基于e家庭的多功能機器人

白金朋 牛棟鑫 張婧睿 于可

摘要：論述了基于e家庭的多功能機器人的設計與方案，多功能機器人以掃地吸塵為主要功能，家庭巡檢，空氣加濕，煤氣報警，火災報警等為輔助功能。通過設計多種方案并對比，采用Arduino Mega2560作為主控開發板，與超聲波，esp8266等傳感器相連，實現局域網內通過手機軟件控制機器人的功能。

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.

關鍵詞：多功能機器人;開發板;傳感器;家庭局域網;移動服務端

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

中圖分類號：TP242.6 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2019）14-0140-04

0 ?引言

設計基于e家庭的多功能機器人的目的是實現多功能一體化家居機器人的同時，方便用戶對其控制。Arduino開發板的編程簡單直觀，可開發性強，信號控制穩定等特點在多功能機器人中得到了充分的體現。機器人基于多種傳感模塊實現運動避障及多功能服務等基本用途，同時基于esp8266模塊與家庭wifi局域網連接，實現近百米內移動服務端控制，服務端平臺采用Android Studio開發，安卓系統用戶可于服務端通過服務端號與機器人網絡連接，對機器人全部功能實現控制。設計中難點在于如何編寫簡潔實用的服務端平臺，如何使機器人實現自動全方位清掃，還有機器人主體結構，材料，外觀等細節的方案選擇等。

1 ?主控芯片及主要結構分析

選擇智能家居機器人時，大部分消費者更偏重的是以更低廉的價格買到功能相似的產品，而此項目的目的也是在創造機器人的同時使其商業化，所以在選擇材料上也是進行了優勝劣汰，尤其是機器人芯片的選擇。在方案一中，我們選擇了Arduino UNO開發板，方案二中選擇了STM32開發板，并通過以下三個方面進行了對比：

價格方面：STM32的市場價格在300到400人民幣之間，而Arduino UNO開發板的市場價在50到150人民幣之間，因此Arduino開發板能夠更好的降低機器人產品的成本。

性能方面：Arduino是一個帶有avr單片機的驗證系統板，而STM32板是一種arm內核單片機，是一個芯片，因此STM32板相對于Arduino性能較好。

開發方面：STM32開發板開發，需要從硬件底層開始開發，需要掌握各種細節知識，Arduino UNO更傾向于創新，弱化具體硬件操作。

而在此項目開發過程中，主要以創新創業為目標，經濟支持有限，對開發板性能要求不高，可開發性要求較高，因此綜上所述，選擇Arduino開發板作為主控芯片較為合適。

該項目產品主要結構為：移動端應用和開發板通過wifi模塊和家庭局域網實現互聯，后開發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，火焰傳感器，加濕器等，以實現預期目的。整體結構示意圖如圖1所示。

2 ?運動傳感及運動

機器人運動控制整個系統具體功能為：通過測距手段測量機器人與障礙物距離，從而控制機器人行進方向，以達到自動行進及巡檢的目的。而測距手段主要為兩類，紅外測距與超聲波測距。

超聲波測距中，可以使用HC-SR04超聲波傳感器，發射和接收的超聲波信號頻率約為40kHz，長度約為6mm，可使具有壓電效應的換能器產生較小的電壓信號，通過變聲脈沖回波渡越時間法，計算出當前位置與障礙物相距距離，從而實現測距目的。

設被測試距離為d，信號發出端發出信號與信號接收端接收信號時間間隔為t，傳播速度v，則：

d=t×v÷2

而紅外線測距中，主要原理為三角測量原理，最終可通過幾何公式求出距離d。公式中，測試距離較小時，偏移值L較大，超過測量范圍。即，當障礙物距離機器人距離過小，將無法探測障礙物。

通過對比可得，紅外線測距反應靈敏，性能較好，但測量距離較長;超聲波測距測量范圍廣，輸出方式豐富，價格實惠，但測距值受溫度和風向干擾。在家庭環境中，超聲波模塊具有較大優勢。

機器人運動由兩枚L298N驅動模塊驅動四枚3-6V電機帶動，開發板對esp8266模塊和超聲波測距模塊的輸入數據進行解析，再將解析所得指令發送至驅動模塊內，實現機器人行進方向控制。

根據超聲波傳感器判斷運動方向的程序如下：

if （S<10） ? ? ? ? ?//判斷障礙物距離，距離太近

{back（）; ? ? ? ? ? //后退

delay（300）; ? ? ? ?//后退時間

}

if（S<=40&&S>10） ? ?//距離中等

{L（）; ? ? ? ? ? ? ?//運行轉向判斷函數

}

If（S>40） ? ? ? ? ? //距離充足

{line（）; ? ? ? ? ? //運行直行函數

}

3 ?機械結構設計

3.1 設計過程

首先繪制主體結構的三維圖紙，根據需要的數據進行電機和其他所需購買零件的選型，并選取連接所需的螺釘螺母及銅柱。

其次導出上下底板的二維加工.dxf圖紙;將需要打印的部件導出為.stl文件，拷貝到3D打印機中進行打印;再將dxf文件考入控制數控銑床的計算機，通過加工軟件導出為銑床能夠識別的加工路徑;

最后打開數控銑床，加工環氧板獲得上下底板;將加工獲得的部件與購買的各個零件組裝起來。

底板圖紙如圖2。

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

3.2 材料選擇

①主體結構上下底板及支撐結構選用環氧板做結構材料，主要考慮環氧板易于獲得，強度較高，價格實惠。

②儲塵倉及吸塵口采用PLA材料3D而成。主要考慮結構較復雜，用去除材料方法獲得難度較大。

4 ?各輔助功能實現

4.1 溫濕度檢測

溫濕度是家庭環境的重要指標，家庭多功能機器人理應具備溫濕度監測能力，該項目中溫濕度傳感采用AM2302溫濕度模塊，傳感器采用DHT11，可以測量周圍溫濕度，溫度測量誤差±2個百分點，濕度測量范圍為百分之0～99.9（0～50度范圍），工作電壓3.3到5V，為數字輸出形式。

濕敏電容數字溫濕度傳感器應用數字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，產品具有較高的可靠性和長期的穩定性。因此其體積小，功耗低，抗干擾能力強，測量值準確等顯著優點。

引腳表如表1。

下面給出溫濕度傳感器應用主要程序：

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

煤氣泄漏可以導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，該項目中機器人配備的煤氣檢測裝置采用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，其在空氣中電導率較低。當機器人行駛至煤氣煤氣泄漏范圍內時，室內氣體中二氧化錫濃度有所提高，傳感器中電導率也隨之增大。通過制定電路可使電導率轉化為與該氣體濃度相對應的輸出信號。該款傳感器優勢在于可檢測氣體種類較多，成本低，響應迅速，壽命長等。

其中四個引腳分別為正極5V，負極5V，DO輸出，AO輸出。

下面給出火焰傳感器應用主要程序：

Void main（）

{ while（1） //無限循環

{LED=1; //熄滅p1.0口燈

if（DOUT=0）

{ Delay（）;延時抗干擾

if（DOUT=0）

{ LED=0;點亮p1.0口燈

} } } }

4.3 火焰檢測

火災是威脅家庭的嚴重隱患之一，因此家庭機器人的應用中，火焰檢測功能是必不可少的。火焰檢測可以使用火焰傳感器模塊，火焰或波長在約750至1000納米范圍內的光源均可以被該模塊可以檢測，其中檢測結果與多種因素有關，如火焰增大，傳感器距火焰最遠距離也有所增長，火焰傳感器信號清晰，波形明確，其工作電壓在3.3到5V。

引腳表如表2。

下面給出火焰傳感器應用主要程序：

void loop（）

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

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

{analogWrite（8，1000）; ?//將火焰傳感器的門限值設為i=120（可以根據需要自調）

analogWrite（9，255）;

delay（500）;

analogWrite（8，500）;

analogWrite（9，100）;

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

Serial.println（i）;

}

Else ? ? ? ? ? ? ? ? //未滿足火焰傳感器門限值

{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）; ? ? ? ? //監視器查看數值

} }

5 ?移動服務端設計

軟件名稱為Netty，主界面左上角標顯示軟件名稱，共分為兩個模式，分別為“客戶端”和“服務端”模式，客戶端上側可輸入IP地址并連接，輸入格式例如：192.168.1.100：5566，下側可輸入字符串指令并發送;服務端左上側可輸入要連接的服務器端口號并創建服務端進行連接，右下側可輸入字符串指令并發送。實際應用中，對機器人的控制需通過“服務端”模式發送指令，過程為在創建服務端輸入框內輸入要連接的服務器端口號并創建服務端進行連接，連接成功后，在APP界面右側的發送指令框內輸入字符串并發送，即可對Arduino開發板進行控制，從而對機器人進行控制，其中要求輸入字符串與開發板程序中控制字符相同。

該項目中，安卓軟件的開發工具為Android Studio，該開發環境易于操作，開發方便，可以實現的功能較為齊全，符合本項目需求。

基于Android Studio的部分關鍵設計步驟為：

①在Android Studio軟件中新建項目，命名為Netty。

②添加一個異步處理類，使手機端可以連接到Esp8266的IP和端口號。

③在項目中建立手機端作為接受Esp8266發送的消息服務器。

④編寫布局文件，實現對該項目的頁面設計。

6 ?通信協議的設置

6.1 實現方案

esp8266連接到Arduino UNO串口，移動端安裝APP，輸入服務端口號，創建服務端，即通過家庭局域網連接實現互聯，最后通過APP發送指令，由esp8266模塊接收并發送至Arduino開發板，Arduino處理指令，控制電機和各傳感器模塊工作，以實現多功能機器人基本工作功能。

6.2 硬件搭建平臺

Esp8266-01+USB轉TTL串口模塊

連接方式為

esp8266-01 ---------- u轉串

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

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

CH_PD--------3.3

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

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

6.3 esp8266模塊AP指令設置

esp8266支持三種配置模式，分別為station，AP，station+AP。即該模塊可以當成一個設備連接網絡的路由，也可以設置成為一個路由被連接，還可以既作為網絡中的設備同時又是其他設備的路由。

此次項目開發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而建立Wifi網絡，提供給其他Station模式的手機端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，這樣便可通過串口調試助手做好基本配置，然后其他配置通過arduino開發版繼續配置。

esp8266模塊AP指令調試如下：

AT+RST（重新啟動模塊）;

AT+CWMODE=2（設置AP模式）;

AT+CWSAP=“wifi”，“2333”，1，3（配置AP參數）;

AT+CIFSR（查看模塊IP地址命令）;

下面給出ardunio調制部分關鍵程序：

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

mySerial.println（"AT+CIPSERVER=1，8080"）; ?//開啟服務器模式 ? ?8080為端口號，手機連接時會用到

void loop（） {char buf[100];

int leng = ReceiveWifiMessage（buf）;//讀取串口緩沖區中的數據

if（leng>0）{

if（strcmp（buf， GO） == 0）{

Serial.println（"go"）;

//前進

go（）;

}else if（strcmp（buf， BACK） == 0）{

Serial.println（"back"）;

//后退

back（）;

}else if（strcmp（buf， LEFT） == 0）{

//左轉

Serial.println（"left"）;

turnLeft（）;

}else if（strcmp（buf， RIGHT） == 0）{

//右轉

Serial.println（"right"）;

turnRight（）;

}else if（strcmp（buf， STOP） == 0）{

//停車

Serial.println（"stop"）;

stopCar（）; }}}

7 ?結束語

隨著物聯網技術的發展，電器設備趨于智能化，智能系統正在改變著我們的生活，所以在不遠的將來智能家居會慢慢的普及每個家庭，讓我們感受到科技給我們帶來的方便與舒適。

本項目設計的基于e家庭的多功能機器人創新性的將智能家居技術與機器人技術聯系到一起，能夠更加省時、省力，便于控制。集家庭巡檢、智能掃地、吸塵工具、空氣加濕、煤氣報警、火災報警等功能為一體;不需要人為控制可以實現自動避障，防止智能多功能機器人在工作過程中因碰撞而損壞;可凈化室內空氣，內置活性炭過濾層，以起到對空氣中雜質的吸附作用，對粉塵的凈化和清掃效率極高;帶有空氣加濕系統，對室內環境濕度進行實時監測，當環境濕度低于閥值時，空氣加濕裝置開始工作;輕便小巧，結構簡單，便于日常清理維護;通過智能家居系統與手機連接，并且帶有自動報警功能，能夠通過WiFi傳到使用者手機，告知使用者多功能機器人的狀態;具有定時功能，避免因遺忘造成長時間工作，從而導致的機器人損壞和浪費。

總之，該智能清掃機器人同時具備了多種機器人的優點，操作簡單，使用方便、智能、安全、清潔效果顯著，價格實惠，適合轉化成果，應用至生活。

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