姚妍利 東南大學藝術學院

1 EMPU的技術理論和應用背景

嵌入式微處理（EMPU）技術，是以應用為目的，以計算機技術為基礎，且軟硬件可裁剪，適用于系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。它是一種與通用處理器不同的嵌入式處理器，大多可在特定用戶群設計的系統(tǒng)中工作，通過代碼實現對主板上的硬件設備的控制。嵌入式微處理器有著不同的體系，一般根據具體應用選擇適用的嵌入式微處理器。其中，主流的體系有ARM、MIPS、PowerPC、X86 和SH等。隨著科學技術的發(fā)展，EMPU已經被越來越多智能化概念的產品設計所應用，走進千家萬戶，方便越來越多的使用者。

2000年左右，我國開始推廣智能家居產品，雖然智能家居的技術研究起步較晚，但隨著智能家居技術的成熟和市場的不斷完善，如何將信息產業(yè)的最新研究成果應用在智能掃地機器人設計中，引起人們的廣泛關注。嵌入式微處理技術的廣泛性及其巨大的市場需求，成為設計師思考的重要議題。智能掃地機器人設計理念的宗旨就是體現并滿足用戶的需求，而嵌入式微處理器系統(tǒng)以其處理能力強、可靠性高、體積小、功耗低、成本低、保密性好等眾多優(yōu)點，受到消費者的親睞，具有廣闊的市場前景。文章基于EMPU 技術理論淺析市場上已有智能掃地機器人案例，最終得出智能化清潔機器人的評估結果。

2 基于EMPU智能掃地機器人創(chuàng)新設計總體框架

EMPU 技術提供一種實現嵌入式應用的功能系統(tǒng)。在不同學科交叉融合發(fā)展的今天，經過市場不斷變遷和發(fā)展，作為現代化數字信息產品的核心引擎，嵌入式微處理器在智能掃地機器人中占據了重要的地位。隨著物聯網潮流的來襲，市場需要低功耗、高性能的嵌入式微處理器平臺，以適應大量智能產品的應用。嵌入式微處理器的典型代表是單片機，芯片內部集成ROM/EPROM、RAM、總線、總線邏輯、計數器、I/O、串行口、脈寬調制輸出、A/D、D/A、Flash RAM、EEPROM等各種必要功能和外設。其具有單片化、體積小的特點，從而降低功耗和材料成本，提高可靠性，且芯片上外設資源較豐富，適合于控制，是目前嵌入式系統(tǒng)工業(yè)的主流。其主要類型有8051、AVR、PIC等常用單片機，支持眾多MCU和兼容系列，從而有利于工業(yè)產品設計人員應用于實踐工作。

試驗提出了一種系統(tǒng)性的創(chuàng)新設計方法：對市場上現有的智能掃地機器人設計進行調研，分析智能產品設計中已應用EMPU技術事例的概況，定義產品并進行設計和分析，提出了一組改進方案，然后進行方案評估，得到最優(yōu)方案，實現對已有產品的改進和升級換代?；贓MPU技術理論的產品創(chuàng)新設計流程如圖1所示。

圖1 基于EMPU智能掃地機器人設計框架

為探究最新成果，首先對已有產品進行技術功能分析，從智能掃地機器人的總功能開始，逐層分解，確定系統(tǒng)子功能，構建產品的功能模型。然后根據功能模型中存在的問題確定問題類型，運用EMPU技術實現遠程數據的采集，并通過無線方式可靠地傳送到主機，從而實現智能產品的運用。應用EMPU 對智能掃地機器人進行設計和創(chuàng)新，得到符合實際情況的最優(yōu)產品設計。在基于EMPU技術的產品創(chuàng)新分析框架指導下，整個創(chuàng)新產品設計過程變得更高效、更前沿，如何運用嵌入式微處理技術于智能掃地機器人設計中也將一目了然。

3 智能掃地機器人中EMPU前期調研和分析

3.1 前期產品調研

對市場上現有的掃地機器人產品進行前期調研和分析。首先，分析掃地機器人底盤操控的基本結構功能（如圖2所示），選取楊子VZ-X2手推式地面擦地機、科沃斯T5pro掃地機器人和美的掃地機器人VR05F5-TY 等進行簡單的可用性測試，并在其式樣、性能、智能化、是否運用嵌入式微處理技術方面進行比較（如表1所示）。其次，傾聽工程技術人員的想法，達到協(xié)同設計的要求，并進行問卷調查。最后，從符合人們日常使用行為習慣、模塊化設計、產品功能可轉換、多功能設計和感性工學等方面展開調查，并從人機工程學的角度，結合EMPU技術發(fā)展創(chuàng)新的基礎評估現有的智能掃地機器人設計。

圖2 掃地機器人底盤操控分析

表1 市場現有掃地機器人調研

通過查閱文獻以及和工程技術人員溝通得出：市場上現有家居智能產品對EMPU技術的應用主要是以實現遠程數據的傳輸。這種傳輸系統(tǒng)一般包括主機和從機兩個主要部分的串行數據的無線傳輸系統(tǒng)。通過設計師與通信類工程技術人員的協(xié)同試驗，掃地智能機器人的實驗軟件設計核心選取PTR8000的編程配置和嵌入式微處理器S3C2410X串行口控制器的編程配置，其中從機部分主要實現遠程數據的采集，并通過無線的方式將從機終端輸入的數據可靠地傳送到主機超級終端上。S3C2410X串行口控制器的編程配置流程圖如圖3所示。

圖3 S3C2410X串行口控制器的編程配置流程圖

3.2 產品分析和EMPU的設計運用

產品分析主要通過研究EMPU技術的介入對家居掃地機器人設計的影響，調研出相應的技術理論對產品的再設計和創(chuàng)新。結合可持續(xù)設計的產品使用性設計策略，利用EMPU技術以使家居智能產品設計更加符合用戶的日常使用習慣，改進使用產品時的不便：（1）在掃地機器人試驗中引用模塊化設計對EMPU技術進行合理的運用，根據用戶使用情況考慮產品功能的轉換，提高產品使用價值；（2）追求可變的使用形態(tài)，適應產品使用場景；（3）聯系感性工學，關懷用戶使用情感；（4）符合認知習慣，提高產品的易用性；（5）從人機工程學的角度確保產品的可用性，從而對家居智能產品的設計進行功能分析和引導，使運用EMPU 技術的機器人產品更符合人機工程學的原理，解決消費者遇到的問題并提高智能掃地機器人的易用性，多方面滿足消費者的需求，在為人的設計中做到設身處境的思考。

嵌入式處理器針對用戶的具體需求，對芯片配置進行裁剪和添加，達到理想的性能。由于將嵌入式系統(tǒng)和具體應用有機地結合在一起，它的升級換代和具體產品同步進行，EMPU處理器的功耗、體積、成本、可靠性、速度、處理能力和電磁兼容性等方面均受到應用要求的制約。因此，產品一旦進入市場，具有較長的生命周期。同時，它具有市場前景廣闊、低成本、高利潤的特點，可靠性強，其系統(tǒng)的運用遠遠超過了各種通用計算機，可應用于制造工業(yè)、過程控制、通訊、儀器儀表、汽車船舶、航空航天、軍事裝備、消費產品等領域。現在市面上有許多經典產品，如CISCO的路由器、華為、中興的以太網交換機、So?ny的機器狗AIBO等。所有的硬件和軟件都必須高效率地設計，力爭在同樣的硅片面積上實現更高的性能，這樣才能在推廣應用時具有更強的市場競爭力。

4 EMPU在智能掃地機器人中的應用案例分析

4.1 案例描述

筆者和工程技術人員在對市場上現有運用EMPU 技術的產品進行簡單的可行性和分析的同時，對智能掃地機器人涉及到的嵌入式系統(tǒng)處理器也進行了的方案創(chuàng)新評估和案例分析。通過前期調查和產品技術分析，探究了EMPU對智能掃地機器人設計的技術指導，從而得出EMPU技術對產品具有智能性、易用性，符合消費者的行為認知習慣等特征。以家居智能掃地機器人為例，實施智能掃地機器人的產品設計方案，其概念思維如圖4所示。

圖4 概念思維

4.2 方案展示

根據前期調研和功能分析得出的問題和EMPU技術指導，以家居掃地智能機器人作為案例分析。研究其收發(fā)信號和軌跡行駛功能，運用EMPU 技術控制掃地機器人，同時應用藍牙無線技術使上位機和下位機相連，掃地機器人機身為自動化技術的可移動裝置，配置有集塵盒的真空吸塵裝置，配合機身設定控制路徑，在室內反復行走，執(zhí)行如下指令沿邊清掃、集中清掃、隨機清掃、直線清掃等。輔以邊刷、中央主刷旋轉、抹布等方式，加強打掃效果，完成擬人化居家清潔效果。

圖5 掃地機器人試驗場景

4.3 方案測試材料

主要方案測試試驗材料如圖6所示，該試驗在調查市場上各大智能家居掃地機品牌（如科沃斯、聯想、西門子、美的、A·O史密斯等）的現有功能和材料可用性之后，將主要控制核心賦予stc-at89c51 單片機上。在試測試試驗中，以行走裝置作為下位機，智能手機或遙控機作為上位機，上、下位機系統(tǒng)交互之間運用藍牙無線技術進行連接，主要使用HC-06 的宏晶藍牙模塊和遙控器通信（具體原理如圖7所示）。由上位機發(fā)送指令控制下位機移動，由此實現其智能移動的功能。

圖6 本文掃地機器人試驗材料

圖7 試驗測試原理

為使本次試驗中掃地機器人正常工作，根據相關材料為試驗硬件電路編寫可運行的程序。首先要保證機器人底盤能按作者的意圖正常工作。在設計程序過程中需要考慮系統(tǒng)的容錯能力和恢復能力，減少系統(tǒng)異常、死機等特殊情況的發(fā)生；考慮程序運行速度、響應速度等指標，保證加入EMPU 嵌入式技術時打開藍牙設備遙控器與機器人設備能夠進行迅速響應。掃地機器人底盤避障設置上使用E18－D80NK 紅外避障傳感器，模塊內部分別有紅外發(fā)射頭和紅外接收頭。當機器工作時，發(fā)射端發(fā)出一定頻率的光線，若前方有障礙物，光線則會相應呈現出反射面，這時紅外接收端收到來自發(fā)射端的信號，經整流、放大后，解調輸出。這種形式使得傳感器集發(fā)射和接收為一體，抗干擾能力強，時間快、距離遠、穩(wěn)定可靠（工作原理如圖9、10所示）。

圖8 嵌入式系統(tǒng)接收信息避障原理圖

圖10 嵌入式系統(tǒng)接收信息和發(fā)射信息示意圖

在創(chuàng)新評估環(huán)節(jié)，試驗人員再次對智能家居掃地機器人進行使用操作，并通過訪談、觀察和問卷調查來進行評估（如圖11、圖12 所示）。評估角度包括操作方便性等是否符合人機工程學使用行為特性、可遠程控制和消費者喜愛程度的設計調查、產品功能的可轉換性、多功能的設計特征、關懷不同年齡段用戶使用情感的感性工學理論特征、符合用戶認知習慣的特征、人機工學形態(tài)規(guī)范等。通過與傳統(tǒng)家居清掃工具的對比，發(fā)現智能家居掃地機更具有易用性和可持續(xù)設計理念的使用性設計標準。從使用者角度，家居智能產品給居家人員帶來了更多的便利，解決了居家過程中方方面面的不便，減輕了消費者的勞動力負擔，讓人們能夠更好地享受輕松和愉悅。從行業(yè)角度來看，運用EMPU 技術的智能家居掃地機器人產品更符合市場的需求，提高了產品設計師的創(chuàng)新能力和工作效率，體現了企業(yè)的品牌專業(yè)性對消費者的人性化關懷，促進了整個工業(yè)產品設計行業(yè)的蓬勃發(fā)展。從市場角度來看，國內的智能掃地機器人的消費市場需求龐大且在不斷增長，家居智能產品的設計不但順應市場，而且能解決具體的家庭生活問題，將來必受到市場的熱捧。從可持續(xù)發(fā)展的角度來看，基于EMPU技術的家居智能產品的設計順應了時代發(fā)展的角度，提高了工作效率，其技術理論具有節(jié)能環(huán)保的功能，這讓基于EMPU技術的家居智能產品具有可持續(xù)性。

圖12 使用情景

5 結語

文章分析了EMPU的技術理論和應用背景，對市場上已有智能掃地機器人的總體框架進行了總結歸納。經過實際調研和試驗，親自體為今后的研究和推廣提出了有益的示范模式?；贓MPU技術的家居智能掃地機的更符合人們的使用習慣，體現了產品易用性和靈活性的特點。由于嵌入式系統(tǒng)技術應用范圍的廣泛性和巨大的市場需求，EMPU技術在家居產品設計中的應用將是人們研究的重要議題。