收方即可实现通信，从而使得通信更为宽泛灵活。

1.1、无线通信设计

远程遥控的无线通信采用抗干扰能力强、功耗低的2.4 GHz频段进行设计[2]，使用SX1212单芯无线芯片。该芯片工作电压为2.1 V~3.6 V，发射功率能达到+12.5 dBm，典型接收电流为2.6 mA，并且该芯片包含了射频功能和逻辑控制功能，同时集压控振荡器、锁相环电路、功率放大电路、低噪声放大电路、调制解调电路、变频器、中放电路等于一体。无线通信芯片与核心处理器之间通过串口进行透传通信。

虽然该设计具有传输距离远、接收灵敏度高、功耗低、穿透能力与绕射能力都相对较强等诸多优点。但是在大磁场干扰环境下，2.4 GHz波段的电磁波由于波长较短，绕过障碍物的能力和穿透能力就会被大大削弱。2.4 GHz的遥控通信采用跳频通信技术，虽然能解决多台设备同时使用时相互干扰的问题，但由于其频率带宽通常只有8 MHz，不能解决外部侵入信号的干扰问题，因此需要引入光学通信。

1.2、红外通信设计

红外通信虽然不受电磁干扰的影响，但是传输距离相对较近[3-5]。因此本文采用了3种措施来改善红外通信距离：一是增大发射方的发射功率，采用950 nm近红外波段的3 W大功率红外线发射管设计了大功率红外发射电路；二是在发射端采用反射聚光与凸透镜聚光相结合的方式实现光束凝聚发射；三是在接收端采用遮光罩设计来实现对外界杂散光和太阳光的屏蔽，并将6个接收管使用旋转阵列的方式接收，从而保证接收端在360°方向都能接收到发射信号。在试验中通过这3种措施，成功将红外遥控的距离从30 m提高到了100 m。

红外电路设计采用PT2262、PT2272两款芯片来完成光波发射与接收的编码与解码。这两款芯片功耗低，使用方便。对高频电路完成ASK调制，相当于调制度为100％的调幅。

1.3、激光通信设计

激光的频率相对单纯，容易调制，而且光束散开角小，方向性极好，穿透能力强，是一种理想的远距离通信手段[6-7]。但是由于激光方向性太强，所以在实施通信操作时需要将发射端对准接收装置，否则通信将会中断。因此为了解决这一问题，本文在手持发射器的前端放置一个可变焦摄像机，可将图像显示在手持发射器的屏幕上，对激光光束射出以后所在图像中的位置进行校对，并以十字叉线的方式予以标注，从而有效解决了激光的对准难度大的问题。

2、电路设计及实现

2.1、发射电路

为了使电路发射端容易携带、手持操作轻便，电池的大小及容量受到了较大限制。因此在发射电路的实际中尽量使用贴片式、低功耗的芯片，并对电路使用了自动休眠与唤醒的设计。由于发射电路处理起来相对简单，所以核心处理器使用单片机即可满足需求。

图2为红外发射模块电路，单片机I/O口与PT2262调制芯片的管脚之间通过P00~P05进行通信。最终信号通过图中的大功率红外发射二极管D3发送出去。激光发射模块基本与红外模块相同，调制芯片也采用了PT2262，只是将发光二极管改成了650 nm激光发射管。

图3为无线发射模块电路图，单片机的读入读出串口与无线发射芯片之间通过RXD和TXD进行连接通信。控制信号最终通过图3中P1天线发送出去。

本文在发射手持终端的单片机上编写程序时将键盘键入的命令信号通过3种通信途径同步送出、同时发射，从而达到在遭到扰乱时也能正常进行通信的目的，也就是常说的“扰中通”。

2.2、接收电路

接收电路由于放在排爆机器人方，因此空间相对较大，不受空间限制。接收电路分为三部分同时接收，不管哪路信号被接收进来，中央处理器都会立即执行，保证了通信的效果。

由于接收端接收信号及需要处理的信息较多、处理速度要求较快、外接设备多，因此使用了性能高、低成本、功耗小的增强型STM32F103系列嵌入式ARM芯片作为接收端的核心处理器。该芯片使用Cortex-M3作为内核，时钟频率可达72 MHz，能够较好地完成信号接入、信息处理和动作执行等相关操作。

无线信号、红外信号和激光信号接入进来后分别通过串口（USART1-RX/USART1-TX）以及GPIO口与ARM芯片进行连接。图4为接红外接收模块电路图。激光通信模块的电路图基本与红外接收模块一致，只是将6个红外接收光敏二极管改为了6个激光接收器。而无线接收模块同样使用了图3所示电路模块进行通信。

接收端的ARM芯片接收到3个通信通道当中的任何一个的命令信号以后，就分别驱动其后续的2个直流电机、4个步进电机、显示器、水开关液压阀、水刀磨砂材料开关等机构进行工作，最终实验证明运行效果良好。

3、结论

本文针对大功率电磁干扰环境下以及复杂烟雾条件下的排爆机器人作业时的通信控制，提出了利用无线通信、红外通信、激光通信进行综合无线通信，并对各通信方式采取了多项改善措施以提升通信效果。经过在强电磁场干扰环境中、烟雾环境中、强光照环境中多次试验，该系统都能够较好地实施通信，具有非常强的抗干扰能力，达到了综合无线通信规避外界干扰的设计目的。