手機(jī)遙控清潔車的設(shè)計(jì)

付三麗，陳 鑫，黃恒一

（三亞學(xué)院，海南 三亞 572022）

0 引 言

近年來(lái)伴隨著科技水平的快速發(fā)展和人們生活水平的不斷提高，各種智能化的產(chǎn)品結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、智能控制等技術(shù)，大量地走入人們的日常生活中。作為人們生活中具有清潔功能的掃地機(jī)器人，高端且具備自主導(dǎo)航及定位功能的清潔機(jī)器人產(chǎn)品大量地進(jìn)入人們的視野中。本文在人工智能、遠(yuǎn)程控制、智能駕駛及智能家居的理念下，設(shè)計(jì)一款簡(jiǎn)易的基于藍(lán)牙近距離控制的遙控清潔車。

1 原 理

生活中有一些危險(xiǎn)或者人無(wú)法到達(dá)的地方的清潔作業(yè)需求，利用目前發(fā)展完善的藍(lán)牙通信技術(shù)可實(shí)現(xiàn)手機(jī)遠(yuǎn)程遙控小車，從而實(shí)現(xiàn)上述特殊環(huán)境的清潔需求。加之當(dāng)下物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及遠(yuǎn)程通信技術(shù)快速發(fā)展，使用單片機(jī)作為主體設(shè)計(jì)各類功能的小車已經(jīng)逐漸普遍，技術(shù)也相對(duì)成熟，使得清潔車進(jìn)入越來(lái)越多的家里，從而成為人們?nèi)粘Ｉ钪斜夭豢缮俚募揖佑闷穂1]。

2 設(shè)計(jì)流程

2.1 清潔車設(shè)計(jì)思路

本文設(shè)計(jì)的智能清潔車通過(guò)手機(jī)遠(yuǎn)程控制小車的移動(dòng)，小車上搭載的吸塵模塊通過(guò)接收用戶發(fā)送的相關(guān)指令實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)區(qū)域的清潔。此外結(jié)合藍(lán)牙無(wú)線通信技術(shù)，用戶還能使所操控的清潔設(shè)備進(jìn)入到一些人們?cè)緹o(wú)法進(jìn)入的狹小地域進(jìn)行作業(yè)[2]。清潔車整體圖如圖1所示。

圖1 清潔車整體圖

2.2 清潔車的運(yùn)行流程

清潔車運(yùn)行流程是用戶通過(guò)APP Inventor 2在線平臺(tái)自主研發(fā)的手機(jī)APP與清潔車上的藍(lán)牙模塊相連接，利用用戶的手機(jī)藍(lán)牙端與清潔車上的藍(lán)牙客戶端匹配成功后，就可以實(shí)現(xiàn)用戶通過(guò)自制的手機(jī)APP遠(yuǎn)程控制清潔車的移動(dòng)并實(shí)現(xiàn)對(duì)清潔車上抽風(fēng)渦輪風(fēng)扇的實(shí)時(shí)控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)區(qū)域的清潔[3]。清潔車工作圖如圖2所示。

圖2 清潔車工作圖

2.3 清潔車硬件部分

本次的設(shè)計(jì)是以STC89C52單片機(jī)為中心控制系統(tǒng)，搭配藍(lán)牙模塊實(shí)現(xiàn)手機(jī)無(wú)線控制，電源模塊為整個(gè)系統(tǒng)提供動(dòng)力，車身上搭載有繼電器模塊控制車身上的抽風(fēng)渦輪風(fēng)扇的開(kāi)關(guān)功能，液晶顯示模塊顯示清潔車的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。利用HC-05藍(lán)牙芯片作為通信模塊，完成智能手機(jī)與遙控清潔車之間的通信，利用L298N驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)小車移動(dòng)。整個(gè)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)及清潔車抽風(fēng)渦輪俯視圖如圖3、圖4所示。

圖3 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

由圖3、圖4分析可知，清潔車通過(guò)車身上搭載的藍(lán)牙芯片接收用戶端發(fā)送來(lái)的控制信息，通過(guò)車身上的繼電器模塊控制抽風(fēng)渦輪風(fēng)扇的啟動(dòng)，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)區(qū)域的清潔作業(yè)任務(wù)。至于清潔車方位的移動(dòng)，通過(guò)清潔車主板上4個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)向邏輯組合實(shí)現(xiàn)[4]。

圖4 清潔車抽風(fēng)渦輪俯視圖

2.4 清潔車控制端APP的開(kāi)發(fā)

文中清潔車控制端APP通過(guò)APP Inventor 2網(wǎng)頁(yè)在線平臺(tái)開(kāi)發(fā)。APP Inventor 2是一個(gè)基于網(wǎng)頁(yè)、可在線進(jìn)行編輯、與各類外部硬件相互連接的Android程序開(kāi)發(fā)環(huán)境。使用APP Inventor 2開(kāi)發(fā)平臺(tái)基于代碼的邏輯組合排列，免去了用戶的專業(yè)知識(shí)開(kāi)發(fā)。APP Inventor 2網(wǎng)頁(yè)在線平臺(tái)開(kāi)發(fā)環(huán)境及APP功能實(shí)現(xiàn)界面截圖如圖5、圖6所示。

圖5 APP Inventor 2網(wǎng)頁(yè)在線平臺(tái)開(kāi)發(fā)環(huán)境

圖6 清潔車APP功能實(shí)現(xiàn)界面截圖

由圖5、圖6分析可知，APP要能與遙控清潔小車進(jìn)行藍(lán)牙連接及對(duì)目標(biāo)區(qū)域?qū)崿F(xiàn)作業(yè)的清潔任務(wù)，開(kāi)發(fā)的清潔車控制端APP界面就需要發(fā)送前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、停止、打開(kāi)清潔模塊等功能相應(yīng)的解析指令。

2.5 清潔車APP的后期處理

通過(guò)APP Inventor 2網(wǎng)頁(yè)客戶端編輯、編譯成功的APK文件，必須將其移植到相應(yīng)的安卓設(shè)備，才可實(shí)現(xiàn)對(duì)清潔車的遠(yuǎn)程操作。平臺(tái)調(diào)試完畢的APK文件下載及最終在智能手機(jī)設(shè)備中的運(yùn)行界面如圖7、圖8所示。

圖7 清潔車APK文件生成圖

圖8 清潔車APP控制界面圖

由圖7、圖8可知，開(kāi)發(fā)平臺(tái)生成完畢的APK文件，可以通過(guò)電腦端QQ、微信客戶端與移動(dòng)設(shè)備上安裝的QQ、微信同時(shí)在線，處于登錄狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)清潔車APK文件的在線傳輸、安裝[5]。

2.6 清潔車主控芯片代碼開(kāi)發(fā)

文中清潔車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息及車身抽風(fēng)渦輪開(kāi)啟狀態(tài)的改變是通過(guò)51單片機(jī)主控芯片代碼解析驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，機(jī)器人主控芯片代碼如圖9所示。51單片機(jī)主控芯片代碼通過(guò)PC端Kei軟件燒錄至清潔車主控芯片中，芯片開(kāi)發(fā)界面如圖10所示。

圖9 清潔車主控芯片代碼

圖10 清潔車主控芯片開(kāi)發(fā)界面

由圖9、圖10可知，由于文中智能清潔車需要的功能較為單一，常見(jiàn)的51系列的單片機(jī)即可實(shí)現(xiàn)文中實(shí)物對(duì)應(yīng)的作業(yè)需求。Keil軟件是51系列單片機(jī)進(jìn)行代碼編譯邏輯設(shè)計(jì)的開(kāi)發(fā)平臺(tái)軟件，所開(kāi)發(fā)的程序代碼經(jīng)過(guò)編輯、編譯生成可執(zhí)行的HEX文件。單片機(jī)主控芯片通過(guò)特定的燒錄軟件燒錄HEX文件后，經(jīng)過(guò)解析，通過(guò)車身上的L298N驅(qū)動(dòng)模塊可以驅(qū)動(dòng)小車進(jìn)行相應(yīng)的方位移動(dòng)功能。通過(guò)對(duì)繼電器進(jìn)行相應(yīng)的開(kāi)啟和關(guān)閉操作實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)區(qū)域上的清潔吸塵作業(yè)任務(wù)[6-7]。

2.7 總結(jié)

在智能家居的技術(shù)理念下，文中清潔車結(jié)合了手機(jī)APP編程技術(shù)、近距離藍(lán)牙通信技術(shù)、智能車技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)設(shè)計(jì)了一款簡(jiǎn)易的手機(jī)遙控清潔車。本文設(shè)計(jì)的清潔車使得實(shí)現(xiàn)原本一些危險(xiǎn)或者人們無(wú)法到達(dá)區(qū)域的清潔作業(yè)得以完成，使人們遠(yuǎn)離危險(xiǎn)，還使得人們?cè)趯?duì)目標(biāo)區(qū)域清潔之余體驗(yàn)一把操控駕駛小車的樂(lè)趣。但是基于文中智能車主控芯片功能單一、藍(lán)牙通信距離有限、清潔車車身沒(méi)有搭配攝像頭、實(shí)時(shí)圖像信息無(wú)法回傳至用戶等原因使得文中設(shè)計(jì)的清潔車目前僅僅能工作在人眼的視線范圍內(nèi)，對(duì)于人眼視線范圍之外的區(qū)域清潔作業(yè)，在當(dāng)下現(xiàn)有的條件下，還是存在一定的困難[8-9]。

2.8 拓展方向

文中清潔小車已基本可實(shí)現(xiàn)用戶通過(guò)智能手機(jī)以及藍(lán)牙通信的方式對(duì)目標(biāo)區(qū)域的清潔任務(wù)，但由于藍(lán)牙通信距離有限，未來(lái)嘗試一方面將清潔車藍(lán)牙通信更改為WiFi通信，延伸清潔小車的無(wú)線控制距離，同時(shí)在清潔車車身主板上增加機(jī)械臂功能，用戶可以遠(yuǎn)程控制車身上抽風(fēng)渦輪風(fēng)扇的方向，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)區(qū)域不同方位的清潔任務(wù)。另一方面未來(lái)清潔車通信方式改為WiFi通信后，結(jié)合機(jī)器視覺(jué)的知識(shí)，嘗試在清潔車主體增加WiFi視頻圖像回傳模塊，實(shí)現(xiàn)用戶對(duì)遠(yuǎn)程區(qū)域清潔任務(wù)的及時(shí)了解。此外當(dāng)下車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的興起，如何實(shí)現(xiàn)多平臺(tái)對(duì)清潔車的在線控制及清潔車無(wú)人駕駛的數(shù)據(jù)信息分享，也將是文中智能清潔車的研究發(fā)展方向[10]。

由前文可知，文中清潔小車由于藍(lán)牙近距離通信的原因，僅僅工作在近距離人眼視線范圍之內(nèi)，當(dāng)清潔車處于人眼視線范圍之外，除了前文分析智能清潔車所需要的機(jī)器視覺(jué)、機(jī)械臂、WiFi通信等相關(guān)技術(shù)，參考當(dāng)下比較流行的智能機(jī)器人在未知環(huán)境下的自主建圖導(dǎo)航技術(shù)。如何實(shí)現(xiàn)智能清潔車在未知環(huán)境下的自主定位及地圖構(gòu)建，也將是文中清潔車未來(lái)的研究重點(diǎn)。

3 結(jié) 語(yǔ)

文中設(shè)計(jì)的手機(jī)遙控清潔車在現(xiàn)實(shí)的生活中有一定的應(yīng)用價(jià)值，例如在一些特殊的場(chǎng)合（如在狹小地帶、水溝內(nèi)或房屋的縫隙中），人們無(wú)法正常進(jìn)入完成打掃清潔的地方或是房屋樓頂與陽(yáng)臺(tái)邊緣等危險(xiǎn)地帶的清潔工作，就可以利用具有遙控功能的清潔小車來(lái)完成清潔工作。當(dāng)下隨著大數(shù)據(jù)、車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、智能家居技術(shù)的飛速發(fā)展，以及智能手機(jī)技術(shù)的成熟，手機(jī)遙控清潔車將會(huì)在未來(lái)人們的日常生活中起到更普遍的作用。