章盼梅， 朱萬浩

（華南理工大學廣州學院a． 機械工程學院；b． 電氣工程學院，廣州510800）

0 引 言

隨著電子技術的快速發(fā)展，人們對生活品質(zhì)要求越來越高，市面上出現(xiàn)了一批掃地機器人。掃地機器人集掃地、拖地、吸塵于一體，為人們打掃衛(wèi)生帶來極大的方便。掃地機器人通常采用一鍵啟動方式，當人們需要它工作時，只需按下啟動按鈕，便按照預先設定的程序自動運行，它的缺點在于人們無法對它進行遠程監(jiān)控［1］。本文利用STC單片機為中央控制器，微信訂閱號為上位機，結合云服務器、WiFi、以太網(wǎng)技術開發(fā)了一套遠程監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了掃地機器人的遠程監(jiān)控。

1 系統(tǒng)總體方案

基于微信訂閱號的掃地機器人遠程監(jiān)控系統(tǒng)分上位機、中間層及現(xiàn)場執(zhí)行層3 部分［2］。上位機主要由基于微信訂閱號2 次開發(fā)的監(jiān)控軟件，負責監(jiān)控掃地機器人的運行狀態(tài)，例如：啟動、停止按鈕等；中間層主要由STC89C52 單片機組成，它是整個系統(tǒng)的核心部分，主要接收來自現(xiàn)場各傳感器發(fā)送過來的信號，經(jīng)處理后發(fā)送給執(zhí)行元件，控制掃地機器人工作。現(xiàn)場執(zhí)行層主要由掃地、拖地、爬行、電子羅盤和紅外線避障等模塊組成，它們負責把現(xiàn)場的各種信號轉(zhuǎn)換為電信號，發(fā)送給單片機，單片機處理后發(fā)送給各類執(zhí)行元件，保證掃地機器人正常工作，系統(tǒng)總體方案如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體方案

2 系統(tǒng)硬件設計

掃地機器人硬件部分由單片機控制系統(tǒng)、羅盤探測、紅外、掃地、拖地等模塊組成，它們主要負責把現(xiàn)場信號轉(zhuǎn)換為電信號、處理信息和控制掃地機器人運行。

2.1 單片機控制系統(tǒng)設計

掃地機器人控制系統(tǒng)中央處理器采用STC89C52單片機。它是一款低功耗、高性能的微控制器，F(xiàn)LASH內(nèi)存為8KB、RAM內(nèi)存為512KB、I／ O接口32 個、定時器3 個，可同時實現(xiàn)多個單片機級聯(lián)，是一款非常適合掃地機器人的微控制器［3］。STC89C52 最小系統(tǒng)如圖2 所示，UCC引腳接5 V電源，RST引腳接由C1和R1構成的復位電路，XTAL1、XTAL2 接由晶振和電容構成的時鐘電路。

圖2 STC89C52單片機最小控制系統(tǒng)電路圖

2.2 羅盤探測模塊設計

羅盤探測模塊用磁阻傳感器感應地球磁場，將感應到的地磁信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號輸送到單片機中。它的作用是檢測掃地機器人周圍的磁場強度，辨別前進的方向［4］。電子羅盤模塊由HMC5883L 芯片及外圍電路組成，當掃地機器人工作時，向羅盤芯片數(shù)據(jù)總線SDA發(fā)送地址0X3C，芯片收到信號后發(fā)送回0X3D指令應答單片機。此時，單片機和羅盤芯片建立了連接，單片機讀取羅盤芯片發(fā)送過來的磁場信號，根據(jù)磁場信號控制掃地機器人的運動方向，羅盤探測模塊電路如圖3 所示。

圖3 羅盤探測模塊電路圖

2.3 紅外模塊設計

掃地機器人采用紅外模塊來識別故障，該模塊由發(fā)射模塊和接收模塊兩部分組成［5-6］。掃地機器人工作時，紅外發(fā)射模塊發(fā)射紅外線，當紅外線碰到故障物時，紅外接收模塊收到返回的紅外線，識別故障物的存在。紅外發(fā)射模塊發(fā)射紅外線，接收模塊接收紅外線，兩個模塊需相互配合，缺一不可。紅外發(fā)射模塊電路如圖4 所示，與非門74HC00 芯片與R1、R2、C1構成一個RC振蕩電路，與非門芯片6 腳形成一個方波信號，經(jīng)過電阻R4驅(qū)動三極管Q1不斷地導通和關斷。三極管Q1不斷地導通和關斷，使發(fā)光二極管D1也不斷地導通和關斷，發(fā)送出一串連續(xù)的方波，完成紅外模塊發(fā)射紅外信號。

圖4 紅外發(fā)射模塊電路圖

紅外接收模塊由LM567 芯片及外圍電路組成，LM567 是一個音頻解碼器，能處理特定的信號。當紅外接收三極管接收到紅外信號時，產(chǎn)生一個方波信號發(fā)送到LM567 芯片的IN 腳，LM567 判斷接收的信號和芯片內(nèi)部設定的信號是否一致，一致則OUT腳輸出一個低電平，不一致則OUT 腳輸出一個高電平，實現(xiàn)故障判斷功能［7-8］，紅外接收模塊電路如圖5 所示。

圖5 紅外接收模塊電路圖

3 系統(tǒng)軟件設計

掃地機器人遠程監(jiān)控系統(tǒng)采用微信訂閱號軟件平臺進行2 次開發(fā)。監(jiān)控系統(tǒng)分為設備控制、數(shù)據(jù)監(jiān)測、個人中心和智能控制算子系統(tǒng)。設備控制子系統(tǒng)包含自動和手動控制設備模塊，主要負責對紅外模塊、羅盤探測等模塊的控制；數(shù)據(jù)監(jiān)測子系統(tǒng)包含實時數(shù)據(jù)和實時數(shù)據(jù)查詢模塊，主要對掃地機器人運行記錄數(shù)據(jù)等的采集；個人中心子系統(tǒng)包括用戶登錄注冊及查詢模塊，負責對用戶信息的管理；智能控制子系統(tǒng)包含設備決策控制模塊和數(shù)據(jù)信息推送模塊，負責設備智能控制方法的決策及優(yōu)化［9］，軟件系統(tǒng)功能結構如圖6所示。

圖6 軟件系統(tǒng)功能結構圖

3.1 設備控制子系統(tǒng)設計

掃地機器人控制方式分為手動控制、自動控制和遠程控制3 種方式［10］。手動控制是指在掃地機器人上按前進、后退等按鈕進行控制；自動控制是指通過按自動運行按鈕，掃地機器人按照已設定好的程序自動運行；遠程控制是指在手機微信端進行控制，通過云端實現(xiàn)遠距離的操作。掃地機器人控制按鈕包括前進、后退、掃地、拖地和自動運行等，在微信監(jiān)控端點擊前進按鈕時，變量ctr_run ＝＝1；當點擊后退按鈕時，變量ctr_run ＝＝0。微信監(jiān)控系統(tǒng)通過云服務器發(fā)送命令給單片機，經(jīng)處理后控制設備的運行，設備控制子系統(tǒng)流程如圖7 所示。

圖7 設備控制子系統(tǒng)流程圖

3.2 數(shù)據(jù)監(jiān)測子系統(tǒng)設計

掃地機器人在運行過程中，CPU 把相關的參數(shù)記錄下來，以便管理者查詢［11］。數(shù)據(jù)監(jiān)測子系統(tǒng)中，主要有掃地機器人的掃地／拖地時間、掃地／拖地行走軌跡、設備前進／后退／啟動／停止等操作記錄、設備報警、故障等記錄。數(shù)據(jù)監(jiān)測子系統(tǒng)中包含實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，實時數(shù)據(jù)是指掃地機器人現(xiàn)場運行的數(shù)據(jù)，實時的顯示在微信監(jiān)控系統(tǒng)上；歷史數(shù)據(jù)是把以往至今的運行數(shù)據(jù)保存起來，供管理員查詢，如：掃地機器人從出廠至今的運行記錄，數(shù)據(jù)監(jiān)測流程如圖8 所示。

圖8 數(shù)據(jù)監(jiān)測子系統(tǒng)流程圖

3.3 個人中心子系統(tǒng)設計

根據(jù)用戶權限的不同，分為游客、普通用戶和管理員［12-13］。游客權限最低，只能查看監(jiān)控系統(tǒng)；普通用戶指一般的使用者，權限比游客高，可以監(jiān)控掃地機器人；管理員權限最高，可以查看系統(tǒng)中的任何信息。系統(tǒng)中默認給掃地機器人使用者一個管理員賬號，登錄管理員賬號，可以查看普通用戶的注冊申請、分配用戶的操作權限、增加或刪除用戶的信息。用戶成功注冊后，點擊登錄界面，登錄的信息通過Java 等技術驗證格式、內(nèi)容等是否正確。同時，系統(tǒng)對用戶名密碼進行算法加密，防止數(shù)據(jù)被盜，個人中心子系統(tǒng)設計流程如圖9 所示。

圖9 個人中心子系統(tǒng)設計流程圖

4 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)測試是一個重要且必不可少的環(huán)節(jié)，是保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運行的關鍵［14-15］。在系統(tǒng)測試之前，首先組裝好單片機控制系統(tǒng)、羅盤探測、紅外檢測等模塊。在微信監(jiān)控系統(tǒng)測試端，為方便更多消費者使用，選擇市場占有率較高、價格較便宜的Note8 智能手機，它采用Android系統(tǒng)、高通驍龍665 八核處理器、6GB RAM／ 128GB ROM，掃地機器人實物如圖10 所示。

圖10 掃地機器人實物

在微信監(jiān)控系統(tǒng)界面端，設計有遠程、就地、掃地、拖地、前進等按鈕。點擊“遠程”按鈕，掃地機器人只接受微信控制，掃地機器人上的控制按鈕無法操作；點擊“就地”按鈕，情況剛好相反。點擊“掃地”按鈕，掃地機器人啟動掃地程序；點擊“拖地”，掃地機器人執(zhí)行拖地程序；點擊“自動運行”按鈕，掃地機器人按照預設的程序和算法自動運行，掃地機器人軟件測試界面如圖11 所示。

圖11 掃地機器人軟件測試圖

5 結 語

本文設計了一種以STC 單片機為中央控制器、微信為上位機的掃地機器人遠程監(jiān)控系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的掃地機器人相比，該系統(tǒng)能遠距離啟動、停止掃地機器人，并能監(jiān)視它的運行狀態(tài)。掃地機器人自試運行以來，性能穩(wěn)定、運行可靠、工況良好，各項數(shù)據(jù)均達標，得到了同行的好評。該系統(tǒng)主要的創(chuàng)新點在于利用手機微信、以太網(wǎng)和云服務器技術，實現(xiàn)了掃地機器人的遠程監(jiān)控，為研發(fā)人員遠程監(jiān)控技術改造提供參考。