付三麗，陳 鑫，黃恒一

（三亞學院，海南 三亞 572022）

0 引 言

近年來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器人，高端且具備自主導航及定位功能的清潔機器人產(chǎn)品大量地進入人們的視野中。本文在人工智能、遠程控制、智能駕駛及智能家居的理念下，設(shè)計一款簡易的基于藍牙近距離控制的遙控清潔車。

1 原 理

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

2 設(shè)計流程

2.1 清潔車設(shè)計思路

本文設(shè)計的智能清潔車通過手機遠程控制小車的移動，小車上搭載的吸塵模塊通過接收用戶發(fā)送的相關(guān)指令實現(xiàn)對目標區(qū)域的清潔。此外結(jié)合藍牙無線通信技術(shù)，用戶還能使所操控的清潔設(shè)備進入到一些人們原本無法進入的狹小地域進行作業(yè)[2]。清潔車整體圖如圖1所示。

圖1 清潔車整體圖

2.2 清潔車的運行流程

清潔車運行流程是用戶通過APP Inventor 2在線平臺自主研發(fā)的手機APP與清潔車上的藍牙模塊相連接，利用用戶的手機藍牙端與清潔車上的藍牙客戶端匹配成功后，就可以實現(xiàn)用戶通過自制的手機APP遠程控制清潔車的移動并實現(xiàn)對清潔車上抽風渦輪風扇的實時控制，實現(xiàn)對目標區(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)計是以STC89C52單片機為中心控制系統(tǒng)，搭配藍牙模塊實現(xiàn)手機無線控制，電源模塊為整個系統(tǒng)提供動力，車身上搭載有繼電器模塊控制車身上的抽風渦輪風扇的開關(guān)功能，液晶顯示模塊顯示清潔車的運動狀態(tài)。利用HC-05藍牙芯片作為通信模塊，完成智能手機與遙控清潔車之間的通信，利用L298N驅(qū)動模塊驅(qū)動小車移動。整個系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)及清潔車抽風渦輪俯視圖如圖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，清潔車通過車身上搭載的藍牙芯片接收用戶端發(fā)送來的控制信息，通過車身上的繼電器模塊控制抽風渦輪風扇的啟動，實現(xiàn)目標區(qū)域的清潔作業(yè)任務。至于清潔車方位的移動，通過清潔車主板上4個電機的轉(zhuǎn)向邏輯組合實現(xiàn)[4]。

圖4 清潔車抽風渦輪俯視圖

2.4 清潔車控制端APP的開發(fā)

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

圖5 APP Inventor 2網(wǎng)頁在線平臺開發(fā)環(huán)境

圖6 清潔車APP功能實現(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行藍牙連接及對目標區(qū)域?qū)崿F(xiàn)作業(yè)的清潔任務，開發(fā)的清潔車控制端APP界面就需要發(fā)送前進、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、停止、打開清潔模塊等功能相應的解析指令。

2.5 清潔車APP的后期處理

通過APP Inventor 2網(wǎng)頁客戶端編輯、編譯成功的APK文件，必須將其移植到相應的安卓設(shè)備，才可實現(xiàn)對清潔車的遠程操作。平臺調(diào)試完畢的APK文件下載及最終在智能手機設(shè)備中的運行界面如圖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，開發(fā)平臺生成完畢的APK文件，可以通過電腦端QQ、微信客戶端與移動設(shè)備上安裝的QQ、微信同時在線，處于登錄狀態(tài)，實現(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發(fā)

文中清潔車運動狀態(tài)信息及車身抽風渦輪開啟狀態(tài)的改變是通過51單片機主控芯片代碼解析驅(qū)動實現(xiàn)，機器人主控芯片代碼如圖9所示。51單片機主控芯片代碼通過PC端Kei軟件燒錄至清潔車主控芯片中，芯片開發(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，常見的51系列的單片機即可實現(xiàn)文中實物對應的作業(yè)需求。Keil軟件是51系列單片機進行代碼編譯邏輯設(shè)計的開發(fā)平臺軟件，所開發(fā)的程序代碼經(jīng)過編輯、編譯生成可執(zhí)行的HEX文件。單片機主控芯片通過特定的燒錄軟件燒錄HEX文件后，經(jīng)過解析，通過車身上的L298N驅(qū)動模塊可以驅(qū)動小車進行相應的方位移動功能。通過對繼電器進行相應的開啟和關(guān)閉操作實現(xiàn)對目標區(qū)域上的清潔吸塵作業(yè)任務[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APP編程技術(shù)、近距離藍牙通信技術(shù)、智能車技術(shù)、單片機技術(shù)設(shè)計了一款簡易的手機遙控清潔車。本文設(shè)計的清潔車使得實現(xiàn)原本一些危險或者人們無法到達區(qū)域的清潔作業(yè)得以完成，使人們遠離危險，還使得人們在對目標區(qū)域清潔之余體驗一把操控駕駛小車的樂趣。但是基于文中智能車主控芯片功能單一、藍牙通信距離有限、清潔車車身沒有搭配攝像頭、實時圖像信息無法回傳至用戶等原因使得文中設(shè)計的清潔車目前僅僅能工作在人眼的視線范圍內(nèi)，對于人眼視線范圍之外的區(qū)域清潔作業(yè)，在當下現(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現(xiàn)用戶通過智能手機以及藍牙通信的方式對目標區(qū)域的清潔任務，但由于藍牙通信距離有限，未來嘗試一方面將清潔車藍牙通信更改為WiFi通信，延伸清潔小車的無線控制距離，同時在清潔車車身主板上增加機械臂功能，用戶可以遠程控制車身上抽風渦輪風扇的方向，實現(xiàn)對目標區(qū)域不同方位的清潔任務。另一方面未來清潔車通信方式改為WiFi通信后，結(jié)合機器視覺的知識，嘗試在清潔車主體增加WiFi視頻圖像回傳模塊，實現(xiàn)用戶對遠程區(qū)域清潔任務的及時了解。此外當下車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的興起，如何實現(xiàn)多平臺對清潔車的在線控制及清潔車無人駕駛的數(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器視覺、機械臂、WiFi通信等相關(guān)技術(shù)，參考當下比較流行的智能機器人在未知環(huán)境下的自主建圖導航技術(shù)。如何實現(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的研究重點。

3 結(jié) 語

文中設(shè)計的手機遙控清潔車在現(xiàn)實的生活中有一定的應用價值，例如在一些特殊的場合（如在狹小地帶、水溝內(nèi)或房屋的縫隙中），人們無法正常進入完成打掃清潔的地方或是房屋樓頂與陽臺邊緣等危險地帶的清潔工作，就可以利用具有遙控功能的清潔小車來完成清潔工作。當下隨著大數(shù)據(jù)、車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、智能家居技術(shù)的飛速發(fā)展，以及智能手機技術(shù)的成熟，手機遙控清潔車將會在未來人們的日常生活中起到更普遍的作用。