基于微信订阅号的扫地机器人远程监控系统设计

章盼梅， 朱万浩

（华南理工大学广州学院a． 机械工程学院；b． 电气工程学院，广州510800）

0 引 言

随着电子技术的快速发展，人们对生活品质要求越来越高，市面上出现了一批扫地机器人。扫地机器人集扫地、拖地、吸尘于一体，为人们打扫卫生带来极大的方便。扫地机器人通常采用一键启动方式，当人们需要它工作时，只需按下启动按钮，便按照预先设定的程序自动运行，它的缺点在于人们无法对它进行远程监控［1］。本文利用STC单片机为中央控制器，微信订阅号为上位机，结合云服务器、WiFi、以太网技术开发了一套远程监控系统，实现了扫地机器人的远程监控。

1 系统总体方案

基于微信订阅号的扫地机器人远程监控系统分上位机、中间层及现场执行层3 部分［2］。上位机主要由基于微信订阅号2 次开发的监控软件，负责监控扫地机器人的运行状态，例如：启动、停止按钮等；中间层主要由STC89C52 单片机组成，它是整个系统的核心部分，主要接收来自现场各传感器发送过来的信号，经处理后发送给执行元件，控制扫地机器人工作。现场执行层主要由扫地、拖地、爬行、电子罗盘和红外线避障等模块组成，它们负责把现场的各种信号转换为电信号，发送给单片机，单片机处理后发送给各类执行元件，保证扫地机器人正常工作，系统总体方案如图1所示。

图1 系统总体方案

2 系统硬件设计

扫地机器人硬件部分由单片机控制系统、罗盘探测、红外、扫地、拖地等模块组成，它们主要负责把现场信号转换为电信号、处理信息和控制扫地机器人运行。

2.1 单片机控制系统设计

扫地机器人控制系统中央处理器采用STC89C52单片机。它是一款低功耗、高性能的微控制器，FLASH内存为8KB、RAM内存为512KB、I／ O接口32 个、定时器3 个，可同时实现多个单片机级联，是一款非常适合扫地机器人的微控制器［3］。STC89C52 最小系统如图2 所示，UCC引脚接5 V电源，RST引脚接由C1和R1构成的复位电路，XTAL1、XTAL2 接由晶振和电容构成的时钟电路。

图2 STC89C52单片机最小控制系统电路图

2.2 罗盘探测模块设计

罗盘探测模块用磁阻传感器感应地球磁场，将感应到的地磁信息转换为数字信号输送到单片机中。它的作用是检测扫地机器人周围的磁场强度，辨别前进的方向［4］。电子罗盘模块由HMC5883L 芯片及外围电路组成，当扫地机器人工作时，向罗盘芯片数据总线SDA发送地址0X3C，芯片收到信号后发送回0X3D指令应答单片机。此时，单片机和罗盘芯片建立了连接，单片机读取罗盘芯片发送过来的磁场信号，根据磁场信号控制扫地机器人的运动方向，罗盘探测模块电路如图3 所示。

图3 罗盘探测模块电路图

2.3 红外模块设计

扫地机器人采用红外模块来识别故障，该模块由发射模块和接收模块两部分组成［5-6］。扫地机器人工作时，红外发射模块发射红外线，当红外线碰到故障物时，红外接收模块收到返回的红外线，识别故障物的存在。红外发射模块发射红外线，接收模块接收红外线，两个模块需相互配合，缺一不可。红外发射模块电路如图4 所示，与非门74HC00 芯片与R1、R2、C1构成一个RC振荡电路，与非门芯片6 脚形成一个方波信号，经过电阻R4驱动三极管Q1不断地导通和关断。三极管Q1不断地导通和关断，使发光二极管D1也不断地导通和关断，发送出一串连续的方波，完成红外模块发射红外信号。

图4 红外发射模块电路图

红外接收模块由LM567 芯片及外围电路组成，LM567 是一个音频解码器，能处理特定的信号。当红外接收三极管接收到红外信号时，产生一个方波信号发送到LM567 芯片的IN 脚，LM567 判断接收的信号和芯片内部设定的信号是否一致，一致则OUT脚输出一个低电平，不一致则OUT 脚输出一个高电平，实现故障判断功能［7-8］，红外接收模块电路如图5 所示。

图5 红外接收模块电路图

3 系统软件设计

扫地机器人远程监控系统采用微信订阅号软件平台进行2 次开发。监控系统分为设备控制、数据监测、个人中心和智能控制算子系统。设备控制子系统包含自动和手动控制设备模块，主要负责对红外模块、罗盘探测等模块的控制；数据监测子系统包含实时数据和实时数据查询模块，主要对扫地机器人运行记录数据等的采集；个人中心子系统包括用户登录注册及查询模块，负责对用户信息的管理；智能控制子系统包含设备决策控制模块和数据信息推送模块，负责设备智能控制方法的决策及优化［9］，软件系统功能结构如图6所示。

图6 软件系统功能结构图

3.1 设备控制子系统设计

扫地机器人控制方式分为手动控制、自动控制和远程控制3 种方式［10］。手动控制是指在扫地机器人上按前进、后退等按钮进行控制；自动控制是指通过按自动运行按钮，扫地机器人按照已设定好的程序自动运行；远程控制是指在手机微信端进行控制，通过云端实现远距离的操作。扫地机器人控制按钮包括前进、后退、扫地、拖地和自动运行等，在微信监控端点击前进按钮时，变量ctr_run ＝＝1；当点击后退按钮时，变量ctr_run ＝＝0。微信监控系统通过云服务器发送命令给单片机，经处理后控制设备的运行，设备控制子系统流程如图7 所示。

图7 设备控制子系统流程图

3.2 数据监测子系统设计

扫地机器人在运行过程中，CPU 把相关的参数记录下来，以便管理者查询［11］。数据监测子系统中，主要有扫地机器人的扫地／拖地时间、扫地／拖地行走轨迹、设备前进／后退／启动／停止等操作记录、设备报警、故障等记录。数据监测子系统中包含实时数据和历史数据，实时数据是指扫地机器人现场运行的数据，实时的显示在微信监控系统上；历史数据是把以往至今的运行数据保存起来，供管理员查询，如：扫地机器人从出厂至今的运行记录，数据监测流程如图8 所示。

图8 数据监测子系统流程图

3.3 个人中心子系统设计

根据用户权限的不同，分为游客、普通用户和管理员［12-13］。游客权限最低，只能查看监控系统；普通用户指一般的使用者，权限比游客高，可以监控扫地机器人；管理员权限最高，可以查看系统中的任何信息。系统中默认给扫地机器人使用者一个管理员账号，登录管理员账号，可以查看普通用户的注册申请、分配用户的操作权限、增加或删除用户的信息。用户成功注册后，点击登录界面，登录的信息通过Java 等技术验证格式、内容等是否正确。同时，系统对用户名密码进行算法加密，防止数据被盗，个人中心子系统设计流程如图9 所示。

图9 个人中心子系统设计流程图

4 系统测试

系统测试是一个重要且必不可少的环节，是保证系统稳定可靠运行的关键［14-15］。在系统测试之前，首先组装好单片机控制系统、罗盘探测、红外检测等模块。在微信监控系统测试端，为方便更多消费者使用，选择市场占有率较高、价格较便宜的Note8 智能手机，它采用Android系统、高通骁龙665 八核处理器、6GB RAM／ 128GB ROM，扫地机器人实物如图10 所示。

图10 扫地机器人实物

在微信监控系统界面端，设计有远程、就地、扫地、拖地、前进等按钮。点击“远程”按钮，扫地机器人只接受微信控制，扫地机器人上的控制按钮无法操作；点击“就地”按钮，情况刚好相反。点击“扫地”按钮，扫地机器人启动扫地程序；点击“拖地”，扫地机器人执行拖地程序；点击“自动运行”按钮，扫地机器人按照预设的程序和算法自动运行，扫地机器人软件测试界面如图11 所示。

图11 扫地机器人软件测试图

5 结 语

本文设计了一种以STC 单片机为中央控制器、微信为上位机的扫地机器人远程监控系统。与传统的扫地机器人相比，该系统能远距离启动、停止扫地机器人，并能监视它的运行状态。扫地机器人自试运行以来，性能稳定、运行可靠、工况良好，各项数据均达标，得到了同行的好评。该系统主要的创新点在于利用手机微信、以太网和云服务器技术，实现了扫地机器人的远程监控，为研发人员远程监控技术改造提供参考。