白金朋 牛棟鑫 張婧睿 于可

摘要：論述了基于e家庭的多功能機(jī)器人的設(shè)計(jì)與方案，多功能機(jī)器人以掃地吸塵為主要功能，家庭巡檢，空氣加濕，煤氣報(bào)警，火災(zāi)報(bào)警等為輔助功能。通過(guò)設(shè)計(jì)多種方案并對(duì)比，采用Arduino Mega2560作為主控開(kāi)發(fā)板，與超聲波，esp8266等傳感器相連，實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)內(nèi)通過(guò)手機(jī)軟件控制機(jī)器人的功能。

Abstract： This article discusses the design and scheme of multi-function robot based on the e-house. The main functions of the multi-function robot are sweeping and vacuuming， and it has other auxiliary functions like： inspection， air humidifaction， gas alarm and fire alarm. Comparing a variety of project designs， Arduino Maga2560 is adopted ?as the main control boardwhich connected with ultrasonic wave，esp8266 and other sensors to implement control functions of the robot based on WLAN by phones.

關(guān)鍵詞：多功能機(jī)器人;開(kāi)發(fā)板;傳感器;家庭局域網(wǎng);移動(dòng)服務(wù)端

Key words： multi-function robot;development board;sensor;home LAN;mobile server

中圖分類號(hào)：TP242.6 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1006-4311（2019）14-0140-04

0 ?引言

設(shè)計(jì)基于e家庭的多功能機(jī)器人的目的是實(shí)現(xiàn)多功能一體化家居機(jī)器人的同時(shí)，方便用戶對(duì)其控制。Arduino開(kāi)發(fā)板的編程簡(jiǎn)單直觀，可開(kāi)發(fā)性強(qiáng)，信號(hào)控制穩(wěn)定等特點(diǎn)在多功能機(jī)器人中得到了充分的體現(xiàn)。機(jī)器人基于多種傳感模塊實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)避障及多功能服務(wù)等基本用途，同時(shí)基于esp8266模塊與家庭wifi局域網(wǎng)連接，實(shí)現(xiàn)近百米內(nèi)移動(dòng)服務(wù)端控制，服務(wù)端平臺(tái)采用Android Studio開(kāi)發(fā)，安卓系統(tǒng)用戶可于服務(wù)端通過(guò)服務(wù)端號(hào)與機(jī)器人網(wǎng)絡(luò)連接，對(duì)機(jī)器人全部功能實(shí)現(xiàn)控制。設(shè)計(jì)中難點(diǎn)在于如何編寫簡(jiǎn)潔實(shí)用的服務(wù)端平臺(tái)，如何使機(jī)器人實(shí)現(xiàn)自動(dòng)全方位清掃，還有機(jī)器人主體結(jié)構(gòu)，材料，外觀等細(xì)節(jié)的方案選擇等。

1 ?主控芯片及主要結(jié)構(gòu)分析

選擇智能家居機(jī)器人時(shí)，大部分消費(fèi)者更偏重的是以更低廉的價(jià)格買到功能相似的產(chǎn)品，而此項(xiàng)目的目的也是在創(chuàng)造機(jī)器人的同時(shí)使其商業(yè)化，所以在選擇材料上也是進(jìn)行了優(yōu)勝劣汰，尤其是機(jī)器人芯片的選擇。在方案一中，我們選擇了Arduino UNO開(kāi)發(fā)板，方案二中選擇了STM32開(kāi)發(fā)板，并通過(guò)以下三個(gè)方面進(jìn)行了對(duì)比：

價(jià)格方面：STM32的市場(chǎng)價(jià)格在300到400人民幣之間，而Arduino UNO開(kāi)發(fā)板的市場(chǎng)價(jià)在50到150人民幣之間，因此Arduino開(kāi)發(fā)板能夠更好的降低機(jī)器人產(chǎn)品的成本。

性能方面：Arduino是一個(gè)帶有avr單片機(jī)的驗(yàn)證系統(tǒng)板，而STM32板是一種arm內(nèi)核單片機(jī)，是一個(gè)芯片，因此STM32板相對(duì)于Arduino性能較好。

開(kāi)發(fā)方面：STM32開(kāi)發(fā)板開(kāi)發(fā)，需要從硬件底層開(kāi)始開(kāi)發(fā)，需要掌握各種細(xì)節(jié)知識(shí)，Arduino UNO更傾向于創(chuàng)新，弱化具體硬件操作。

而在此項(xiàng)目開(kāi)發(fā)過(guò)程中，主要以創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)為目標(biāo)，經(jīng)濟(jì)支持有限，對(duì)開(kāi)發(fā)板性能要求不高，可開(kāi)發(fā)性要求較高，因此綜上所述，選擇Arduino開(kāi)發(fā)板作為主控芯片較為合適。

該項(xiàng)目產(chǎn)品主要結(jié)構(gòu)為：移動(dòng)端應(yīng)用和開(kāi)發(fā)板通過(guò)wifi模塊和家庭局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，后開(kāi)發(fā)板連接多種模塊和器件，包括溫濕度傳感器，超聲波傳感器，煤氣傳感器，火焰?zhèn)鞲衅?，加濕器等，以?shí)現(xiàn)預(yù)期目的。整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

2 ?運(yùn)動(dòng)傳感及運(yùn)動(dòng)

機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制整個(gè)系統(tǒng)具體功能為：通過(guò)測(cè)距手段測(cè)量機(jī)器人與障礙物距離，從而控制機(jī)器人行進(jìn)方向，以達(dá)到自動(dòng)行進(jìn)及巡檢的目的。而測(cè)距手段主要為兩類，紅外測(cè)距與超聲波測(cè)距。

超聲波測(cè)距中，可以使用HC-SR04超聲波傳感器，發(fā)射和接收的超聲波信號(hào)頻率約為40kHz，長(zhǎng)度約為6mm，可使具有壓電效應(yīng)的換能器產(chǎn)生較小的電壓信號(hào)，通過(guò)變聲脈沖回波渡越時(shí)間法，計(jì)算出當(dāng)前位置與障礙物相距距離，從而實(shí)現(xiàn)測(cè)距目的。

設(shè)被測(cè)試距離為d，信號(hào)發(fā)出端發(fā)出信號(hào)與信號(hào)接收端接收信號(hào)時(shí)間間隔為t，傳播速度v，則：

d=t×v÷2

而紅外線測(cè)距中，主要原理為三角測(cè)量原理，最終可通過(guò)幾何公式求出距離d。公式中，測(cè)試距離較小時(shí)，偏移值L較大，超過(guò)測(cè)量范圍。即，當(dāng)障礙物距離機(jī)器人距離過(guò)小，將無(wú)法探測(cè)障礙物。

通過(guò)對(duì)比可得，紅外線測(cè)距反應(yīng)靈敏，性能較好，但測(cè)量距離較長(zhǎng);超聲波測(cè)距測(cè)量范圍廣，輸出方式豐富，價(jià)格實(shí)惠，但測(cè)距值受溫度和風(fēng)向干擾。在家庭環(huán)境中，超聲波模塊具有較大優(yōu)勢(shì)。

機(jī)器人運(yùn)動(dòng)由兩枚L298N驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)四枚3-6V電機(jī)帶動(dòng)，開(kāi)發(fā)板對(duì)esp8266模塊和超聲波測(cè)距模塊的輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，再將解析所得指令發(fā)送至驅(qū)動(dòng)模塊內(nèi)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人行進(jìn)方向控制。

根據(jù)超聲波傳感器判斷運(yùn)動(dòng)方向的程序如下：

if （S<10） ? ? ? ? ?//判斷障礙物距離，距離太近

{back（）; ? ? ? ? ? //后退

delay（300）; ? ? ? ?//后退時(shí)間

}

if（S<=40&&S>10） ? ?//距離中等

{L（）; ? ? ? ? ? ? ?//運(yùn)行轉(zhuǎn)向判斷函數(shù)

}

If（S>40） ? ? ? ? ? //距離充足

{line（）; ? ? ? ? ? //運(yùn)行直行函數(shù)

}

3 ?機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)過(guò)程

首先繪制主體結(jié)構(gòu)的三維圖紙，根據(jù)需要的數(shù)據(jù)進(jìn)行電機(jī)和其他所需購(gòu)買零件的選型，并選取連接所需的螺釘螺母及銅柱。

其次導(dǎo)出上下底板的二維加工.dxf圖紙;將需要打印的部件導(dǎo)出為.stl文件，拷貝到3D打印機(jī)中進(jìn)行打印;再將dxf文件考入控制數(shù)控銑床的計(jì)算機(jī)，通過(guò)加工軟件導(dǎo)出為銑床能夠識(shí)別的加工路徑;

最后打開(kāi)數(shù)控銑床，加工環(huán)氧板獲得上下底板;將加工獲得的部件與購(gòu)買的各個(gè)零件組裝起來(lái)。

底板圖紙如圖2。

所需工具和軟件有：3D打印機(jī)、數(shù)控銑床、螺絲刀，UG11.0、Auto CAD2015等。

3.2 材料選擇

①主體結(jié)構(gòu)上下底板及支撐結(jié)構(gòu)選用環(huán)氧板做結(jié)構(gòu)材料，主要考慮環(huán)氧板易于獲得，強(qiáng)度較高，價(jià)格實(shí)惠。

②儲(chǔ)塵倉(cāng)及吸塵口采用PLA材料3D而成。主要考慮結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，用去除材料方法獲得難度較大。

4 ?各輔助功能實(shí)現(xiàn)

4.1 溫濕度檢測(cè)

溫濕度是家庭環(huán)境的重要指標(biāo)，家庭多功能機(jī)器人理應(yīng)具備溫濕度監(jiān)測(cè)能力，該項(xiàng)目中溫濕度傳感采用AM2302溫濕度模塊，傳感器采用DHT11，可以測(cè)量周圍溫濕度，溫度測(cè)量誤差±2個(gè)百分點(diǎn)，濕度測(cè)量范圍為百分之0～99.9（0～50度范圍），工作電壓3.3到5V，為數(shù)字輸出形式。

濕敏電容數(shù)字溫濕度傳感器應(yīng)用數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，產(chǎn)品具有較高的可靠性和長(zhǎng)期的穩(wěn)定性。因此其體積小，功耗低，抗干擾能力強(qiáng)，測(cè)量值準(zhǔn)確等顯著優(yōu)點(diǎn)。

引腳表如表1。

下面給出溫濕度傳感器應(yīng)用主要程序：

DHT11.read（PIN_DHT11）;

Serial.print（"Humidity （%）： "）;

Serial.println（（float）DHT11.humidity， 2）;

Serial.print（"Temperature （oC）： "）;

Serial.println（（float）DHT11.temperature， 2）;

delay（500）;

4.2 煤氣檢測(cè)

煤氣泄漏可以導(dǎo)致人深度昏厥甚至呼吸衰竭直至死亡，是家庭安全隱患之一，該項(xiàng)目中機(jī)器人配備的煤氣檢測(cè)裝置采用MQ-5液化氣天然氣城市煤氣傳感器模塊，二氧化錫作為該傳感器所使用的氣敏材料，其在空氣中電導(dǎo)率較低。當(dāng)機(jī)器人行駛至煤氣煤氣泄漏范圍內(nèi)時(shí)，室內(nèi)氣體中二氧化錫濃度有所提高，傳感器中電導(dǎo)率也隨之增大。通過(guò)制定電路可使電導(dǎo)率轉(zhuǎn)化為與該氣體濃度相對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)。該款傳感器優(yōu)勢(shì)在于可檢測(cè)氣體種類較多，成本低，響應(yīng)迅速，壽命長(zhǎng)等。

其中四個(gè)引腳分別為正極5V，負(fù)極5V，DO輸出，AO輸出。

下面給出火焰?zhèn)鞲衅鲬?yīng)用主要程序：

Void main（）

{ while（1） //無(wú)限循環(huán)

{LED=1; //熄滅p1.0口燈

if（DOUT=0）

{ Delay（）;延時(shí)抗干擾

if（DOUT=0）

{ LED=0;點(diǎn)亮p1.0口燈

} } } }

4.3 火焰檢測(cè)

火災(zāi)是威脅家庭的嚴(yán)重隱患之一，因此家庭機(jī)器人的應(yīng)用中，火焰檢測(cè)功能是必不可少的。火焰檢測(cè)可以使用火焰?zhèn)鞲衅髂K，火焰或波長(zhǎng)在約750至1000納米范圍內(nèi)的光源均可以被該模塊可以檢測(cè)，其中檢測(cè)結(jié)果與多種因素有關(guān)，如火焰增大，傳感器距火焰最遠(yuǎn)距離也有所增長(zhǎng)，火焰?zhèn)鞲衅餍盘?hào)清晰，波形明確，其工作電壓在3.3到5V。

引腳表如表2。

下面給出火焰?zhèn)鞲衅鲬?yīng)用主要程序：

void loop（）

{int i=analogRead（AO）; ?//從引腳14輸入的值賦給變量i

if （i>120） //無(wú)火焰時(shí)i=0，但日光燈及其他可能的遠(yuǎn)紅外線干擾將會(huì)使其不等于0

{analogWrite（8，1000）; ?//將火焰?zhèn)鞲衅鞯拈T限值設(shè)為i=120（可以根據(jù)需要自調(diào)）

analogWrite（9，255）;

delay（500）;

analogWrite（8，500）;

analogWrite（9，100）;

delay（500）; ? ? ? ? ?//蜂鳴器高低音調(diào)鳴響，紅色LED高低亮度閃爍

Serial.println（i）;

}

Else ? ? ? ? ? ? ? ? //未滿足火焰?zhèn)鞲衅鏖T限值

{analogWrite（8，0）;

analogWrite（9，0）;

Serial.println（i）; ? ? ? //蜂鳴器停止鳴響，紅色LED小燈熄滅

Delay（1000）; ? ? ? ? //監(jiān)視器查看數(shù)值

} }

5 ?移動(dòng)服務(wù)端設(shè)計(jì)

軟件名稱為Netty，主界面左上角標(biāo)顯示軟件名稱，共分為兩個(gè)模式，分別為“客戶端”和“服務(wù)端”模式，客戶端上側(cè)可輸入IP地址并連接，輸入格式例如：192.168.1.100：5566，下側(cè)可輸入字符串指令并發(fā)送;服務(wù)端左上側(cè)可輸入要連接的服務(wù)器端口號(hào)并創(chuàng)建服務(wù)端進(jìn)行連接，右下側(cè)可輸入字符串指令并發(fā)送。實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)機(jī)器人的控制需通過(guò)“服務(wù)端”模式發(fā)送指令，過(guò)程為在創(chuàng)建服務(wù)端輸入框內(nèi)輸入要連接的服務(wù)器端口號(hào)并創(chuàng)建服務(wù)端進(jìn)行連接，連接成功后，在APP界面右側(cè)的發(fā)送指令框內(nèi)輸入字符串并發(fā)送，即可對(duì)Arduino開(kāi)發(fā)板進(jìn)行控制，從而對(duì)機(jī)器人進(jìn)行控制，其中要求輸入字符串與開(kāi)發(fā)板程序中控制字符相同。

該項(xiàng)目中，安卓軟件的開(kāi)發(fā)工具為Android Studio，該開(kāi)發(fā)環(huán)境易于操作，開(kāi)發(fā)方便，可以實(shí)現(xiàn)的功能較為齊全，符合本項(xiàng)目需求。

基于Android Studio的部分關(guān)鍵設(shè)計(jì)步驟為：

①在Android Studio軟件中新建項(xiàng)目，命名為Netty。

②添加一個(gè)異步處理類，使手機(jī)端可以連接到Esp8266的IP和端口號(hào)。

③在項(xiàng)目中建立手機(jī)端作為接受Esp8266發(fā)送的消息服務(wù)器。

④編寫布局文件，實(shí)現(xiàn)對(duì)該項(xiàng)目的頁(yè)面設(shè)計(jì)。

6 ?通信協(xié)議的設(shè)置

6.1 實(shí)現(xiàn)方案

esp8266連接到Arduino UNO串口，移動(dòng)端安裝APP，輸入服務(wù)端口號(hào)，創(chuàng)建服務(wù)端，即通過(guò)家庭局域網(wǎng)連接實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，最后通過(guò)APP發(fā)送指令，由esp8266模塊接收并發(fā)送至Arduino開(kāi)發(fā)板，Arduino處理指令，控制電機(jī)和各傳感器模塊工作，以實(shí)現(xiàn)多功能機(jī)器人基本工作功能。

6.2 硬件搭建平臺(tái)

Esp8266-01+USB轉(zhuǎn)TTL串口模塊

連接方式為

esp8266-01 ---------- u轉(zhuǎn)串

VCC-----------3.3

GND----------GND

CH_PD--------3.3

RX-------------TX

TX-------------Rx

6.3 esp8266模塊AP指令設(shè)置

esp8266支持三種配置模式，分別為station，AP，station+AP。即該模塊可以當(dāng)成一個(gè)設(shè)備連接網(wǎng)絡(luò)的路由，也可以設(shè)置成為一個(gè)路由被連接，還可以既作為網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備同時(shí)又是其他設(shè)備的路由。

此次項(xiàng)目開(kāi)發(fā)中我們選用該模塊的AP（Access point）模式，將該通信模塊作為被連接點(diǎn)而建立Wifi網(wǎng)絡(luò)，提供給其他Station模式的手機(jī)端App連接。

具體方法是將AT指令寫入esp8266模塊的flash中，意味著掉電重啟依然有效，這樣便可通過(guò)串口調(diào)試助手做好基本配置，然后其他配置通過(guò)arduino開(kāi)發(fā)版繼續(xù)配置。

esp8266模塊AP指令調(diào)試如下：

AT+RST（重新啟動(dòng)模塊）;

AT+CWMODE=2（設(shè)置AP模式）;

AT+CWSAP=“wifi”，“2333”，1，3（配置AP參數(shù)）;

AT+CIFSR（查看模塊IP地址命令）;

下面給出ardunio調(diào)制部分關(guān)鍵程序：

mySerial.println（"AT+CIPMUX=1"）; ?//開(kāi)啟多連接模式命令

mySerial.println（"AT+CIPSERVER=1，8080"）; ?//開(kāi)啟服務(wù)器模式 ? ?8080為端口號(hào)，手機(jī)連接時(shí)會(huì)用到

void loop（） {char buf[100];

int leng = ReceiveWifiMessage（buf）;//讀取串口緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)

if（leng>0）{

if（strcmp（buf， GO） == 0）{

Serial.println（"go"）;

//前進(jìn)

go（）;

}else if（strcmp（buf， BACK） == 0）{

Serial.println（"back"）;

//后退

back（）;

}else if（strcmp（buf， LEFT） == 0）{

//左轉(zhuǎn)

Serial.println（"left"）;

turnLeft（）;

}else if（strcmp（buf， RIGHT） == 0）{

//右轉(zhuǎn)

Serial.println（"right"）;

turnRight（）;

}else if（strcmp（buf， STOP） == 0）{

//停車

Serial.println（"stop"）;

stopCar（）; }}}

7 ?結(jié)束語(yǔ)

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，電器設(shè)備趨于智能化，智能系統(tǒng)正在改變著我們的生活，所以在不遠(yuǎn)的將來(lái)智能家居會(huì)慢慢的普及每個(gè)家庭，讓我們感受到科技給我們帶來(lái)的方便與舒適。

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的基于e家庭的多功能機(jī)器人創(chuàng)新性的將智能家居技術(shù)與機(jī)器人技術(shù)聯(lián)系到一起，能夠更加省時(shí)、省力，便于控制。集家庭巡檢、智能掃地、吸塵工具、空氣加濕、煤氣報(bào)警、火災(zāi)報(bào)警等功能為一體;不需要人為控制可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)避障，防止智能多功能機(jī)器人在工作過(guò)程中因碰撞而損壞;可凈化室內(nèi)空氣，內(nèi)置活性炭過(guò)濾層，以起到對(duì)空氣中雜質(zhì)的吸附作用，對(duì)粉塵的凈化和清掃效率極高;帶有空氣加濕系統(tǒng)，對(duì)室內(nèi)環(huán)境濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，當(dāng)環(huán)境濕度低于閥值時(shí)，空氣加濕裝置開(kāi)始工作;輕便小巧，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于日常清理維護(hù);通過(guò)智能家居系統(tǒng)與手機(jī)連接，并且?guī)в凶詣?dòng)報(bào)警功能，能夠通過(guò)WiFi傳到使用者手機(jī)，告知使用者多功能機(jī)器人的狀態(tài);具有定時(shí)功能，避免因遺忘造成長(zhǎng)時(shí)間工作，從而導(dǎo)致的機(jī)器人損壞和浪費(fèi)。

總之，該智能清掃機(jī)器人同時(shí)具備了多種機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)，操作簡(jiǎn)單，使用方便、智能、安全、清潔效果顯著，價(jià)格實(shí)惠，適合轉(zhuǎn)化成果，應(yīng)用至生活。

參考文獻(xiàn)：

[1]洪志強(qiáng).基于嵌入式平臺(tái)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)智能家居系統(tǒng)應(yīng)用研究[D].上海師范大學(xué)，2014.

[2]吳勝明.智能家居交互終端的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].華北電力大學(xué)，2013.

[3]雷鋼，王宏遠(yuǎn).基于AVR單片機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程，2006（11）.

[4]陳懂，劉瑢，金世俊.智能小車的多傳感器數(shù)據(jù)融合[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù)，2005，28（6）：3-5.

[5]陳羽中，翁詩(shī)寧，郭昆.一種面向車輛自組網(wǎng)的多人博弈數(shù)據(jù)融合算法[J].小型微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，2016，37（8）：1807-1811.

[6]戴建.基于嵌入式的智能家居網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].上海工程技術(shù)大學(xué)，2016.

[7]Simanek J， Kubelka V， Reinstein M. Improving multi-modal data fusion by anomaly detection[J]. Autonomous Robots， 2015， 39（2）：139-154.