基于單片機(jī)與互聯(lián)網(wǎng)的高空玻璃清洗遠(yuǎn)程控制管理系統(tǒng)

王思甜

摘要：人工完成高空玻璃清潔有很大的危險(xiǎn)且成本高，為了有效解決這一問題，設(shè)計(jì)了高空玻璃清洗系統(tǒng)。通過遠(yuǎn)程PC端控制及滾刷完成高空玻璃的清潔與管理。此系統(tǒng)可解決高空擦窗成本高、危險(xiǎn)系數(shù)高的問題。隨著近些年來各個(gè)城市不斷進(jìn)行大規(guī)?；A(chǔ)建設(shè)與改造，一些高大、形狀各異的建筑層出不窮。此外，整個(gè)社會(huì)不斷增強(qiáng)環(huán)境保護(hù)意識(shí)，也為玻璃清洗機(jī)器人的開發(fā)創(chuàng)造了應(yīng)用條件和外部環(huán)境。目前，國(guó)內(nèi)也有一些關(guān)于壁面清洗機(jī)器人的研究，設(shè)計(jì)了一個(gè)清潔系統(tǒng)來滿足一體式擦窗需求。

關(guān)鍵詞：高空玻璃清洗系統(tǒng);互聯(lián)網(wǎng)+;真空吸附式;智能機(jī)器人

中圖分類號(hào)：TU976.42

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI：10.15913/j .cnki.kj ycx.2019.11.045

1 國(guó)內(nèi)擦窗機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀與項(xiàng)目背景

1.1 行業(yè)背景

隨著社會(huì)的快速發(fā)展，到處都是參天高樓，房屋面積越來越大，且很多都是落地窗。所以，窗戶清潔已成為每個(gè)建筑和家庭都不能離開的“頭疼事”——大樓會(huì)雇請(qǐng)擦窗工人在高空進(jìn)行作業(yè)，這樣的作業(yè)不僅效率低、成本高，而且非常的危險(xiǎn)。各種現(xiàn)象都深刻地表明了推行窗戶清潔系統(tǒng)的必要性和重要性。

1.2 窗戶清潔機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀

日本最先開始研究壁面式移動(dòng)機(jī)器人。1966年，一種理想的利用風(fēng)扇產(chǎn)生的負(fù)壓吸附原型機(jī)在日本誕生。而后，在1975年，出于實(shí)用的角度，又開發(fā)了第二代機(jī)器，它使用一個(gè)吸盤來吸盤并用輪子行走。之后，日本結(jié)合了當(dāng)時(shí)市面現(xiàn)有的專用清洗機(jī)器人又開發(fā)了更多類型的壁面移動(dòng)機(jī)器。中國(guó)對(duì)壁面清洗機(jī)器人的研究相對(duì)日本等國(guó)家起步較晚，但發(fā)展迅速。哈爾濱工業(yè)大學(xué)等在壁面機(jī)器人領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位。許多研究機(jī)構(gòu)也推出了自己的壁面移動(dòng)機(jī)器人。

2 系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)致力于高空玻璃的清潔，旨在提供更安全、更有效的方式來清潔高空玻璃。目前，有一些公司在做擦窗機(jī)的服務(wù)。這些公司都為高層建筑提供窗戶清潔機(jī)，但這些公司都是為高樓提供擦窗機(jī)的安裝服務(wù)，但擦窗還是人工進(jìn)行，沒能實(shí)現(xiàn)擦窗智能化;而對(duì)于小區(qū)或相對(duì)矮的樓房，只有供用戶自己購(gòu)買的擦窗智能機(jī)器人存在，價(jià)格貴，擦窗機(jī)器人得不到最大化利用。

各高樓物業(yè)聘請(qǐng)的高空擦窗工人效率低，且對(duì)工人來說擦窗危險(xiǎn)系數(shù)大。為了解決高空擦窗作業(yè)工人的安全等問題，研究了基于互聯(lián)網(wǎng)的高空玻璃清洗系統(tǒng)，通過遠(yuǎn)程控制技術(shù)，嵌入式開發(fā)在網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)了包括將擦窗機(jī)器人運(yùn)作狀況發(fā)送給物業(yè)、智能壁面清洗機(jī)器人自動(dòng)擦窗等功能，并結(jié)合現(xiàn)在的互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了PC端遠(yuǎn)程操控，自動(dòng)驅(qū)使機(jī)體執(zhí)行擦拭、探測(cè)邊框、導(dǎo)航路徑等任務(wù)，還可一鍵遙控、自動(dòng)作業(yè)。該系統(tǒng)不但免除了工人高空作業(yè)的危險(xiǎn)，給大廈和小區(qū)的擦窗管理帶來方便，而且滿足了如今科技迅猛發(fā)展下的互聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)需求。

3 技術(shù)實(shí)現(xiàn)

3.1 遠(yuǎn)程控制技術(shù)與Web服務(wù)板塊

3.1.1 無線通信技術(shù)和單片機(jī)通信系統(tǒng)

作為通信交換方法，無線通信技術(shù)指的是使用電磁波信號(hào)來使信息能夠?qū)崿F(xiàn)交換而不受地域、空間因素的影響。電磁波信號(hào)在自由空間中可無障礙傳輸，微波傳輸距離可達(dá)10 000 m左右。傳輸距離雖然比較短，但是傳輸線路的頻帶寬并且通信容量大。在衛(wèi)星通信信號(hào)中，作為用于信號(hào)接收的中繼站，通信衛(wèi)星可以實(shí)現(xiàn)地球上兩個(gè)或更多個(gè)移動(dòng)物體之間的連接。

MCU通信系統(tǒng)由集成電路芯片組成。工作原理是將中央數(shù)據(jù)處理器CPU設(shè)置在大規(guī)模集成電路的中心，然后將驅(qū)動(dòng)模擬電路轉(zhuǎn)換器和隨機(jī)存取存儲(chǔ)器RAM結(jié)合起來，有效地處理傳輸數(shù)據(jù)，科學(xué)地轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。在相應(yīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，可以很好地接收和傳輸通信數(shù)據(jù)。

3.1.2 無線通信技術(shù)在單片機(jī)中的應(yīng)用

3.1.2.1 數(shù)據(jù)傳輸方案

通常情況下，在操作過程中，需要通過無線通信技術(shù)運(yùn)行MCU通信系統(tǒng)。相關(guān)工作也將直接圍繞監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行，監(jiān)控系統(tǒng)將跟蹤記錄，有效地診斷系統(tǒng)監(jiān)控運(yùn)行期間主體的狀態(tài)與性能以及發(fā)生的問題。在完成整個(gè)任務(wù)的過程中，作為主要載體的機(jī)車設(shè)備將下載系統(tǒng)在運(yùn)行期間生成的所有數(shù)據(jù)信息，并將其傳輸?shù)降孛娴臄?shù)據(jù)管理庫(kù)。就系統(tǒng)操作產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信息而言，它具有一定的復(fù)雜性與大規(guī)模性，在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)需要配合多種數(shù)據(jù)傳輸方式，對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備容量的要求也比較大。

在數(shù)據(jù)傳輸模式選擇過程中，需要大容量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備，且手動(dòng)存儲(chǔ)和傳輸一些數(shù)據(jù)也必不可少。這使得處理后的信息數(shù)據(jù)的復(fù)雜性增加，數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)化也會(huì)降低。可以看出，在選擇數(shù)據(jù)傳輸方案時(shí)，有必要加強(qiáng)對(duì)無線通信技術(shù)特性的綜合考慮，以保證數(shù)據(jù)傳輸效率。

3.1.2.2 單片機(jī)與無線數(shù)傳模塊接口

無線通信技術(shù)在MCU通信系統(tǒng)的應(yīng)用中，兩者之間的對(duì)接問題通常普遍存在。接口的主要功能是在對(duì)接微機(jī)和無線數(shù)傳模塊時(shí)提高其準(zhǔn)確性及穩(wěn)定性。利用中斷源和CPU，可以實(shí)現(xiàn)微機(jī)與無線數(shù)傳模塊在不同狀態(tài)下的有效對(duì)接，使對(duì)接模式的靈活性大大提高，與此同時(shí)，承載了部分MCU控制接口的負(fù)擔(dān)，從而有效地保證了單片機(jī)通信系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

3.1.2.3 通信程序流程

無線通信技術(shù)在MCU通信系統(tǒng)中應(yīng)用頻繁，這涉及相應(yīng)的程序流程。當(dāng)發(fā)送通信請(qǐng)求時(shí)，通信中心對(duì)該過程有更多需求。因此，有必要有針對(duì)性地設(shè)置相應(yīng)的程序流程，然后順利完成通信數(shù)據(jù)的接收和傳輸。在傳輸響應(yīng)數(shù)據(jù)時(shí)，如果MCU通信系統(tǒng)沒有收到維護(hù)和提示，且超過了三個(gè)通信請(qǐng)求，則操作和維護(hù)中心將根據(jù)程序執(zhí)行后期維護(hù)操作。

3.1.3 通信實(shí)現(xiàn)

MCU通過SPI接口控制以太網(wǎng)控制器并與Web服務(wù)器通信。Web服務(wù)器將擦窗機(jī)器人的IP存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中。當(dāng)用戶在瀏覽器上登錄服務(wù)器時(shí)，發(fā)出控制信息，此時(shí)的控制信息將通過互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送到擦窗機(jī)器人，擦窗機(jī)器人接收到信號(hào)后根據(jù)信息進(jìn)行相應(yīng)的操作，從而實(shí)現(xiàn)用戶的遠(yuǎn)程控制。當(dāng)需要擦窗機(jī)器人獨(dú)立完成擦窗任務(wù)而不需要人工控制時(shí)，可以將系統(tǒng)設(shè)置為自動(dòng)模式以進(jìn)行無人控制。此時(shí)MCU為IP地址固定的客戶端。發(fā)送信息前，MCU發(fā)送ARP請(qǐng)求以獲取服務(wù)器DNS地址，實(shí)現(xiàn)UPD連接，同時(shí)發(fā)送http請(qǐng)求。

3.1.4 Web服務(wù)器設(shè)計(jì)

此部分用MYSQL語言實(shí)現(xiàn)，主要處理MCU發(fā)起的連接請(qǐng)求，以不同的IP地址區(qū)分不同設(shè)備的數(shù)據(jù)包，提取信息并存儲(chǔ)。服務(wù)器控制界面有用戶登錄界面、擦窗清潔模塊電池使用情況、清理進(jìn)度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等，擦窗清潔模塊電池使用情況如圖1所示，清理進(jìn)度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)如圖2所示。

3.2 智能壁面清潔機(jī)器人板塊

3.2.1 清潔機(jī)器人技術(shù)組成

吸附：用真空吸附法，也可用負(fù)壓吸附法實(shí)現(xiàn)。同時(shí)使用多個(gè)吸盤使機(jī)器人吸附力增加，當(dāng)墻壁不是絕對(duì)平坦時(shí)，可避免單吸盤泄漏導(dǎo)致的吸附力的減小及承載能力的下降。

移動(dòng)：可用履帶式實(shí)現(xiàn)，該方法可很好地適應(yīng)不同的墻面，且著陸面積大，可以滿足各種不同材質(zhì)及起伏狀況的墻面的需求，并有效克服障礙物，實(shí)現(xiàn)全方位運(yùn)動(dòng)。

清潔：基本組成為直流電機(jī)、滾刷和雨刷板。直流電機(jī)可實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速，并驅(qū)動(dòng)滾刷以恒定速度穩(wěn)定地清洗壁面。

回收：清潔過的污水通過過濾器后又可重復(fù)使用，流回水箱，不僅可以節(jié)約用水，還能提高清潔效率。

3.2.2 主體驅(qū)動(dòng)模塊

L298是一種高壓高電流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，非反向輸入可使四個(gè)輸出產(chǎn)生不同邏輯電平，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。

3.2.3 噴水模塊

對(duì)壁面進(jìn)行表面清潔時(shí)必須有一定的水壓才可達(dá)到清潔效果，水壓過大過小都會(huì)造成麻煩，比如壓力過小時(shí)，清潔質(zhì)量達(dá)不到要求;壓力過大時(shí)，機(jī)器人的吸附控制將變得困難。為了解決這個(gè)問題，可以在一定清潔壓力下同時(shí)提升清潔頻率，即每單位時(shí)間清潔刷與待清潔表面之間的接觸次數(shù)增加。

3.2.4 機(jī)器人控制

清潔機(jī)器人系統(tǒng)控制由PC管理，人機(jī)交互控制可以通過如圖3所示的PC顯示窗口界面方便實(shí)現(xiàn)。主體驅(qū)動(dòng)模塊和PC的前端配備有收發(fā)模塊，以實(shí)現(xiàn)通信數(shù)據(jù)信號(hào)的無線傳輸和接收。

4 結(jié)束語

本設(shè)計(jì)系統(tǒng)穩(wěn)定、硬件簡(jiǎn)單、成本低，可用于高層建筑、學(xué)校、醫(yī)院辦公樓、住宅小區(qū)等室外玻璃清潔，具有一定的實(shí)用價(jià)值，可以有效地解決高樓清潔窗戶既危險(xiǎn)成本又高的問題。

參考文獻(xiàn)：

[1]鄧學(xué)欣，檀潤(rùn)華.智能窗的概念設(shè)計(jì)[J].河北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，30 （4）： 25-29.

[2]李文端.無線通信技術(shù)在單片機(jī)通信系統(tǒng)中的實(shí)際應(yīng)用探討[J].電子制作，2015 （5）： 160.

[3]秦國(guó)慶.單片機(jī)技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)通信中的應(yīng)用研究[J].科技傳播，2017（ 17）： 88-89。

[4]喻萍，郭文川.單片機(jī)原理與接口技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

[5]史儀凱.電工電子應(yīng)用技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社，2004.

[6]浦靈敏，季愛明.基于STC89C52單片機(jī)智能窗戶控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].中國(guó)科技信息，2011，10（ 104）：150-151.

[7]于江利，桂垣，楊曉睛，等.基于zigbee的智能建筑消防控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].河北建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2014，32（ 1）： 124-126.

[8]楊君.基于單片機(jī)的嵌入式USB主機(jī)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2009，24（ 14）： 93-94.

[9]吳興中，歐青立.一種PC與單片機(jī)多機(jī)RS232串口通信設(shè)計(jì)[J].國(guó)外電子測(cè)量技術(shù)，2012，31 （1）： 74-76.

[10]郭連平，田書林，蔣俊，等.高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中觸發(fā)點(diǎn)同步技術(shù)研究[J].電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào)，2010，24（3）：224-229.