肖奇軍，李勝勇，張俊杰

（1.肇慶學(xué)院 電子與電氣工程學(xué)院，廣東 肇慶 526061；2.廈門蒙發(fā)利科技(集團(tuán))股份有限公司，福建 廈門 361008）

家用智能凈化清掃一體機(jī)測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

肖奇軍1，李勝勇2，張俊杰2

（1.肇慶學(xué)院 電子與電氣工程學(xué)院，廣東 肇慶 526061；2.廈門蒙發(fā)利科技(集團(tuán))股份有限公司，福建 廈門 361008）

為實(shí)現(xiàn)對(duì)地面和空氣中粉塵的雙重清潔功能，設(shè)計(jì)開發(fā)出家用智能凈化清掃一體機(jī)和相應(yīng)的控制系統(tǒng).在闡述系統(tǒng)主要功能的基礎(chǔ)上，進(jìn)行控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)，主要包括傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、人機(jī)交互系統(tǒng)、滑動(dòng)門、展開門步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，以及風(fēng)機(jī)、靜電吸附、負(fù)離子等凈化器控制系統(tǒng).該系統(tǒng)智能化程度高，可以對(duì)房間粉塵濃度參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，并能夠自動(dòng)控制掃地機(jī)進(jìn)行地面清潔和回充，從而保持室內(nèi)空氣和地板清潔.在對(duì)地板積塵厚度建立數(shù)學(xué)模型和推算的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)凈化器和掃地機(jī)之間的協(xié)同控制.原型樣機(jī)的建立，可實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)環(huán)境高效、節(jié)能的清掃和凈化.

凈化清掃；一體機(jī)；控制系統(tǒng)；積塵厚度；系統(tǒng)設(shè)計(jì)

0 引言

科研人員測(cè)試發(fā)現(xiàn)室內(nèi)灰塵中存在各種各樣的有毒有害物質(zhì)，如重金屬、殺蟲劑，其主要來源于家居產(chǎn)品、玩具、電器等，人們通過呼吸和皮膚接觸等方式將自己暴露于灰塵中，灰塵嚴(yán)重影響到人們的身體健康.為減少室內(nèi)灰塵對(duì)人體健康的影響，我們研制出一種智能路徑規(guī)劃的清掃空氣凈化兩用機(jī)[1].這種新型的設(shè)計(jì)具有掃除室內(nèi)垃圾和空氣凈化兩大功能，能有效減少室內(nèi)污染，減少空氣的粉塵和有毒氣體，具有減輕家務(wù)勞動(dòng)強(qiáng)度和保護(hù)人們健康的雙重功能[2]，能實(shí)現(xiàn)清掃凈化過程中的智能化和實(shí)時(shí)監(jiān)控.

1 智能凈化清掃一體機(jī)控制系統(tǒng)

研發(fā)的智能清掃凈化一體機(jī)，主要由單片機(jī)組成的控制子系統(tǒng)、智慧終端監(jiān)控子系統(tǒng)及通信子系統(tǒng)組成.控制子系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的控制核心，它負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)采集溫濕度傳感器、PM2.5粉塵濃度傳感器等的數(shù)據(jù)控制凈化器和掃地機(jī)工作，并將工作參數(shù)發(fā)送給智慧終端，同時(shí)可以接收智慧終端發(fā)送的控制命令，因此控制子系統(tǒng)功能的優(yōu)劣決定了系統(tǒng)的性能.它需要實(shí)現(xiàn)的主要功能包括：控制凈化器、滑動(dòng)門、伸展門、掃地機(jī)等設(shè)備工作，同時(shí)將系統(tǒng)的工作參數(shù)發(fā)送給智慧終端，接收上位機(jī)發(fā)送的系統(tǒng)參數(shù)閾值及相關(guān)命令，便于對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控.根據(jù)上述要求，控制系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的功能主要包括如下幾點(diǎn)：

1）傳感器數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集：如對(duì)室內(nèi)空氣溫度和濕度、PM2.5粉塵傳感器、霍爾位置傳感器等的數(shù)據(jù)采集.

2）凈化器支持手動(dòng)控制和WiFi遙控控制，接收智慧終端通過WiFi傳來的控制信息，實(shí)現(xiàn)開關(guān)機(jī)控制、定時(shí)控制、風(fēng)速控制、童鎖控制和模式控制.返回空氣凈化器運(yùn)行狀態(tài)給APP，對(duì)開關(guān)機(jī)、定時(shí)、風(fēng)速、濾網(wǎng)剩余壽命、PM2.5、溫濕度和報(bào)警等信息進(jìn)行采集.

3）根據(jù)按鍵響應(yīng)執(zhí)行相應(yīng)的命令，掃地機(jī)回充、自動(dòng)清掃開啟和取消命令，睡眠模式、自動(dòng)模式設(shè)置、打開和關(guān)閉燈帶和指示燈等.

4）系統(tǒng)信息的實(shí)時(shí)顯示：能夠?qū)?shí)時(shí)采集到的數(shù)據(jù)，如溫濕度、PM2.5數(shù)據(jù)進(jìn)行交替顯示.對(duì)時(shí)間、風(fēng)速、灰塵累積量、濾網(wǎng)剩余時(shí)間、電池格、手動(dòng)清掃、童鎖、回充、睡眠、負(fù)離子、自動(dòng)清掃、自動(dòng)凈化、靜電吸附、WiFi信號(hào)強(qiáng)弱等圖標(biāo)和數(shù)字進(jìn)行顯示的功能.

5）掃地機(jī)遙控控制，進(jìn)行凈化器伸展門控制，釋放掃地機(jī)進(jìn)行自動(dòng)清掃、停止及掃地機(jī)回充等命令.

2 控制系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)一體機(jī)各部件的整體工作狀態(tài)，提供人機(jī)交互信息，輸出控制變量，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況，智能凈化清掃一體機(jī)測(cè)控系統(tǒng)組成框圖如圖1所示.該系統(tǒng)主要包括主控制器、傳感器、人機(jī)交互系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、風(fēng)機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、靜電吸附等7個(gè)部分，控制系統(tǒng)是凈化器的核心，負(fù)責(zé)整個(gè)凈化器的運(yùn)轉(zhuǎn)控制和數(shù)據(jù)交互，包括傳感器數(shù)據(jù)信息接收和處理、用戶控制信息控制、外設(shè)控制等[3-4].

圖1 智能凈化清掃一體機(jī)測(cè)控系統(tǒng)組成框圖

傳感器模塊主要采集環(huán)境信息，包括PM2.5粉塵濃度傳感器、溫濕度傳感器.PM2.5粉塵濃度傳感器與單片機(jī)UART口連接，單片機(jī)采用串口通訊方式接收傳感器傳來的數(shù)據(jù)，溫濕度傳感器采用單總線通訊方式的DHT11.關(guān)門檢測(cè)模塊檢測(cè)霍爾位置傳感器的狀態(tài)，判斷凈化器伸展門和滑動(dòng)門的開關(guān)門狀態(tài)；人機(jī)交互系統(tǒng)提供用戶與機(jī)器信息交互，用戶可以通過按鍵或WiFi無線通訊控制凈化器運(yùn)轉(zhuǎn)和進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，同時(shí)在智慧終端和VA顯示屏上顯示工作狀態(tài).風(fēng)機(jī)加速室內(nèi)空氣流動(dòng)，靜電吸附和負(fù)離子模塊進(jìn)行靜電吸附除塵與空氣凈化.空氣凈化器通過2.4G無線模塊ARF2496K與掃地機(jī)進(jìn)行通訊，以便進(jìn)行協(xié)同控制.8個(gè)步進(jìn)電機(jī)控制凈化器滑動(dòng)門、伸展門的打開和關(guān)閉，其中左邊2對(duì)電機(jī)控制左側(cè)滑動(dòng)門和伸展門向左運(yùn)動(dòng)，右邊2對(duì)電機(jī)控制右側(cè)滑動(dòng)門和伸展門向右運(yùn)動(dòng).開機(jī)時(shí)先打開滑動(dòng)門，再打開伸展門，釋放掃地機(jī)進(jìn)行地面清潔，當(dāng)掃地機(jī)回充后關(guān)機(jī)，先關(guān)閉伸展門，再關(guān)閉滑動(dòng)門.滑動(dòng)門、伸展門電機(jī)控制硬件由7路集成達(dá)靈頓管IC芯片ULN2003A組成，它采用集電極開路輸出，輸出電流大，故可直接驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，采用永磁式步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行單極性驅(qū)動(dòng)，步距角為90°.以1對(duì)開關(guān)門驅(qū)動(dòng)電機(jī)為例，左右電機(jī)和控制器I/O口的接線關(guān)系如圖2所示.IO1-IO2-IO3-IO4按順序通電，這樣在ULN2003A驅(qū)動(dòng)下，左電機(jī)通電順序?yàn)锳-B-C-D，轉(zhuǎn)子順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，打開左側(cè)門.由于右電機(jī)驅(qū)動(dòng)線反接，則右電機(jī)通電順序?yàn)镈-C-B-A，轉(zhuǎn)子逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，打開右側(cè)門.若關(guān)門，則I/O的通電順序?yàn)镮O4-IO3-IO2-IO1.設(shè)計(jì)出來的原型機(jī)如圖3所示，可以實(shí)現(xiàn)上述功能.控制系統(tǒng)的難點(diǎn)在于多種通訊方式的結(jié)合及相應(yīng)通訊協(xié)議的設(shè)置，傳感器數(shù)據(jù)處理和相應(yīng)的外設(shè)控制以及掃地機(jī)凈化器的協(xié)同控制.

圖2 左右電機(jī)和控制器I/O的接線圖

圖3 智能凈化清掃一體機(jī)原型機(jī)

3 控制系統(tǒng)主程序流程和軟件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的智能凈化清掃一體機(jī)，是以arm單片機(jī)為核心來控制整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的[5-6]，包括對(duì)風(fēng)機(jī)、靜電吸附、負(fù)離子、步進(jìn)電機(jī)、人機(jī)交互界面等的控制，以及傳感器數(shù)據(jù)采集，按鍵等輸入和與掃地機(jī)、智慧終端之間的通訊.主控制程序流程圖如圖4所示，凈化器上電后，主程序開始執(zhí)行，首先進(jìn)行系統(tǒng)的初始化，包括對(duì)I/O端口、UART通訊、定時(shí)器、看門狗、FLASH初始化、2.4G無線通訊模塊、顯示屏幕、RTC時(shí)鐘等進(jìn)行初始化，開機(jī)面板閃爍等待開機(jī).然后進(jìn)入主循環(huán)控制程序，監(jiān)測(cè)濾芯復(fù)位狀態(tài)并進(jìn)行復(fù)位，進(jìn)行WiFi一鍵配置，APP控制處理，掃地機(jī)對(duì)碼，檢測(cè)開機(jī)電源按鍵是否按下.若按下，則檢測(cè)開機(jī)標(biāo)志位；若置位，則關(guān)閉凈化器風(fēng)機(jī)，凈化器回復(fù)到關(guān)機(jī)前狀態(tài).若開機(jī)標(biāo)志位復(fù)位，則關(guān)閉伸展門、掃地機(jī)、呼吸燈等外設(shè)，退出睡眠狀態(tài).若開機(jī)電源鍵未被按下，則檢測(cè)過濾網(wǎng)時(shí)間，VA屏幕顯示溫濕度值，調(diào)用按鍵掃描處理程序，根據(jù)相應(yīng)標(biāo)志位，執(zhí)行相應(yīng)的控制功能，執(zhí)行定時(shí)關(guān)機(jī)、根據(jù)相應(yīng)的標(biāo)志位控制蜂鳴器，掃地機(jī)遙控，VA屏幕狀態(tài)顯示和定時(shí)關(guān)機(jī)等控制程序.

圖4 主控程序流程圖

3.1 按鍵響應(yīng)控制子程序的設(shè)計(jì)

根據(jù)按鍵響應(yīng)設(shè)置相應(yīng)的按鍵背光和VA顯示標(biāo)志，執(zhí)行燈帶、風(fēng)機(jī)、負(fù)離子等相應(yīng)程序.如果電源鍵打開，則響應(yīng)按鍵背光、指示燈、燈帶亮.如果掃地機(jī)回充按鍵按下，則啟動(dòng)回充，關(guān)閉清掃，否則關(guān)閉回充.如果掃地機(jī)自動(dòng)清掃開啟，則打開自動(dòng)清掃功能；否則關(guān)閉自動(dòng)清掃功能，打開手動(dòng)清掃.如果是睡眠模式，則睡眠按鍵背光打開，關(guān)閉指示燈和燈帶，調(diào)整風(fēng)機(jī)速度為低速擋，如果滑動(dòng)門打開，空氣凈化器電機(jī)才開啟.如果是清掃自動(dòng)模式，則負(fù)離子開，判斷PM2.5數(shù)值大小，調(diào)整相應(yīng)的風(fēng)機(jī)速度.如果不是自動(dòng)模式，則關(guān)閉自動(dòng)模式按鍵背光.如果負(fù)離子打開，則負(fù)離子指示燈亮，否則負(fù)離子指示燈滅.根據(jù)風(fēng)速大小點(diǎn)亮相應(yīng)風(fēng)速指示燈.如果童鎖按鍵打開，則相應(yīng)童鎖按鍵背光打開.按鍵響應(yīng)控制程序如圖5所示.

3.2 步進(jìn)電機(jī)控制子程序設(shè)計(jì)

為了控制滑動(dòng)門和伸展門的打開和關(guān)閉，需要控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)，對(duì)應(yīng)滑動(dòng)門和伸展門打開的角度.為了避免失步，應(yīng)合理設(shè)置換相時(shí)的延長(zhǎng)時(shí)間，即電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度.控制程序流程圖如圖6所示，首先設(shè)置轉(zhuǎn)數(shù)和延時(shí)時(shí)間，判斷電機(jī)是否需要正轉(zhuǎn).若正轉(zhuǎn)，則按照A-B-C-D相序加電，步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)；若反轉(zhuǎn)，則按照D-C-B-A相序加電，步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)，判斷是否達(dá)到指定轉(zhuǎn)數(shù).若達(dá)到指定轉(zhuǎn)數(shù)則復(fù)位，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)；若未到則重復(fù)走步，直到到達(dá)為止.

圖5 按鍵響應(yīng)控制程序流程圖

圖6 步進(jìn)電機(jī)控制流程圖

軟件采用C語言編制，實(shí)現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)采集、按鍵響應(yīng)、外設(shè)輸入輸出處理、標(biāo)志位判斷和功能處理、延時(shí)程序、凈化器控制、掃地機(jī)控制、步進(jìn)電機(jī)控制、通訊設(shè)置等，在軟件設(shè)計(jì)上具備以下性能要求：

1）實(shí)時(shí)性.系統(tǒng)采用串口通訊采集PM2.5傳感器的數(shù)據(jù)，采用單總線數(shù)據(jù)通訊方式與溫濕度傳感器進(jìn)行通訊.這要求系統(tǒng)軟件具有一定的實(shí)時(shí)性采集要求.

2）可靠性.系統(tǒng)軟件的可靠性是指軟件在運(yùn)行過程中避免發(fā)生故障的能力，以及一旦發(fā)生故障后排除故障的能力.軟件設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮控制器在通訊過程中可能出現(xiàn)的異常狀況，如通信超時(shí)等，因此，軟件設(shè)計(jì)應(yīng)考慮采用相應(yīng)的防錯(cuò)和容錯(cuò)措施，以提高控制系統(tǒng)的可靠性.

3）易修改性和可移植性.一個(gè)完善的系統(tǒng)軟件，需要經(jīng)過多次的修改和調(diào)試才能滿足所要求的功能和特性.因此軟件在總體設(shè)計(jì)時(shí)，必須要有良好的結(jié)構(gòu)，采用模塊化的方式，以便提高軟件在反復(fù)修改、調(diào)試和完善過程中的效率.同時(shí)，對(duì)各功能都采用模塊化、函數(shù)化設(shè)計(jì)，這樣可讀性強(qiáng)，移植方便.

4 掃地機(jī)和凈化機(jī)協(xié)同控制技術(shù)

為了使新的凈化清掃一體機(jī)能更加智能化，更高效地清理房間積塵.我們擬建立一個(gè)積塵數(shù)學(xué)模型，用于指導(dǎo)凈化清掃一體機(jī)的工作模式控制.積塵數(shù)學(xué)模型的建立以目前空氣凈化器上使用的粉塵傳感器（GE SM-PWM-01A），測(cè)量空氣中的粉塵濃度作為主要參數(shù).該傳感器通過測(cè)試輸出低電平的比例可換算出空氣中的粉塵濃度C(Dμg/m3),即可以知道空氣中每立方米含有粉塵的質(zhì)量.通過傳感器沉降速度實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行地面積塵質(zhì)量的推算.

通過實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)可知，粉塵在密閉空間（不考慮氣流影響）和一定時(shí)間內(nèi)基本能沉降下來.在起始時(shí)間段內(nèi)拋入粉塵，室內(nèi)粉塵濃度上升至恒定值，然后靜置房間，記錄實(shí)時(shí)粉塵濃度.可以看出，粉塵濃度不斷下降至恒定值，實(shí)驗(yàn)表明空氣中的粉塵沉降至地面.設(shè)單位時(shí)間內(nèi)粉塵濃度變化率為k(μg/(m3·h)),室內(nèi)體積為V(m3),則單位時(shí)間t(h)內(nèi)室內(nèi)地板的粉塵質(zhì)量可以表示為

根據(jù)沉降實(shí)驗(yàn)可知k=236，即沉降到室內(nèi)地面粉塵濃度變化率為236μg/（m3·h）.72 h內(nèi)在32 m2表面積和3 m高的房間沉降的質(zhì)量MD為1.63 g.當(dāng)推算出MD大于設(shè)定最大值時(shí)，掃地機(jī)開始工作，此時(shí)PM2.5粉塵濃度傳感器和空氣凈化器關(guān)閉.當(dāng)掃地機(jī)完成工作進(jìn)行回充后，PM2.5粉塵濃度傳感器打開，空氣凈化器根據(jù)傳感器測(cè)到的室內(nèi)顆粒物濃度智能調(diào)節(jié)風(fēng)速；當(dāng)室內(nèi)空氣質(zhì)量指數(shù)達(dá)到優(yōu)時(shí),空氣凈化器根據(jù)顆粒物濃度值間歇性工作.

5 結(jié)論

針對(duì)室內(nèi)空氣和地板清潔，研制出一套由凈化器和掃地機(jī)組成的智能凈化清掃一體機(jī).該一體機(jī)能實(shí)現(xiàn)室內(nèi)粉塵濃度遠(yuǎn)程監(jiān)控，從而延長(zhǎng)凈化器濾網(wǎng)的壽命，提高室內(nèi)清潔效率，使系統(tǒng)全面智能化.通過利用地面積塵推算，實(shí)現(xiàn)掃地機(jī)和凈化器之間的協(xié)同控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)空氣質(zhì)量和地板積塵厚度的全面控制和管理.

[1] 鄒劍寒.一種新型空氣凈化、自動(dòng)清掃一體機(jī):201410371775.X[P].2014-07-31.

[2] 牛力偉.自動(dòng)清掃與空氣凈化一體機(jī):201520746775.3[P].2015-09-23.

[3] 李玉平.靜電式智能空氣凈化器系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].杭州:電子科技大學(xué),2014:35-40.

[4] 湯云峰.空氣凈化器智能化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.南京:東南大學(xué),2015:23-30.

[5] 任俊龍.基于AVR單片機(jī)的空氣凈化器控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].合肥:合肥工業(yè)大學(xué),2010:40-45.

[6] 徐邦,王俊.基于ARM處理器的空氣凈化器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].機(jī)電一體化,2015(7):54-57.

Design of Control and Detection System for the Combined Household Robot of IntelligentAir Purifier and Sweeper

XIAO Qijun1，LI Shengyong2，ZHANG Junjie2

(1.School of Electronic and Electrical Engineering,Zhaoqing University,Zhaoqing,Guangdong 526061,China；2.Xiamen Comfort Science and Technology Group Limited Liability Company,Xiamen,Fujian 361008,China）

The control system for the combined household robot of an intelligent air purifier and sweeper are developed to achieve double functions of cleaning ground and air dust.On the basis of elaborating the main functions of the system,the hardware and software of the control system are designed,mainly including sensor data acquisition,communication,human-computer interaction,stepping motor drive for sliding and stretching doors and purifier control system for fan,electrostatic adsorption and anion.The system is highly intelligent and dust concentration parameters in the room can be monitored.And the sweeping machine can be automatically controlled to clean rooms and be recharged.Based on the mathematic model to calculate the thickness of floor dust,the collaborative control between the purifier and sweeping machine is realized.Prototype of the robot can achieve high efficient,energy-saving cleaning and purification for indoor environment.

purification and sweeping;the combined machine;control system;dust thickness;system design

TP29

A

1009-8445（2017）05-0027-05

2017-05-10

廣東省公益研究與能力建設(shè)專項(xiàng)基金資助項(xiàng)目（2015A010103018）

肖奇軍（1975-），男，湖南衡陽人，肇慶學(xué)院電子與電氣工程學(xué)院副教授，博士.

(責(zé)任編輯：陳 靜)