胡 偉，韓震宇

（四川大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610065）

家具為家居環(huán)境中的重要組成部分，隨著智能家居的日益興起，傳統(tǒng)的家具形象和功能已不能滿足智能化時代的需求[1]。早在2012 年，智能家居便被列入“十二五”規(guī)劃的九大產(chǎn)業(yè)，被工信部、發(fā)改委和科技部列為未來中國高新技術(shù)發(fā)展領(lǐng)域的重點方向之一[2]。

當(dāng)前的智能家居產(chǎn)品，大多是將語音控制、遠(yuǎn)程控制及自主調(diào)節(jié)等控制手段巧妙融入到家具產(chǎn)品中，使之具有自適應(yīng)、自感應(yīng)、智能化和多功能化等特點[3]，豐富了家具單品的控制方式。但是在如今高房價的居家環(huán)境中，單純拓展家具的控制方式已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。在豐富控制方式的同時，房屋空間大小也顯得尤為重要。因此當(dāng)某種家具不再被使用時，人們希望其能夠自動移動到某個角落，改變其所處的空間位置，使有限的房屋空間被高效利用。

針對以上問題，本文設(shè)計了一種可以承載柜體（該系統(tǒng)中為衣柜）的移動底盤，該部件賦予傳統(tǒng)衣柜移動的能力，使其可以沿著特定方向進(jìn)行平移，以實現(xiàn)空間的分時復(fù)用，提高空間的使用效率，且布局靈活可變。這將是滿足人們美好生活需求的一類重要智能產(chǎn)品, 也是未來家具產(chǎn)業(yè)功能性產(chǎn)品發(fā)展的潮流方向[3]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)由核心控制模塊、人機(jī)交互模塊、環(huán)境感知模塊以及執(zhí)行模塊組成。當(dāng)人們通過人機(jī)交互模塊向系統(tǒng)發(fā)出指令時，核心控制模塊會對收到的指令進(jìn)行解析和計算，并將計算結(jié)果發(fā)送到執(zhí)行模塊以執(zhí)行相應(yīng)的動作。環(huán)境感知模塊會在執(zhí)行器工作時掃描周圍的環(huán)境，并將測量數(shù)據(jù)反饋到核心控制模塊，隨后判斷是否需要改變執(zhí)行器的當(dāng)前狀態(tài)。

核心控制模塊采用ST 公司的STM32F103 來搭建。其主要功能是對輸入信息進(jìn)行邏輯判斷并輸出對應(yīng)指令，控制執(zhí)行器做出相應(yīng)的動作。

人機(jī)交互模塊使用的是無線控制開關(guān)，該無線開關(guān)基于ZigBee 模塊而搭建。

環(huán)境感知模塊主要包含底盤對自身所在位置的感知，以及對底盤對外界物體的感知。底盤對自身所在位置的感知由三個霍爾開關(guān)來實現(xiàn)，而底盤對外界環(huán)境的感知則是通過激光雷達(dá)測距來實現(xiàn)，底盤如圖1 所示。

圖1 底盤示意圖

執(zhí)行模塊主要包含3 部分：電機(jī)模塊、報警模塊以及燈光模塊。其中電機(jī)采用的是兩相步進(jìn)電機(jī)，報警模塊采用的是蜂鳴器，燈光模塊采用繼電器來控制。

1.2 系統(tǒng)工作原理

如圖1 所示，當(dāng)主控板收到無線開關(guān)發(fā)出的移動指令，首先判斷其移動方向，若向B 方向移動，那么此時的激光雷達(dá)作用被屏蔽，移動到霍爾開關(guān)3 被磁鐵3 觸發(fā)，底盤停止移動。若向A 方向移動，那么這時開啟安全防護(hù)功能，激光雷達(dá)開始工作，通過監(jiān)測發(fā)射和反射激光的相位差來計算反射面到激光雷達(dá)的距離，從而判斷其移動路徑上是否存在異物。若其返回的距離值小于柜體的寬度，則說明有異物，底盤隨即停止移動。當(dāng)再次按下開關(guān)，繼續(xù)向A 方向移動直到霍爾開關(guān)1 被觸發(fā)時，關(guān)閉安全防護(hù)功能。當(dāng)?shù)妆P上的霍爾開關(guān)2 被觸發(fā)，即到達(dá)目標(biāo)位置，停止移動。

2 硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件設(shè)計主要包括執(zhí)行器選型、主控板設(shè)計、ZigBee 無線開關(guān)設(shè)計三部分。其總體硬件框圖如圖2 所示。

圖2 硬件框圖

2.1 電機(jī)及減速器選型

該底盤設(shè)計負(fù)載m=1 000 kg，輪子半徑R=0.05 m，最高運行速度v=0.04 m/s，地面坡度θ＜3°，車輪滾動摩擦系數(shù)μ=0.02，最大加速度a=0.04 m/s2。運動時所受到的阻力主要由滾動摩擦阻力、加速阻力和地面坡度阻力幾部分構(gòu)成。

因此可計算出平臺移動所受到的總的阻力為：F總=mgμ＋ma＋mgsinθ=1 000×9.8×0.02＋1 000×0.04＋1 000×9.8×sin3°=196＋40＋512=748 N。取整為750 N，根據(jù)作用力和反作用力原理可知，系統(tǒng)需要的驅(qū)動力也為750 N，因此可以算出底盤移動所需要的扭矩M=F總×R=750×0.05=37.5 N·m。

在工程設(shè)計中常常留出一些余量，因此取整為40 N·m。根據(jù)計算結(jié)果，這里選用雷賽的兩相步進(jìn)電機(jī)，型號為57CM23，其額定電流為5 A，最大保持轉(zhuǎn)矩為2.3 N·m。驅(qū)動器選用與其配套的雷賽M545D 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器，具有過壓、短路保護(hù)功能，15 檔可調(diào)細(xì)分，可響應(yīng)最高200 kHz的脈沖頻率。減速器則選用減速比為20 的行星齒輪減速機(jī)。那么該組合所能提供的最大扭矩為46 N·m，滿足設(shè)計要求。

2.2 主控板設(shè)計

本系統(tǒng)采用基于Cortex-M3 架構(gòu)的STM32F103 為主控芯片，該芯片是32 位標(biāo)準(zhǔn)精簡指令集處理器，最高工作頻率可達(dá)72 MHz，并集成了 Timer、CAN、ADC、USB、UART以及I/O 等多種豐富的外設(shè)功能。在該系統(tǒng)中主要使用到了Timer、UART 以及I/O 這三種外設(shè)。

ZigBee 模塊通過串口1 向處理器發(fā)送數(shù)據(jù)，處理器處理指令后，發(fā)送一定頻率的高速脈沖和方向信號到步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器，驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)運行。同時通過串口2 來接收激光雷達(dá)的反饋距離，通過I/O 口來接收霍爾開關(guān)所反饋的開關(guān)量信號。結(jié)合這兩個外部傳感器的數(shù)據(jù)和電機(jī)當(dāng)前運行狀態(tài)來實時調(diào)整電機(jī)下一周期的運行狀態(tài)。當(dāng)激光雷達(dá)的距離值小于所設(shè)定的閾值時，系統(tǒng)觸發(fā)安全防護(hù)功能，底盤隨即停止移動，同時通過I/O 口控制蜂鳴器和LED 報警。

2.3 無線開關(guān)的設(shè)計

無線開關(guān)是以ZigBee 模塊為核心設(shè)計的。ZigBee 是一項新型的無線通訊技術(shù)，相較于其他無線通訊技術(shù)，ZigBee無線通訊技術(shù)擁有低復(fù)雜度、低成本和低功耗等優(yōu)點，因此非常適用于無線開關(guān)。在該系統(tǒng)中，低功耗是一個不可忽略的關(guān)鍵點。通過實際測試發(fā)現(xiàn)，基于TI 公司的CC2530 芯片搭建的ZigBee 模塊，在休眠期間的功耗可低至1 μA，完全滿足無線開關(guān)的使用場景。

ZigBee 模塊的內(nèi)核實際上由一塊增強(qiáng)型的8051 單片機(jī)和無線收發(fā)芯片構(gòu)成，因此其具有8051 單片機(jī)的大部分功能。無線開關(guān)設(shè)計要輕薄小巧，因此外圍電路只有4 個按鍵，以及供電電路。使用額定電壓為3 V 的紐扣電池CR2032 來為其供電。該電池具有長續(xù)航、紋波小等特點，非常適合用于智能開關(guān)等低功耗產(chǎn)品。在實際的開關(guān)電路設(shè)計中使用的是成都億佰特公司的ZigBee 模塊成品，以縮短開發(fā)時間，其電路如圖3 所示。

圖3 無線開關(guān)電路圖

3 軟件設(shè)計

軟件設(shè)計主要包含以下幾部分的程序：ZigBee 無線通信、運動控制、燈光控制。

ZigBee 無線通訊中最重要的是如何有效降低功耗。在沒有按鍵被按下時，系統(tǒng)進(jìn)入低功耗模式，此時除了復(fù)位和外部中斷，其他由穩(wěn)壓器供電的所有內(nèi)部電路全部關(guān)閉。當(dāng)有按鍵被按下時，觸發(fā)外部中斷，CPU 內(nèi)核被喚醒，進(jìn)入主動模式。中斷服務(wù)函數(shù)中對標(biāo)志位置1，主函數(shù)中對按鍵進(jìn)行識別、編碼并發(fā)送出去。在發(fā)送完畢后再次進(jìn)入低功耗模式。在ZigBee 的接收端，收到數(shù)據(jù)時通過串口發(fā)送到主控芯片，主控芯片根據(jù)收到的信息作出相應(yīng)決策。

運動控制即對步進(jìn)電機(jī)的狀態(tài)進(jìn)行控制，主要控制參數(shù)為發(fā)送脈沖的個數(shù)和頻率。脈沖個數(shù)決定電機(jī)轉(zhuǎn)動步數(shù)，即對應(yīng)著底盤的移動行程，脈沖頻率控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。步進(jìn)電機(jī)的啟停必須有加減速過程，否則會出現(xiàn)丟步、堵轉(zhuǎn)或超步的現(xiàn)象，從而影響控制精度。這里使用的是梯形加減速算法，即啟動和停止時以相同的加速度進(jìn)行升降速控制，使底盤平穩(wěn)啟動和停止。

電機(jī)的啟停動作與無線開關(guān)及外部傳感器的反饋數(shù)據(jù)相關(guān)。程序流程如圖4 所示，上電以后，系統(tǒng)首先對各個外設(shè)進(jìn)行初始化，隨后對收到的按鍵信息進(jìn)行循環(huán)掃描。當(dāng)按下“打開”按鍵，底盤開始向圖1 中的B 方向移動，系統(tǒng)依次對外部傳感器的狀態(tài)進(jìn)行判斷，若符合相應(yīng)的狀態(tài)，則執(zhí)行相應(yīng)的動作。當(dāng)按下“關(guān)閉”按鍵時，底盤開始向圖1 中的A 方向運行，這個過程中，底盤的運行狀態(tài)還會受到激光雷達(dá)的影響。除此之外，和“打開”的過程基本相似。

圖4 程序流程圖

在控制電機(jī)運行狀態(tài)的同時，還要控制衣柜中的照明系統(tǒng)隨著底盤位置的不同打開或關(guān)閉。這里采用的策略是：當(dāng)衣柜剛剛打開時，同時開啟燈光；當(dāng)衣柜完全關(guān)閉時，關(guān)閉燈光。

4 結(jié)論與討論

系統(tǒng)對當(dāng)前智能家具的功能做了一些補充，在豐富控制手段的同時，可在合適的時間將家具放在合適的位置，從而實現(xiàn)對居家環(huán)境中空間的分時復(fù)用，這一理念在小空間的家庭環(huán)境中具有非常廣闊的應(yīng)用前景。