家用智能净化清扫一体机测控系统设计

肖奇军，李胜勇，张俊杰

（1.肇庆学院 电子与电气工程学院，广东 肇庆 526061；2.厦门蒙发利科技(集团)股份有限公司，福建 厦门 361008）

家用智能净化清扫一体机测控系统设计

肖奇军1，李胜勇2，张俊杰2

（1.肇庆学院 电子与电气工程学院，广东 肇庆 526061；2.厦门蒙发利科技(集团)股份有限公司，福建 厦门 361008）

为实现对地面和空气中粉尘的双重清洁功能，设计开发出家用智能净化清扫一体机和相应的控制系统.在阐述系统主要功能的基础上，进行控制系统的软硬件设计，主要包括传感器数据采集系统、通讯系统、人机交互系统、滑动门、展开门步进电机驱动系统，以及风机、静电吸附、负离子等净化器控制系统.该系统智能化程度高，可以对房间粉尘浓度参数进行监控，并能够自动控制扫地机进行地面清洁和回充，从而保持室内空气和地板清洁.在对地板积尘厚度建立数学模型和推算的基础上，实现净化器和扫地机之间的协同控制.原型样机的建立，可实现对室内环境高效、节能的清扫和净化.

净化清扫；一体机；控制系统；积尘厚度；系统设计

0 引言

科研人员测试发现室内灰尘中存在各种各样的有毒有害物质，如重金属、杀虫剂，其主要来源于家居产品、玩具、电器等，人们通过呼吸和皮肤接触等方式将自己暴露于灰尘中，灰尘严重影响到人们的身体健康.为减少室内灰尘对人体健康的影响，我们研制出一种智能路径规划的清扫空气净化两用机[1].这种新型的设计具有扫除室内垃圾和空气净化两大功能，能有效减少室内污染，减少空气的粉尘和有毒气体，具有减轻家务劳动强度和保护人们健康的双重功能[2]，能实现清扫净化过程中的智能化和实时监控.

1 智能净化清扫一体机控制系统

研发的智能清扫净化一体机，主要由单片机组成的控制子系统、智慧终端监控子系统及通信子系统组成.控制子系统是整个系统的控制核心，它负责实时采集温湿度传感器、PM2.5粉尘浓度传感器等的数据控制净化器和扫地机工作，并将工作参数发送给智慧终端，同时可以接收智慧终端发送的控制命令，因此控制子系统功能的优劣决定了系统的性能.它需要实现的主要功能包括：控制净化器、滑动门、伸展门、扫地机等设备工作，同时将系统的工作参数发送给智慧终端，接收上位机发送的系统参数阈值及相关命令，便于对系统进行远程监控.根据上述要求，控制系统需要实现的功能主要包括如下几点：

1）传感器数据的实时采集：如对室内空气温度和湿度、PM2.5粉尘传感器、霍尔位置传感器等的数据采集.

2）净化器支持手动控制和WiFi遥控控制，接收智慧终端通过WiFi传来的控制信息，实现开关机控制、定时控制、风速控制、童锁控制和模式控制.返回空气净化器运行状态给APP，对开关机、定时、风速、滤网剩余寿命、PM2.5、温湿度和报警等信息进行采集.

3）根据按键响应执行相应的命令，扫地机回充、自动清扫开启和取消命令，睡眠模式、自动模式设置、打开和关闭灯带和指示灯等.

4）系统信息的实时显示：能够对实时采集到的数据，如温湿度、PM2.5数据进行交替显示.对时间、风速、灰尘累积量、滤网剩余时间、电池格、手动清扫、童锁、回充、睡眠、负离子、自动清扫、自动净化、静电吸附、WiFi信号强弱等图标和数字进行显示的功能.

5）扫地机遥控控制，进行净化器伸展门控制，释放扫地机进行自动清扫、停止及扫地机回充等命令.

2 控制系统硬件总体结构和设计

控制系统负责协调一体机各部件的整体工作状态，提供人机交互信息，输出控制变量，根据实际应用情况，智能净化清扫一体机测控系统组成框图如图1所示.该系统主要包括主控制器、传感器、人机交互系统、通讯系统、风机、步进电机、静电吸附等7个部分，控制系统是净化器的核心，负责整个净化器的运转控制和数据交互，包括传感器数据信息接收和处理、用户控制信息控制、外设控制等[3-4].

图1 智能净化清扫一体机测控系统组成框图

传感器模块主要采集环境信息，包括PM2.5粉尘浓度传感器、温湿度传感器.PM2.5粉尘浓度传感器与单片机UART口连接，单片机采用串口通讯方式接收传感器传来的数据，温湿度传感器采用单总线通讯方式的DHT11.关门检测模块检测霍尔位置传感器的状态，判断净化器伸展门和滑动门的开关门状态；人机交互系统提供用户与机器信息交互，用户可以通过按键或WiFi无线通讯控制净化器运转和进行参数设置，同时在智慧终端和VA显示屏上显示工作状态.风机加速室内空气流动，静电吸附和负离子模块进行静电吸附除尘与空气净化.空气净化器通过2.4G无线模块ARF2496K与扫地机进行通讯，以便进行协同控制.8个步进电机控制净化器滑动门、伸展门的打开和关闭，其中左边2对电机控制左侧滑动门和伸展门向左运动，右边2对电机控制右侧滑动门和伸展门向右运动.开机时先打开滑动门，再打开伸展门，释放扫地机进行地面清洁，当扫地机回充后关机，先关闭伸展门，再关闭滑动门.滑动门、伸展门电机控制硬件由7路集成达灵顿管IC芯片ULN2003A组成，它采用集电极开路输出，输出电流大，故可直接驱动步进电机，采用永磁式步进电机进行单极性驱动，步距角为90°.以1对开关门驱动电机为例，左右电机和控制器I/O口的接线关系如图2所示.IO1-IO2-IO3-IO4按顺序通电，这样在ULN2003A驱动下，左电机通电顺序为A-B-C-D，转子顺时针转动，打开左侧门.由于右电机驱动线反接，则右电机通电顺序为D-C-B-A，转子逆时针转动，打开右侧门.若关门，则I/O的通电顺序为IO4-IO3-IO2-IO1.设计出来的原型机如图3所示，可以实现上述功能.控制系统的难点在于多种通讯方式的结合及相应通讯协议的设置，传感器数据处理和相应的外设控制以及扫地机净化器的协同控制.

图2 左右电机和控制器I/O的接线图

图3 智能净化清扫一体机原型机

3 控制系统主程序流程和软件设计

本文设计的智能净化清扫一体机，是以arm单片机为核心来控制整个系统运行的[5-6]，包括对风机、静电吸附、负离子、步进电机、人机交互界面等的控制，以及传感器数据采集，按键等输入和与扫地机、智慧终端之间的通讯.主控制程序流程图如图4所示，净化器上电后，主程序开始执行，首先进行系统的初始化，包括对I/O端口、UART通讯、定时器、看门狗、FLASH初始化、2.4G无线通讯模块、显示屏幕、RTC时钟等进行初始化，开机面板闪烁等待开机.然后进入主循环控制程序，监测滤芯复位状态并进行复位，进行WiFi一键配置，APP控制处理，扫地机对码，检测开机电源按键是否按下.若按下，则检测开机标志位；若置位，则关闭净化器风机，净化器回复到关机前状态.若开机标志位复位，则关闭伸展门、扫地机、呼吸灯等外设，退出睡眠状态.若开机电源键未被按下，则检测过滤网时间，VA屏幕显示温湿度值，调用按键扫描处理程序，根据相应标志位，执行相应的控制功能，执行定时关机、根据相应的标志位控制蜂鸣器，扫地机遥控，VA屏幕状态显示和定时关机等控制程序.

图4 主控程序流程图

3.1 按键响应控制子程序的设计

根据按键响应设置相应的按键背光和VA显示标志，执行灯带、风机、负离子等相应程序.如果电源键打开，则响应按键背光、指示灯、灯带亮.如果扫地机回充按键按下，则启动回充，关闭清扫，否则关闭回充.如果扫地机自动清扫开启，则打开自动清扫功能；否则关闭自动清扫功能，打开手动清扫.如果是睡眠模式，则睡眠按键背光打开，关闭指示灯和灯带，调整风机速度为低速挡，如果滑动门打开，空气净化器电机才开启.如果是清扫自动模式，则负离子开，判断PM2.5数值大小，调整相应的风机速度.如果不是自动模式，则关闭自动模式按键背光.如果负离子打开，则负离子指示灯亮，否则负离子指示灯灭.根据风速大小点亮相应风速指示灯.如果童锁按键打开，则相应童锁按键背光打开.按键响应控制程序如图5所示.

3.2 步进电机控制子程序设计

为了控制滑动门和伸展门的打开和关闭，需要控制步进电机转动圈数，对应滑动门和伸展门打开的角度.为了避免失步，应合理设置换相时的延长时间，即电机转动的速度.控制程序流程图如图6所示，首先设置转数和延时时间，判断电机是否需要正转.若正转，则按照A-B-C-D相序加电，步进电机正转；若反转，则按照D-C-B-A相序加电，步进电机反转，判断是否达到指定转数.若达到指定转数则复位，电机停止转动；若未到则重复走步，直到到达为止.

图5 按键响应控制程序流程图

图6 步进电机控制流程图

软件采用C语言编制，实现传感器数据采集、按键响应、外设输入输出处理、标志位判断和功能处理、延时程序、净化器控制、扫地机控制、步进电机控制、通讯设置等，在软件设计上具备以下性能要求：

1）实时性.系统采用串口通讯采集PM2.5传感器的数据，采用单总线数据通讯方式与温湿度传感器进行通讯.这要求系统软件具有一定的实时性采集要求.

2）可靠性.系统软件的可靠性是指软件在运行过程中避免发生故障的能力，以及一旦发生故障后排除故障的能力.软件设计时应考虑控制器在通讯过程中可能出现的异常状况，如通信超时等，因此，软件设计应考虑采用相应的防错和容错措施，以提高控制系统的可靠性.

3）易修改性和可移植性.一个完善的系统软件，需要经过多次的修改和调试才能满足所要求的功能和特性.因此软件在总体设计时，必须要有良好的结构，采用模块化的方式，以便提高软件在反复修改、调试和完善过程中的效率.同时，对各功能都采用模块化、函数化设计，这样可读性强，移植方便.

4 扫地机和净化机协同控制技术

为了使新的净化清扫一体机能更加智能化，更高效地清理房间积尘.我们拟建立一个积尘数学模型，用于指导净化清扫一体机的工作模式控制.积尘数学模型的建立以目前空气净化器上使用的粉尘传感器（GE SM-PWM-01A），测量空气中的粉尘浓度作为主要参数.该传感器通过测试输出低电平的比例可换算出空气中的粉尘浓度C(Dμg/m3),即可以知道空气中每立方米含有粉尘的质量.通过传感器沉降速度实验，进行地面积尘质量的推算.

通过实验室的实验可知，粉尘在密闭空间（不考虑气流影响）和一定时间内基本能沉降下来.在起始时间段内抛入粉尘，室内粉尘浓度上升至恒定值，然后静置房间，记录实时粉尘浓度.可以看出，粉尘浓度不断下降至恒定值，实验表明空气中的粉尘沉降至地面.设单位时间内粉尘浓度变化率为k(μg/(m3·h)),室内体积为V(m3),则单位时间t(h)内室内地板的粉尘质量可以表示为

根据沉降实验可知k=236，即沉降到室内地面粉尘浓度变化率为236μg/（m3·h）.72 h内在32 m2表面积和3 m高的房间沉降的质量MD为1.63 g.当推算出MD大于设定最大值时，扫地机开始工作，此时PM2.5粉尘浓度传感器和空气净化器关闭.当扫地机完成工作进行回充后，PM2.5粉尘浓度传感器打开，空气净化器根据传感器测到的室内颗粒物浓度智能调节风速；当室内空气质量指数达到优时,空气净化器根据颗粒物浓度值间歇性工作.

5 结论

针对室内空气和地板清洁，研制出一套由净化器和扫地机组成的智能净化清扫一体机.该一体机能实现室内粉尘浓度远程监控，从而延长净化器滤网的寿命，提高室内清洁效率，使系统全面智能化.通过利用地面积尘推算，实现扫地机和净化器之间的协同控制，从而实现对室内空气质量和地板积尘厚度的全面控制和管理.

[1] 邹剑寒.一种新型空气净化、自动清扫一体机:201410371775.X[P].2014-07-31.

[2] 牛力伟.自动清扫与空气净化一体机:201520746775.3[P].2015-09-23.

[3] 李玉平.静电式智能空气净化器系统设计[D].杭州:电子科技大学,2014:35-40.

[4] 汤云峰.空气净化器智能化系统的设计与实现［D］.南京:东南大学,2015:23-30.

[5] 任俊龙.基于AVR单片机的空气净化器控制系统的硬件设计与实现[D].合肥:合肥工业大学,2010:40-45.

[6] 徐邦,王俊.基于ARM处理器的空气净化器控制系统设计[J].机电一体化,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

广东省公益研究与能力建设专项基金资助项目（2015A010103018）

肖奇军（1975-），男，湖南衡阳人，肇庆学院电子与电气工程学院副教授，博士.

(责任编辑：陈 静)