智能空氣凈化小車系統(tǒng)設(shè)計

王忠展，趙 武，秦會斌

（1.杭州電子科技大學(xué) 新型電子器件與應(yīng)用研究所，浙江 杭州 310018；2.杭州茂葳科技有限公司，浙江 杭州 310018）

0 引言

傳統(tǒng)空氣凈化設(shè)備多為內(nèi)部安裝傳感模塊，只能監(jiān)測所在區(qū)域空氣質(zhì)量的變化，無法應(yīng)對監(jiān)控范圍廣、監(jiān)測點數(shù)量多等復(fù)雜環(huán)境[1]。另一方面，傳統(tǒng)空氣凈化器昂貴且作用區(qū)域太小所帶來的不對等問題，導(dǎo)致了空氣凈化器普及性不強。本文采用多組空氣數(shù)據(jù)采集終端的無線分布式檢測系統(tǒng)，既可以檢測室內(nèi)整體空氣質(zhì)量狀況，又免去了有線布置帶來的麻煩及成本問題，同時還可以在移動端進行遠(yuǎn)程監(jiān)控[2]；采用智能車搭載空氣凈化裝置，通過地磁軌跡導(dǎo)航，在室內(nèi)不同區(qū)域來往穿梭凈化空氣，最大程度提高空氣凈化器的利用率，適用家庭多房間、體育場大空間等場合。

1 系統(tǒng)總體功能

整個系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)采集定位系統(tǒng)、小車系統(tǒng)和應(yīng)用系統(tǒng)三個部分，系統(tǒng)框架如圖1所示。

圖1 整體設(shè)計框圖Figure 1 Overall design block diagram

數(shù)據(jù)采集定位系統(tǒng)中每一個區(qū)域包含多個采集節(jié)點和一個射頻識別卡。每一個識別卡都有自己唯一的ID，可以在小車凈化過程中標(biāo)記凈化區(qū)域。每一個終端節(jié)點由控制芯片CC2530和多個空氣數(shù)據(jù)檢測傳感器組成，一個區(qū)域的不同位置放置多個檢測終端，實現(xiàn)對區(qū)域整體空氣質(zhì)量狀況的準(zhǔn)確監(jiān)測。最后，數(shù)據(jù)通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至協(xié)調(diào)器，實現(xiàn)整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集。

小車系統(tǒng)以STM32F407GT6作為主控芯片，外擴協(xié)調(diào)器模塊、WIFI通信模塊、遁跡模塊等。協(xié)調(diào)器模塊負(fù)責(zé)建立無線網(wǎng)絡(luò)，分配各個采集終端節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)地址，并接收子節(jié)點的環(huán)境信息，將收到的數(shù)據(jù)上傳到主控芯片[5]，再通過WIFI上傳至服務(wù)器。遁跡模塊、速度檢測模塊、電機驅(qū)動模塊以及避障模塊組成了小車的軌跡控制系統(tǒng)，保證小車搭載空氣凈化器沿著磁軌穩(wěn)定、快速、安全運行，途中遇到障礙物則停止前行，實現(xiàn)動態(tài)凈化。

應(yīng)用系統(tǒng)中移動終端通過互聯(lián)網(wǎng)訪問信息服務(wù)器，實時查看每個區(qū)域的空氣數(shù)據(jù)（溫濕度、空氣質(zhì)量）、凈化裝置的工作狀態(tài)（定時、功率、工作模式等）以及小車的位置信息及工作模式。同時通過APP控制凈化裝置及小車，實現(xiàn)人機交互。本文主要對小車系統(tǒng)進行設(shè)計，其他不做重點講述。

2 硬件設(shè)計

2.1 數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)硬件設(shè)計

整個數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)包含空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)采集部分以及主控與客戶端數(shù)據(jù)交互部分。

空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)采集部分采用CC2530芯片，內(nèi)部集成高性能2.4GHz射頻收發(fā)器，多個設(shè)備之間可實現(xiàn)小范圍ZigBee通信[3]。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇星狀網(wǎng)絡(luò)，由一個協(xié)調(diào)器和多個終端節(jié)點組成，實現(xiàn)多點分布式采集。每一個采集終端外加傳感器DHT11實現(xiàn)溫濕度采集以及氣敏傳感器模塊TGS2602實現(xiàn)空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)通過協(xié)調(diào)器傳輸至主控。

主控與客戶端交互部分使用WiFi通信組件ESP8266，支持站點（Station，STA）和無線接入點（Access Point，AP）兩種工作模式[4]。采用STA模式與主控通過串口通信，接收主控上行數(shù)據(jù)，與客戶端通過HTTP協(xié)議通信，接收客戶端下發(fā)命令碼，使用AT（Attention）指令實現(xiàn)對模塊的完全控制。

仙呂調(diào)清新綿邈，南呂宮感嘆傷悲，中呂宮高下閃賺，黃鍾富貴纏綿，正宮惆悵雄壯，道宮飄逸清幽。(以上六宮)

2.2 小車系統(tǒng)硬件設(shè)計

小車底盤設(shè)計成前面兩個萬向輪，后面兩個驅(qū)動輪。采用直流電機加入電機驅(qū)動芯片L298N，L298N內(nèi)含H橋的高電壓全橋式驅(qū)動器，一片驅(qū)動芯片可以同時控制兩個直流電機[6]。小車底盤在前萬向輪中間位置安裝了磁傳感器，獲取相對位置，用于調(diào)整兩個電機各自的PWM（Pulse Width Modulation）波占空比控制小車行動軌跡，保證在行進過程中沿磁條運行。表1為L298N驅(qū)動芯片驅(qū)動電機A、B的控制邏輯，通過輸入引腳（IN1~IN4）控制電機的正反轉(zhuǎn)，由使能引腳（ENA和ENB）輸入PWM波調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速。

表1 L298N芯片驅(qū)動電機A/B控制邏輯Table 1 L298N chip drives motor A/B control logic

遁跡模塊采用磁敏檢測元器件HMC1052，具有穩(wěn)定、性能可靠的特點。使用地磁導(dǎo)航和軟磁條鋪設(shè)，故而存在磁場強度小的問題，需要在磁敏傳感器輸出端再設(shè)計一個差分放大電路以增大輸出端的2路電壓差，達(dá)到靈敏檢測磁場強度的目的。差分放大電路設(shè)計如圖2所示。

圖2 差分放大電路設(shè)計框圖Figure 2 Block diagram of differential amplifier circuit design

考慮到軟磁條的磁場分布是以磁條為軸的一系列同心圓，左右對稱，在小車垂直車身水平安裝兩個對稱位置的磁場檢測模塊，檢測兩側(cè)的感應(yīng)電動勢差值，這里將模塊安裝距離設(shè)為30cm，檢測計算出電動勢差值Ed如圖3所示。其中x為其中一個模塊距磁條距離?？梢钥闯?，兩個傳感器中心恰好在跑道中央時，Ed為0；向左偏，差值就會變?yōu)榇笥?；反之，便小于0。我們可以利用電動勢差值Ed對小車轉(zhuǎn)向進行負(fù)反饋控制，調(diào)整小車轉(zhuǎn)向，保證小車沿著軌道運行。

圖3 感應(yīng)電動勢差值Ed與距離x之間的函數(shù)Figure 3 Function between induced electromotive force difference Ed and distance x

射頻識別模塊主要完成對識別卡ID碼的讀寫。其中讀卡器由MFRC522、微處理器、天線以及相應(yīng)的外圍電路組成。在鋪設(shè)的磁條路徑上，相應(yīng)的凈化區(qū)域會放置識別卡進行標(biāo)識。讀卡器讀取識別卡的ID碼，用于確定凈化位置。讀卡器結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示，為了保證正確讀取數(shù)據(jù)，需與識別卡的頻率一致，內(nèi)部振蕩器X選用27.12MHz的晶體振蕩器。

圖4 讀卡器電路設(shè)計框圖Figure 4 Card reader circuit design block diagram

避障系統(tǒng)模塊選用超聲波傳感器HC-SR04，存在五個引腳，主要通過引腳INIT、ECHO和COUT進行控制。由主控向引腳INIT發(fā)送一個至少持續(xù)10μs的高電平信號來觸發(fā)模塊啟動測距，HC-SR04工作時向前發(fā)出超聲波，在傳播過程中遇到障礙物被反射，只要HC-SR04接收到返回信號，ECHO引腳就會輸出一個高電平，最后根據(jù)INIT和ECHO上升沿出現(xiàn)的時間差，就可以計算出離障礙物的具體距離s=Δt*v/2（Δt為時間差，v為超聲波速率）。通過程序控制讓小車在距離障礙物15cm左右前停下，實現(xiàn)避障功能。超聲波測距信號圖如圖5所示。

圖5 超聲波測距信號圖Figure 5 Signal diagram of ultrasonic ranging

3 軟件設(shè)計

3.1 空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)傳輸程序設(shè)計

整個系統(tǒng)從多區(qū)域采集空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)并有序上發(fā)數(shù)據(jù)，主控通過ZigBee協(xié)調(diào)器廣播指令，只要相應(yīng)采集終端檢測出廣播指令中地址碼和自身序列號吻合，便會啟動工作。各節(jié)點循環(huán)作業(yè)，通過傳感器采集數(shù)據(jù)，打包發(fā)送至協(xié)調(diào)器，通過串口送往主控，主控采用輪詢方式，循環(huán)獲取各區(qū)域空氣質(zhì)量參數(shù)。為了使數(shù)據(jù)采集更可靠，一次廣播指令包含一片區(qū)域的全部采集終端地址，各采集終端一次獲取10次采集數(shù)據(jù)，利用平均值濾波法進一步提高數(shù)據(jù)的可靠性。為了實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，將數(shù)據(jù)以JSON格式打包，通過ESP8266模塊，上傳到阿里云ECS服務(wù)器[7]。空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)傳輸程序運行流程如圖6所示。

圖6 空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)傳輸程序流程圖Figure 6 Flow chart of air quality data transmission procedure

3.2 移動端APP設(shè)計

移動端APP采用JAVA開發(fā)，遠(yuǎn)程服務(wù)器采用阿里云ECS（Elastic Compute Service）。設(shè)備側(cè)使用MQTT（Message Queuing Telemetry Transport）協(xié)議上傳數(shù)據(jù)到上行Topic，并訂閱下行命令Topic來接收下行命令。用戶側(cè)通過MQTT協(xié)議訂閱設(shè)備上行數(shù)據(jù)Topic獲取數(shù)據(jù)，并下發(fā)命令至下行命令Topic。設(shè)備之間使用兩個Topic進行數(shù)據(jù)交互。

APP界面如圖7所示。主要包含對空氣凈化裝置及小車狀態(tài)的監(jiān)控，空氣凈化器控制界面主要顯示和控制各區(qū)域的空氣質(zhì)量狀態(tài)以及凈化設(shè)備的運行狀態(tài)，本設(shè)計只設(shè)置了三個區(qū)域。小車界面顯示小車的工作狀態(tài)，同時包含遠(yuǎn)程遙控。

圖7 移動端APP界面Figure 7 Mobile APP interface

3.3 小車運行程序設(shè)計

該程序?qū)崿F(xiàn)小車沿著地磁軌道平穩(wěn)行進，遁跡程序不間斷進行速度檢測和位置檢測，傳入模糊控制器中修正偏差，保證小車平穩(wěn)運行。從小車啟動開始，接收到凈化指令，便進入定位凈化程序，主控解析命令到指定編號區(qū)域凈化。遁跡過程中小車底下的射頻識別讀卡器不斷讀取地標(biāo)卡的信號，當(dāng)識別到地標(biāo)卡時，就會讀取其數(shù)據(jù)判斷是否到達(dá)指令要求的凈化區(qū)域，若匹配小車便會自動停下凈化。遁跡過程中遇到障礙物，判斷與障礙物距離，小于15cm便停止，一直到與障礙物有足夠距離才重新開始前行。區(qū)域定位由人為控制下通過APP指定，或者采用自動行走模式，由主控對各個區(qū)域的空氣質(zhì)量分析后選定。整個程序運行流程如圖8所示。

圖8 小車運行流程Figure 8 The running process of the trolley

3.4 模糊PID控制設(shè)計

傳統(tǒng)PID控制算法無法適應(yīng)不同曲率半徑的軌道，會出現(xiàn)抖動和誤差問題。為了使小車沿著地磁軌道穩(wěn)定前行和在出現(xiàn)路徑偏差的時候及時修正，采用模糊PID控制器。以位置偏差e和偏差變化率ec=e（k）-e（k-1）作為控制器的輸入值，輸入值經(jīng)過相應(yīng)的模糊推理和模糊化后對PID參數(shù)進行在線調(diào)節(jié)和修改，并且得到模糊控制器的PWM輸出值，產(chǎn)生兩路新的PWM控制電機修正小車位置。模糊PID控制器采用增量式PID控制，避免了大量運算和減少了系統(tǒng)的魯棒性，傳遞函數(shù)為：

其中e（k）表示的是控制器的輸入，T表示的是采樣周期，u（k）表示控制器的輸出，Kp，Ki和Kd分別表示PID調(diào)節(jié)器的自整定參數(shù)P，I和D。

整個設(shè)計在于控制規(guī)則設(shè)定，將輸入輸出模糊集定義為7個語言變量：負(fù)?。∟S）、負(fù)中（NB）、負(fù)大（NB）、零（O）、正?。≒S）、正中（PM）、正大（PB）。模糊集合論域確定以后，進而確定隸屬函數(shù)。本文采用三角函數(shù)，根據(jù)隸屬函數(shù)得到隸屬度，完成模糊化。模糊控制規(guī)則設(shè)計主要在不同輸入量下對Kp，Ki和Kd進行自整定，實現(xiàn)規(guī)則為：偏差和偏差變化率越大，電機轉(zhuǎn)速就越?。黄詈推钭兓试叫?，電機的轉(zhuǎn)速就越大[8]。整個的模糊控制規(guī)則見表2。

表2 模糊控制規(guī)則表Table 2 Fuzzy control rule table

最后反模糊化運算，采用面積重心法，取得隸屬度函數(shù)曲線與坐標(biāo)軸橫坐標(biāo)面積重心，將該重心作為模糊推理的最終輸出數(shù)值。

4 系統(tǒng)測試

4.1 空氣質(zhì)量監(jiān)測能力測試

將待監(jiān)測房間分為3個區(qū)域，每個區(qū)域安置1個終端采集數(shù)據(jù)。整個測試分為終端節(jié)點、匯聚節(jié)點及APP功能測試。終端節(jié)點數(shù)據(jù)輪詢次數(shù)設(shè)為一次，如圖9所示為各個采集節(jié)點的顯示結(jié)果。匯聚節(jié)點輪詢次數(shù)設(shè)為4次，如圖10a）所示為主控數(shù)據(jù)采集匯總顯示結(jié)果；圖10b）所示為APP顯示結(jié)果。這里只做了一個房間的測試。結(jié)果顯示，整個多點檢測系統(tǒng)各檢測點正常工作，在誤差允許范圍內(nèi)匯聚節(jié)點能實現(xiàn)正確的數(shù)據(jù)匯總，并傳輸至主控。同時APP能準(zhǔn)確顯示數(shù)據(jù)，兩者數(shù)據(jù)一致。且移動端APP可以遠(yuǎn)程操作系統(tǒng)，實現(xiàn)了系統(tǒng)的預(yù)定功能。

圖9 各個采集節(jié)點數(shù)據(jù)顯示結(jié)果Figure 9 Data display results of each collection node

圖10 主控數(shù)據(jù)和移動端APP數(shù)據(jù)顯示結(jié)果a）主控數(shù)據(jù) b）移動端APP數(shù)據(jù)Figure 10 Display results of main control data and mobile APP data a）Main control data b）Mobile APP data

4.2 小車控制測試

將建立好的控制系統(tǒng)仿真模型在MATLAB上進行測試。采集樣本時間設(shè)為0.02s，在最初速度v保持為0.1m/s的情況下，在這個階段設(shè)置正弦波的信號狀況，得出仿真結(jié)果如圖11所示?？芍瓉硐到y(tǒng)在輸入正弦波時發(fā)生了失真，而加入模糊控制后的系統(tǒng)能更加準(zhǔn)確實現(xiàn)正弦波軌跡控制，改善了小車的運動穩(wěn)定性，使整個流程更加順暢。

圖11 控制系統(tǒng)測試結(jié)果a）不加入模糊控制 b）加入模糊控制Figure 11 Control system test results a）without fuzzy controller b）with fuzzy controller

4.3 路徑跟蹤測試

路徑跟蹤測試采用室內(nèi)模擬測試路線，如圖12所示。室內(nèi)的遁跡路線用軟磁條鋪設(shè)，寬為30mm，黑點表示識別卡，標(biāo)志著每一個凈化區(qū)域。每一個觀察點畫了一條石灰線，車輪壓過就會產(chǎn)生痕跡，用于獲取小車遁跡的偏差數(shù)據(jù)。讓小車沿著環(huán)形軌道行駛20圈，測試20組數(shù)據(jù)，取平均值，繪制常規(guī)控制系統(tǒng)和模糊控制系統(tǒng)下的位置偏差圖，如圖13所示?？梢娫谛≤嚩寄苎刂壽E平穩(wěn)前行的情況下，采用模糊控制時的位置偏差情況有較好的改善。

圖12 室內(nèi)測試示意圖Figure 12 Schematic diagram of indoor test

圖13 位置偏差測試結(jié)果a）常規(guī)控制 b）模糊控制Figure 13 Position deviation test results a）Conventional control b）Fuzzy control

5 結(jié)語

本文設(shè)計了一款遠(yuǎn)程空氣質(zhì)量凈化小車系統(tǒng)，使用戶可以隨時遠(yuǎn)程監(jiān)控和控制家庭室內(nèi)空氣凈化狀況。單區(qū)域多點采集可以更精準(zhǔn)監(jiān)測整個區(qū)域的空氣質(zhì)量，使凈化系統(tǒng)可以針對性運行。搭建的智能車，采用模糊PID控制，可以平穩(wěn)運行，完成循跡、避障、定位凈化功能。實驗表明，整個系統(tǒng)性能良好，穩(wěn)定性強。該系統(tǒng)投入市場，可望產(chǎn)生積極的社會效益，推動現(xiàn)代化智能家居的發(fā)展。