基于定點室內(nèi)消毒物聯(lián)網(wǎng)機(jī)器人設(shè)計

第1章緒論在公共場所，對病菌進(jìn)行有效的預(yù)防和控制，是一種有效的健康預(yù)防措施。從2020年初起，新型冠狀病毒肺炎在全球各地爆發(fā)，給世界各國人民造成了身體和經(jīng)濟(jì)上的損失。據(jù)世界衛(wèi)生組織報道，截至2022年3月，全球已有4.56億名患者，其中因新冠病毒而死亡的患者已經(jīng)超過了6百萬，目前，確診患者和死亡的患者還在不斷增多。目前，預(yù)防新冠病毒感染的最好辦法就是戴上口罩，定期在公共場合進(jìn)行消毒。機(jī)場，火車站，醫(yī)院等公共場所，每日都要進(jìn)行一次又一次的消毒，以預(yù)防傳染病的傳播。尤其是在傳染病流行區(qū)，醫(yī)務(wù)工作者長期暴露于有害的環(huán)境中，面臨著很大的危險性。而在不嚴(yán)重的爆發(fā)地區(qū)，也不能忽視爆發(fā)的危險，但因為缺乏人力資源，在稍微嚴(yán)重一點的地區(qū)，就無法達(dá)到每天的滅菌需求，而且滅菌的人力成本很高，滅菌的效果也很差。在疫情防控工作中，為了更好地阻斷傳染病的傳染途徑，需要對各類公共場采取相應(yīng)的消毒措施，出現(xiàn)了一種新型的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的殺菌機(jī)器人。目前，利用智能機(jī)器人對城市公共空間進(jìn)行有效的清潔，已在國際上取得了一定的成果。采用自動運(yùn)動的方法，攜帶有對應(yīng)的滅菌裝備的智能機(jī)器人，能夠完成對室內(nèi)環(huán)境的滅菌工作。隨著全球疫情大爆發(fā)，高感染率的病毒感染病例增多，對自動移動式殺菌機(jī)器人提出了更高的要求。目前市場上大部分的滅菌機(jī)器人都是利用紫外線進(jìn)行滅菌，這種滅菌方式對人體有害。而且還不是很完善，必須要有員工參加測試工作。現(xiàn)在我們急需一種可以進(jìn)行自動運(yùn)動的滅菌機(jī)器人，實現(xiàn)對滅菌機(jī)器人的遙控，實現(xiàn)工作的自動化。本論文的目標(biāo)是開發(fā)一款自主移動消毒機(jī)器人系統(tǒng)，它將自主導(dǎo)航、多源傳感器信息融合技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)等前沿技術(shù)相結(jié)合，將自主移動機(jī)器人運(yùn)用到防疫消毒過程中，從而降低對人類的危害。單個自動移動式滅菌機(jī)器人在耐久性上可以達(dá)到在室內(nèi)公共場合的作業(yè)需求。同時，在這一過程中，自主移動消毒機(jī)器人可以實現(xiàn)自主定位導(dǎo)航和路徑規(guī)劃技術(shù)，來引導(dǎo)機(jī)器人進(jìn)行行走。利用遠(yuǎn)程APP，可以對機(jī)器人展開任務(wù)管理和遠(yuǎn)程調(diào)控，從而推動防疫消毒工作的無人化和智能化。除此之外，自主移動消毒機(jī)器人的使用范圍也很廣，只需要對其進(jìn)行簡單的替換，就可以將其用于室內(nèi)行業(yè)的防疫工作，因此，這種新型的自動消毒機(jī)器人的出現(xiàn)，對于世界范圍內(nèi)的防控具有重要的現(xiàn)實意義。第2章現(xiàn)狀分析自主移動消毒機(jī)器人是一種智能服務(wù)機(jī)器人，主要技術(shù)包括嵌入式電機(jī)控制技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、路徑規(guī)劃與避障、消毒裝置等。隨著智能制造技術(shù)及人工智能技術(shù)的發(fā)展，消毒機(jī)器人也廣泛應(yīng)用于大型商場、醫(yī)院、學(xué)校等公共場所?，F(xiàn)如今諸多國家以及國內(nèi)諸多企業(yè)也都投入防疫消毒機(jī)器人以及各種服務(wù)機(jī)器人的研發(fā)中，國內(nèi)外投資方也都熱衷于服務(wù)機(jī)器人行業(yè)，創(chuàng)業(yè)公司也都或多或少得到投資公司的融資。大批科研資金和人力的投入致力于提高防疫機(jī)器人的智能程度，提高消毒效率以及質(zhì)量，適應(yīng)于各種環(huán)境，降低人的工作強(qiáng)度。2.1國外研究現(xiàn)狀2012年Shatalov等[3]以及Mathebula等[4]都通過紫外線二極管（UVC-LED）搭建消毒機(jī)器人。Chanprakon等[5]開發(fā)了一種用于手術(shù)室或病房進(jìn)行滅菌的紫外線機(jī)器人，它可以實現(xiàn)360度無死角消毒且能進(jìn)行自主避障，并驗證了8s以內(nèi)可消除距紫外線消毒機(jī)器人35mm處放置的金黃色葡萄球菌細(xì)菌樣品。丹麥公司UVDRobots開發(fā)了第一款紫外線消毒機(jī)器人原型，目的是防止子公司醫(yī)院患者感染HAI。此公司的消毒機(jī)器人采用自主導(dǎo)航AGV小車搭載紫外線消毒設(shè)備，集成了UV-C光設(shè)備，通過十分鐘的照射，就能殺死室內(nèi)物體表面99.99%的微生物[5]。美國CarnegieRobotic公司開發(fā)了一種地面清洗完再對地面進(jìn)行紫外線消毒的UV機(jī)器人。此機(jī)器人主要功能是清潔地面以及對地面消毒無法對空間中的飛沫有效消殺。印度的學(xué)者A.Vyshnavi[7]開發(fā)了一種自動控制開關(guān)紫外線的消毒機(jī)器人，當(dāng)檢測到活體時，機(jī)器人就會停止工作；當(dāng)活體離開消毒區(qū)域時，再次開啟機(jī)器人的工作模式。機(jī)器人底部安裝了兩個IR傳感器探測障礙物，結(jié)合嵌入式驅(qū)動電機(jī)按照指定軌跡行走。2.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀在武漢疫情爆發(fā)初期，武漢南瑞研發(fā)基于履帶的室外智能消殺防疫機(jī)器人，能夠?qū)︶t(yī)院、車站、機(jī)場、街道等室外公共環(huán)境全天候消毒。在此次中國國內(nèi)的抗擊疫情期間，由湖南大學(xué)國家重點實驗室、湖南大學(xué)機(jī)器人學(xué)院等多家單位研發(fā)出的醫(yī)用的紫外線消毒機(jī)器人，此機(jī)器人可以進(jìn)行最基本的智能自動導(dǎo)航技術(shù)，對院內(nèi)的病區(qū)實施紫外線和噴射消毒液工作。澳門科技大學(xué)團(tuán)隊[9]開發(fā)了一種新型經(jīng)濟(jì)有效的自主室內(nèi)消毒機(jī)器人的設(shè)計與開發(fā)。它集成了輪式移動機(jī)器人平臺和過氧化氫霧化裝置，可在復(fù)雜的室內(nèi)環(huán)境中進(jìn)行自主消毒操作。通過對各種硬件組件的系統(tǒng)集成和軟件編程，制作了消毒機(jī)器人原型進(jìn)行實驗研究。對霧化過氧化氫消毒模型進(jìn)行了模擬研究，以了解消毒劑在室內(nèi)環(huán)境中的擴(kuò)散情況。在醫(yī)院、酒店、辦公室、實驗室等實際場景中驗證了該機(jī)器人的有效性。但是在SLAM定位與建圖上還是使用基于粒子濾波的Gmapping算法，還未開發(fā)遠(yuǎn)程控制策略，鑒于Gmapping算法的缺點還能進(jìn)一步改進(jìn)。2.3研究總結(jié)就消毒方式而言，當(dāng)前的消毒機(jī)器人多采用紫外線消毒的方式，雖然紫外線消毒能夠大范圍地消殺細(xì)菌以及病毒，但是受限于其照射距離以及消耗功率。并且在公共室內(nèi)場所人流量較大，紫外線消毒的方法會對人體造成一定程度的傷害。霧化消毒的方式能進(jìn)行大范圍消毒工作，并且能耗也遠(yuǎn)小于紫外線消毒裝置。就自主移動功能而言，當(dāng)前的消毒機(jī)器人是基于二維碼及其他外界定位的方式，需要對消毒場景進(jìn)行布置，不適用于中、大型室內(nèi)場所。消毒機(jī)器人自主定位與路徑規(guī)劃的方式已是當(dāng)前研究的重點工作。第3章需求分析3.1設(shè)計需求本課題設(shè)計了基于定點室內(nèi)消毒物聯(lián)網(wǎng)機(jī)器人的整體設(shè)計和研究，并且實現(xiàn)了相關(guān)功能?；诙c室內(nèi)消毒物聯(lián)網(wǎng)機(jī)器人是一個采用環(huán)境感知技術(shù)，制動駕駛功能的小車，其具備了傳感，信息處理的功能?，F(xiàn)代許多高校以及創(chuàng)業(yè)者對于其已經(jīng)有了一定的研究。本文主要實現(xiàn)的目標(biāo)有：1、可以隨意的行走，采用功率模塊給控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)，通過輪子不同轉(zhuǎn)速的組合實現(xiàn)電機(jī)前后左右運(yùn)行。2、采用Wi-Fi模塊可以實現(xiàn)無線傳輸?shù)哪芰?，實現(xiàn)遠(yuǎn)程對于小車的控制。3、手機(jī)APP實現(xiàn)了對于基于定點室內(nèi)消毒物聯(lián)網(wǎng)機(jī)器人按照預(yù)設(shè)的路徑自動巡檢。4、采用水泵實現(xiàn)室內(nèi)的自動消毒。3.2系統(tǒng)設(shè)計要求1.出色的實時性：隨著時間的推移，科技的進(jìn)步，與常規(guī)的服務(wù)機(jī)器人比較，本論文所研究的基于定點室內(nèi)消毒物聯(lián)網(wǎng)機(jī)器人以提高其實時性為首要目的，包括從軟件到硬件的每一個環(huán)節(jié)，都要達(dá)到實時性要求，而軟件則要求較少，運(yùn)算速度較快，而且硬件所要求的線路較少。所以，在設(shè)計這套控制方案時，首先要考慮的就是實時性。2.高可靠度：可靠性不但是一個可以進(jìn)行商業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)的一個重要指標(biāo)，同時也是一個設(shè)計者的一個重要指標(biāo)，因為有了一定的可靠性，才會得到使用者的認(rèn)同。在改善上，選用了可靠性較高的器件，使線路布置更加簡潔、供電更加平穩(wěn)、整個裝置更加合理。3.容易使用與維修：一個好的電子設(shè)計人員必須要有一個簡潔、直觀與互動的方法。從用戶的技能層次出發(fā)，不但要對其進(jìn)行設(shè)計，并且要對其進(jìn)行容易的操控，還要對其進(jìn)行更多的了解，這樣才可以讓其更快地上手和運(yùn)用，從而減少了對此系統(tǒng)的學(xué)習(xí)費(fèi)用，為系統(tǒng)的順利應(yīng)用于推廣奠定了良好的基礎(chǔ)。4.性價比高：在大部分人看來，在用各種單片機(jī)時，所能獲得的效果都是一樣的，所以，降低的電路費(fèi)用，提高的功能，都會為自己設(shè)計的控制系統(tǒng)帶來更大的好處。在系統(tǒng)的設(shè)計的時候，可以從如下幾個角度來提升系統(tǒng)的性能：設(shè)計系統(tǒng)、優(yōu)化電路，用軟件而不是硬件，并在滿足要求時使用最廉價的部件來改善電路。3.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計我們依據(jù)上一個小結(jié)中針對機(jī)器人的要求，設(shè)計一種基于定點室內(nèi)消毒物聯(lián)網(wǎng)機(jī)器人，可以實現(xiàn)定點室內(nèi)消毒的自動化控制。本設(shè)計的主要硬件模塊包括主控模塊，電機(jī)驅(qū)動模塊，物聯(lián)網(wǎng)模塊，消毒模塊。同時還需要設(shè)計軟件模塊，軟件模塊包括云平臺的設(shè)計，手機(jī)APP的編寫。通過上述模塊的組合，可以實現(xiàn)消毒的自動化控制。硬件部分主控核心采用STM32單片機(jī)，采用直流電機(jī)作為小車底盤驅(qū)動形式。使用esp8266Wi-Fi模塊將小車接入互聯(lián)網(wǎng)。采用水泵進(jìn)行消毒。因此，本設(shè)計的總體框圖如下圖3-1所示。圖3-1定點室內(nèi)消毒物聯(lián)網(wǎng)機(jī)器人結(jié)構(gòu)示意圖3.4主控制器模塊選擇及介紹3.4.1主控制器模塊選擇方案1：系統(tǒng)的控制部分以CPLD為核心。CPLD具有大尺寸，高密度，小尺寸，高穩(wěn)定性，IO資源豐富，功能易于擴(kuò)充等優(yōu)點。由于該方法具有較強(qiáng)的運(yùn)算能力，因此，該方法非常適合用于大型工業(yè)自動化系統(tǒng)。但是，該方法對邏輯函數(shù)的需求不大，對數(shù)據(jù)的處理速率也沒有特別高的需求是適用的。出于實用性和經(jīng)濟(jì)性的考量，選擇放棄了這個方法。方案2：AT89C51就顯示出了其控制簡單，方便，快速的優(yōu)點。其具有可以充分利用其資源豐富、非常強(qiáng)大的控制功能及可位尋址操作功能、價格低廉等優(yōu)勢。AT89C51單片機(jī)具有功能強(qiáng)大的位操作命令，I/O口都可以按照位尋址，它的程序空間多達(dá)到8K，這已經(jīng)足夠使用了，更難能可貴的是，AT89C51單片機(jī)的成本很低。方案3：采用ARM公司的Cortex核心的STM32系列MCU。組成一個嵌入的系統(tǒng)，通過32芯片來控制電動機(jī)，具有高的控制準(zhǔn)確度、穩(wěn)定、尺寸不大等優(yōu)勢。STM32F103單片機(jī)屬于一款上層處理器，F(xiàn)1系列的微控制器可達(dá)72M，其內(nèi)核的外部設(shè)備較51單片機(jī)的資源更多，適用范圍更廣泛，具有更強(qiáng)大，更便捷的特點。本設(shè)計的基于定點室內(nèi)消毒物聯(lián)網(wǎng)機(jī)器人，不僅需要對電機(jī)進(jìn)行控制，同時還需要與物聯(lián)網(wǎng)通訊，所以我們需要選用一款性能強(qiáng)，可靠，價格低廉的設(shè)備，巧的是STM32剛好符合上述的條件，所以本設(shè)計選用STM32作為設(shè)備主控。3.4.2主控制器模塊介紹ARM公司在ARM11以后的產(chǎn)品改用Cortex命名，主要分為三種，Cortex-M系列，Cortex-R系列和Cortex-A系列，Cortex系列屬于ARMv7架構(gòu)，這是2010年為止ARM公司最新指令集架構(gòu)，其中Cortex-M主要用于低端的嵌入式控制系統(tǒng)中，Cortex-R主要用于實時系統(tǒng)中，Cortex-A系列則是用于操作系統(tǒng)，智能設(shè)備和移動電話等領(lǐng)域，比如常見的Cortex-A15用于Android，Ubuntu等系統(tǒng)中。意法半導(dǎo)體（ST公司）開發(fā)的STM32就屬于Cortex-M架構(gòu)，該架構(gòu)細(xì)分又可以分為M0，M0+，M3，H7等，以最常見的STM32F103為例，該芯片屬于Cortex-M3架構(gòu)，CPU主頻，內(nèi)置高精度ADC，USART，CAN，USB，SDIO等模塊，極大的便于產(chǎn)品的設(shè)計。本文選用的STM32F103內(nèi)置資源如下所示：（1）1組17通道高精度ADC，1組15通道ADC，1組13通道ADC，轉(zhuǎn)換速度可達(dá)1us；（2）1組2路DAC輸出；（3）8組高級定時器（可以做電容捕捉，PWM輸出，基本定時等功能）；（4）高精度RTC模塊，2路時鐘可選；（5）1組CAN，支持任意波特率；（6）2組硬件IIC；（7）3組硬件SPI；（8）5組串口（9）1組SDIO模塊，用于外接SD卡通信；（10）1組USB模塊，可做主機(jī)，可做從機(jī)；（11）2組I2S模塊，用于I2S通信；（12）1組CRC模塊；（13）2組看門狗模塊；（14）1組DMA模塊；STM32F103ZET6實物圖片如下圖所示下圖3-2所示。圖3-2STM32F103實物圖3.5無線通訊模塊選型及介紹3.5.1無線通訊模塊選擇方案1：選用基于IEEE802協(xié)議的ZigBee技術(shù)，這是一種短距離低功耗技術(shù)，其能夠在保持100kbps速率下，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的可靠穩(wěn)定云順，但是其通訊距離需要保持在2到20m，常見于使用在無線傳感器以及醫(yī)療通訊設(shè)備里面。方案2：Wi-Fi技術(shù)是一種將無線終端設(shè)備實現(xiàn)上網(wǎng)的一種方式，其能夠保持高速的無線數(shù)據(jù)傳感器，并且隨著技術(shù)的提升，傳輸?shù)乃俣纫约伴L度不斷的提升，目前能夠?qū)崿F(xiàn)最遠(yuǎn)的傳輸覆蓋距離為20到200m，并且還可以使用路由器中轉(zhuǎn)的方式提升傳輸距離。通過對上述無線通信模塊的比較，ZigBee技術(shù)傳輸速率比較低，較適用于短距離，低數(shù)據(jù)量，對于功耗要求嚴(yán)格的地方，并且對比本項目的需求，Wi-Fi技術(shù)更適合于該設(shè)計，最后，將Wi-Fi技術(shù)模塊方案，確定為本系統(tǒng)的無線通信模塊。3.5.2無線通訊模塊介紹ESP8266Wi-Fi模塊屬于一個內(nèi)部有網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議（TCP/IP）的網(wǎng)絡(luò)通訊模塊，只需要簡單的AT命令控制的Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)通信，它可以用電腦上的調(diào)試工具來將AT命令設(shè)置為主單獨(dú)運(yùn)轉(zhuǎn)，也可以用微處理器與模塊來將AT命令設(shè)置為從機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。ESP8266具有強(qiáng)大的芯片處理功能和儲存功能，能夠從模組的GPIO端口接收其它模組或其它特殊的使用裝置發(fā)出的訊號，達(dá)到了預(yù)先發(fā)展的目的，同時也達(dá)到了對系統(tǒng)的要求。該模組是利用串口（TXD、RXD）與其它的主機(jī)進(jìn)行通訊，因為內(nèi)部的網(wǎng)路通訊協(xié)定模組能夠透過網(wǎng)路與其它的感應(yīng)器或裝置通訊，使用AT指令設(shè)定一些簡單的指令即可完成網(wǎng)路通訊。ESP8266具有串行通訊功能，與3.3V及5VMCU兼容，通過簡單的AT命令即可完成聯(lián)網(wǎng)通訊。為了使該系統(tǒng)能迅速地完成與其它裝置的通訊，可將該系統(tǒng)分為三種方式：串口到STA，串口到AP，串口到STA+AP。ESP8266實物圖片如下圖所示下圖3-3所示。圖3-3ESP8266實物圖3.6電機(jī)調(diào)速模塊的選擇方案一：使用的是一個電阻器或者一個數(shù)字電位器來通過調(diào)節(jié)一個輸出的電壓來調(diào)節(jié)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。然而，這種方式存在著很大的限制，采用電阻器的方式只能達(dá)到一定的速度水平，且采用電阻器的方式又很昂貴。而最大的限制就是，目前市場上普遍使用的DC電動機(jī)，都是銅線繞組，阻抗比較低，按照歐姆法則計算，它的運(yùn)行電壓也比較高，若使用電阻式電路，將會造成電壓的分流，對電動機(jī)的運(yùn)行造成很大的影響，因此一般都不會選用這種電路。方案二：采用電源切換裝置，從它的名稱來看，電源切換裝置就是一個有開啟與關(guān)閉兩種情況的“開關(guān)”。一般我們所采用的電源切換裝置，是一種由可控硅與二極管構(gòu)成的H型橋型，通過兩者的特點，形成具有不同的接通狀況的回路，從而實現(xiàn)對電動機(jī)的速度與方位的控制，同樣的H型回路，在各種工況下，其運(yùn)行的狀態(tài)也各不相同，一般采用的都是其“飽、斷”的工作狀況，在此條件下，可以很好地對電動機(jī)進(jìn)行調(diào)節(jié)，采用這些新型的電力電子裝置，可以大幅度地增加電網(wǎng)的穩(wěn)定度，該調(diào)速技術(shù)得到了工業(yè)界的普遍認(rèn)同。通過比較以上三個方法的優(yōu)劣，我們最后決定采用方案二來實現(xiàn)我們所要實現(xiàn)的目的，提高我們所要實現(xiàn)的各項功能。第4章系統(tǒng)整體設(shè)計4.1系統(tǒng)硬件設(shè)計4.1.1單片機(jī)最小系統(tǒng)STM32F1Mini-System是以STM32為基礎(chǔ)的云平臺的送餐小車的主要控制部件，Mini-System的每一種電路的設(shè)計都要保證整個送餐小車能夠穩(wěn)定地工作，在供電電路中添加了一個濾波器來保證穩(wěn)定的電壓，時鐘電路選擇了一個8MHz的晶振電路以及一個32.768MHz的時鐘電路來保證了在出現(xiàn)故障的情況下能夠及時地進(jìn)行復(fù)位。本項目所使用的控制器是STM32F103c8t6，具有48個GPIO端口、封裝為LQFP48、1024KB的FLASH、最大處理速率可達(dá)到72MHz、占用空間小、功能強(qiáng)大等特點，十分適用于以STM32和云平臺為基礎(chǔ)的送餐小車的設(shè)計需求。如圖4-1所示，給出了MCU的電路結(jié)構(gòu)。圖4-1單片機(jī)最小系統(tǒng)電路原理圖4.1.2復(fù)位電路在單片機(jī)系統(tǒng)中，單片機(jī)的復(fù)位電路是必不可少的一個組件，其具體的電路原理見附錄，單片機(jī)的復(fù)位按鈕是包括了按鈕，電容和電阻三部分，在按鈕開關(guān)被關(guān)閉的時候，電源被提供，而電阻自身沒有任何的響應(yīng)，而電容可以存儲電能，這個時候，電路中的電流非常的低，幾乎可以說是沒有。該復(fù)位I/O接口的引線相對于電源的VCC為低電位，在該情況下，該單片機(jī)的工作狀況不會受到影響。在按鈕被斷開的情況下，電力供應(yīng)將變成一個循環(huán)，這時，重置管腳的電壓和按鈕的電壓一樣，處于5V高電平，由MCU進(jìn)行重置命令。4.1.3時鐘電路在單片機(jī)最小系統(tǒng)電路中想要電路的正常運(yùn)行，必須要添加晶體振蕩模塊，以此來產(chǎn)生單片機(jī)運(yùn)行的原始信號，但是外部發(fā)生的信號是需要單片機(jī)去處理，比如線性放大，或者線性縮小，以此能夠誕生單片機(jī)所需要的各種頻率信號。只要在其晶體振子板上施加上一個交變的電壓，這樣就會產(chǎn)生一個晶體的變形，這樣的一個現(xiàn)象我們把它稱為逆壓電效應(yīng)，當(dāng)外界的電壓的頻率能夠與晶體震動的頻率一樣時，就會發(fā)生壓電諧振，機(jī)械幅度會大量的增大。本設(shè)計采用的晶振為8MHZ，其電路結(jié)構(gòu)可見附錄。4.1.4電機(jī)驅(qū)動電路設(shè)計作為STM32F103RB單片機(jī)與執(zhí)行器之間的橋梁，STM32F103RB單片機(jī)的I/O的電壓不足，所以信號需要經(jīng)過可控硅的放大，因此本設(shè)計利用L298N來放大信號，然后再用電源來給DC無刷電機(jī)驅(qū)動，從而達(dá)到所需要的實驗?zāi)康暮凸δ堋１疚倪x擇了一種用于三相高電壓DC電動機(jī)的L298N作為其驅(qū)動裝置，它可以組成IGBT/MOSFET門驅(qū)動器，門驅(qū)動器的電源為5V。馬達(dá)旋轉(zhuǎn)速度由Java語言程序和限定的接口的輸入電流信號來調(diào)節(jié)。該電路經(jīng)一個輸出管腳與一個測流電阻器相連，并與一個邏輯控制供電，來提供馬達(dá)所需的動力。用來控制驅(qū)動電路的通與斷，也就是可以達(dá)到電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)和調(diào)速，然后，利用它的使能控制端，用來輸入脈沖寬度調(diào)制信號，從而達(dá)到電機(jī)調(diào)速的目的。如下圖4-2給出了L298N的實物圖片。圖4-2L298N的實物圖4.1.5Wi-Fi通信電路ESP8266模塊組引出8個引腳，通過串口通訊給無線模塊發(fā)送AT指令，在PC端進(jìn)行接收，模塊將數(shù)據(jù)串指令反饋給單片機(jī)。4.1.6水泵驅(qū)動電路單片機(jī)與水泵的連接在PA3與PA4接口。4.2系統(tǒng)軟件設(shè)計4.2.1手機(jī)APP設(shè)計當(dāng)前主要的手機(jī)應(yīng)用程序開發(fā)技術(shù)有兩大類：本機(jī)APP和網(wǎng)絡(luò)APP。1、本地APP，也就是本地應(yīng)用程序，使用本地語言進(jìn)行編程，一般都是在移動設(shè)備中使用最多的一種自主性程序。這樣一款A(yù)PP的研發(fā)過程比較緩慢，并且非常困難，而且還存在著平臺的差別，也就是說，同樣一款A(yù)PP在Android和iOS兩個平臺下都不能適應(yīng)，所以必須要有兩個單獨(dú)的開發(fā)環(huán)境和開發(fā)平臺，不能實現(xiàn)跨平臺的應(yīng)用。安卓程序一般都是用Java或者Kotlin來編寫的，雖然現(xiàn)在用的是Kotlin，但是用Java來編寫仍然是最流行的。一個編輯環(huán)境可以使用Eclipse或者安卓工作室。在iOS的開發(fā)中，我們采用了Swift語言。這種方法在其它兩種方法中具有最優(yōu)的表現(xiàn)，并且與移動電話設(shè)備的操作系統(tǒng)具有很好的互動關(guān)系。2、WEBAPP是一種以HTML5為基礎(chǔ)的手機(jī)軟件，它可以從原始軟件中分離出來，采用JavaScript作為一種前端軟件，因為JavaScript具有非解釋性的特點，所以它可以在不同的平臺上進(jìn)行交互。但從本質(zhì)上來說，網(wǎng)絡(luò)APP就是一個存在于瀏覽器中的軟件，它所需要的一切都是在網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行的，而且它不能直接從移動電話中的硬件和操作系統(tǒng)中獲取信息，它的使用方式也與普通的網(wǎng)絡(luò)APP不同。這類APP的研發(fā)時間比較短，但功能不強(qiáng)，使用起來也不方便，而且還會出現(xiàn)卡頓現(xiàn)象，需要很高的網(wǎng)速。本課題以Java為開發(fā)語言，以AndroidStudio為平臺，以Android為平臺，開展Android手機(jī)軟件的研發(fā)工作。4.2.2APP功能結(jié)構(gòu)設(shè)計此APP基于安卓平臺，擬在AndroidStudio開發(fā)環(huán)境下進(jìn)行研發(fā)。要設(shè)計一款A(yù)PP，首先對需求和其要實現(xiàn)的功能進(jìn)行分析。APP的主要功能有TCP數(shù)據(jù)通信尋跡等，用于實現(xiàn)與下位機(jī)的通信，包括給下位機(jī)下發(fā)指令，以及接收下位機(jī)實時傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。此APP軟件設(shè)計功能結(jié)構(gòu)圖如圖4-3所示。圖4-3APP軟件功能結(jié)構(gòu)圖1、TCP（topcontrol）的數(shù)據(jù)通訊。使用Socket網(wǎng)絡(luò)通信來實現(xiàn)，它被用來完成與下位機(jī)之間的數(shù)據(jù)的通信，其中包含了對下位機(jī)實時發(fā)送的手工遙控/自主尋跡模式指令，移動指令，速度檔位調(diào)節(jié)指令等內(nèi)容。并從下位機(jī)接收實時傳送的速率、累積位移、估算電池電量等參數(shù)。2、虛擬的搖桿，供人工遙控操作使用。該方法是將機(jī)械臂在搖桿活動范圍內(nèi)的各個接觸區(qū)的定位信息發(fā)送到下位機(jī)，實現(xiàn)了對機(jī)械臂的遙控。4.2.3Socket通信實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)這一部分將重點介紹應(yīng)用程序和從設(shè)備間的TCP通訊流程。在本論文中，我們提出了一種基于Wi-Fi的無線通信方式，即建立連接并進(jìn)行通信的方法，而TCP/IP是一組標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)傳送協(xié)定，它可以利用Wi-Fi來完成；而TCP協(xié)議則是利用Socket流套接字，建立網(wǎng)絡(luò)通道，以達(dá)到客戶和服務(wù)端的連接，這是一種硬代碼。將所使用的Wi-Fi模塊設(shè)計為底層的服務(wù)器，以APP為客戶機(jī)，生成Socket實例，并將其與遠(yuǎn)方Wi-Fi模塊的主機(jī)及端口號碼相關(guān)聯(lián)，進(jìn)行TCP連接；Wi-Fi模塊自身具備傳送信息的能力，它可以將信息直接經(jīng)由串行接口傳送到MCU，這樣就可以完成APP和主機(jī)之間的通訊。Socket是一個用來表示IP和端口號的套接字，它是一個通訊鏈句把。利用這個套接字，一個應(yīng)用程式可以將一系列的輸入/出口資料流傳送到一個網(wǎng)路，就像是一個訊息傳送到網(wǎng)路或回應(yīng)網(wǎng)路訊息一樣。而套接字又是實現(xiàn)TCP/IP通訊的基礎(chǔ)運(yùn)算單位。Socket通訊模式如圖4-4所示，總的通訊過程大致可以分成四個步驟：用戶建立一個Socket的通訊信道，然后啟動對服務(wù)器的通訊請求；對于用于連接套接字串所需要的IO（輸入字節(jié)流（inputStreaminputByteflowstream）、輸出字節(jié)流（outputStreamourflowflowbytestreamflow)，或者是讀取輸入字串（readerinputtytevoltageflow,Writerinputnumber)，并且對其進(jìn)行初始化；啟動用戶和服務(wù)器端的網(wǎng)絡(luò)通訊，相互發(fā)送和接收數(shù)據(jù)；此套接字連結(jié)。圖4-4Socket通信模型4.2.4系統(tǒng)程序結(jié)構(gòu)分析系統(tǒng)的主程序包括系統(tǒng)的初始化，Wi-Fi設(shè)備聯(lián)網(wǎng)，等待外部發(fā)送指令，當(dāng)?shù)鹊街噶畹臅r候，則設(shè)備開始運(yùn)行小車電機(jī)隨著指令進(jìn)行正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)，當(dāng)檢測到當(dāng)前濕度溫度與設(shè)定值不符合的時候，則水泵運(yùn)行澆水如下圖，圖4-5給出了系統(tǒng)軟件程序設(shè)計的主流程：圖4-5控制軟件流程圖4.2.5Wi-Fi模塊軟件設(shè)計ESP8266的初始化及其運(yùn)行過程如下圖4-6所示，首先建立單片機(jī)與其通訊，等通訊完成之后，開始使用命令控制ESP8266。圖4-6ESP8266軟件流程圖4.2.6下位機(jī)軟件整體優(yōu)化（1）針對下位機(jī)通信添加心跳機(jī)制，實現(xiàn)Wi-Fi斷連后機(jī)器人緊急置停?？紤]到APP與下位機(jī)之間采用Wi-Fi實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)通信，當(dāng)用戶通過手機(jī)遙控下位機(jī)，致使機(jī)器人距離手機(jī)過遠(yuǎn)時，手機(jī)Wi-Fi信號太弱，有斷開與下位機(jī)連接的可能性；當(dāng)斷開Wi-Fi連接后，下位機(jī)無法再接收到手機(jī)APP發(fā)出的控制指令，會導(dǎo)致機(jī)器人不再可控，這在道路上是十分危險的。因此，為下位機(jī)通信增設(shè)心跳機(jī)制。增加一個串口3的接收標(biāo)志位，在定時器TIM1中斷內(nèi)對心跳進(jìn)行計數(shù)，在標(biāo)志位不改變情況下每進(jìn)入一次定時器中斷則計數(shù)值加1；若檢測到計數(shù)值超過600次時，下位機(jī)仍然沒有進(jìn)入過一次串口中斷；而TIM1中斷為5ms，說明超過3s的時間沒有接收到來自APP下發(fā)的指令，則判定為手機(jī)已斷開與Wi-Fi模塊的Wi-Fi連接，此時對下位機(jī)電機(jī)總開關(guān)進(jìn)行復(fù)位，機(jī)器人停止運(yùn)動。心跳程序流程圖如圖4-7所示。圖4-7心跳程序流程圖若實際Wi-Fi沒有斷開連接，用戶僅是在3s內(nèi)沒有對機(jī)器人下發(fā)任何指令而導(dǎo)致的電機(jī)復(fù)位則用戶僅需通過APP主界面的電機(jī)開關(guān)按鈕開啟下位機(jī)電機(jī)總開關(guān)，即可繼續(xù)控制機(jī)器人運(yùn)動。（2）添加對控制指令的頭尾校驗。當(dāng)Wi-Fi模塊在通電啟動時，會向串口發(fā)出大量的數(shù)據(jù)；又由于使用了透傳的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，則下位機(jī)會接收到大量的臟數(shù)據(jù)；此時若電機(jī)開關(guān)處于開啟狀態(tài)，下位機(jī)則會誤把臟數(shù)據(jù)作為APP下發(fā)的指令從而進(jìn)行誤操作，這是不期望發(fā)生的。同時，這也體現(xiàn)了透傳在數(shù)據(jù)安全方面的不足之處。因此，為運(yùn)動控制指令添加頭尾校驗，增加數(shù)據(jù)的安全性。0x95、0x95作為報頭，0x96、0x96作為報尾。經(jīng)頭尾校驗后的數(shù)據(jù)才判定為指令；否則判定為臟數(shù)據(jù)，直接丟棄。添加運(yùn)動控制指令的頭尾校驗后，現(xiàn)已屏蔽Wi-Fi啟動時發(fā)出的臟數(shù)據(jù)，提高了透傳過程中數(shù)據(jù)的安全性。第5章系統(tǒng)測試5.1軟硬件調(diào)試在MDK的基礎(chǔ)上，用Java程序進(jìn)行了軟件的構(gòu)建和開發(fā)。在硬件電路的設(shè)計制造流程中，每一位電子設(shè)計師都需要掌握的最基本的技能就是電路的焊接技巧，在進(jìn)行焊接的時候，往往會面臨著怎樣才能牢固的連接線路，并且不出現(xiàn)虛焊的問題。要想正確地應(yīng)用所述的敏感部件，就必須要對所述敏感部件進(jìn)行研究，并通過對所述敏感部件的研究，來設(shè)計出一種合適的電路來對所述敏感部件進(jìn)行驅(qū)動。在編寫代碼的實踐過程中，要對工作展開一種更加合理、更加高效的方式。在使用了一種方法之后，要給一個用于包裝的應(yīng)用軟件留下一個界面，這樣就可以減少很多的重復(fù)性工作，同時還可以增強(qiáng)代碼的可讀性和復(fù)用性，為之后的改進(jìn)和提升留下了一定的余地。所以，本系統(tǒng)必須同時兼顧軟件和硬件兩個方面。在進(jìn)行硬件設(shè)計時，必須充分考慮到各線路之間的EMI。在系統(tǒng)的軟件設(shè)計中，首先要對系統(tǒng)的各個性能參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)的測量和計算。只有在這種情況下，他的產(chǎn)品才能更好地發(fā)揮作用。在具體的實施路徑中，將較大的問題分解為若干個小問題，分別進(jìn)行獨(dú)立的研究，尋找相應(yīng)的解答。首先，要明確所要實現(xiàn)的主控制單元，再對分解出來的部件進(jìn)行整合，從而選擇出能夠?qū)崿F(xiàn)某些部件的電路。然后，在對特定的設(shè)備進(jìn)行確認(rèn)之后，就可以極大地減少在研發(fā)期間，因替換設(shè)備而產(chǎn)生的浪費(fèi)。在主程序中，將所設(shè)計的軟件系統(tǒng)架構(gòu)完善，這是一種非常合理的做法，在最終的包裝測試中，對每一個傳感器電路都進(jìn)行了測試，并將測試成功的軟件進(jìn)行打包，并在主程序中進(jìn)行使用。這樣的方法可以減少程序間的偶合度，并增加程序中不同函數(shù)的可用度。通過對系統(tǒng)的函數(shù)進(jìn)行分析，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性得到了極大的提升，并為以后的維修和升級提供了方便。最終焊接成品如圖5-1所示：圖STYLEREF1\s51成品圖5.2硬件運(yùn)行展示5.2.1小車常規(guī)運(yùn)行展示小車端裝有ESP8266Wi-Fi模塊，與手機(jī)端開發(fā)的APP相連接，手機(jī)開發(fā)的APP可以控制小車的前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)，以及消毒水泵的開關(guān)，并且設(shè)置了兩個位置點，為了展示小車的定點定位技術(shù)，也實現(xiàn)了小車的自動循跡，可以脫離手動控制，如圖5-2測試步驟展示。圖STYLEREF1\s52測試步驟圖首先接通電源，等待單片機(jī)開始工作，ESP8266Wi-Fi模塊指示燈閃爍，這時連接手機(jī)端APP，進(jìn)而實現(xiàn)上位機(jī)對下位機(jī)的控制。下位機(jī)輪部底盤的設(shè)計可以自由的移動，L298N驅(qū)動模塊連接驅(qū)動輪子的兩個直流電機(jī)，通過控制兩個輪子不同的轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)本設(shè)計的運(yùn)動方向。并且在尾部安裝了一個消毒水泵，來實現(xiàn)本設(shè)計的消毒功能，然而消毒模塊也是由L298N驅(qū)動模塊來控制消毒水泵的開關(guān)，如圖5-3所示。圖STYLEREF1\s5-3測試圖5.2.2小車定點定位展示在手機(jī)APP上設(shè)置定點消毒功能，依據(jù)在程序中編寫好的電機(jī)運(yùn)行步驟驅(qū)動小車運(yùn)行，小車按照預(yù)設(shè)的路徑行走，到達(dá)小車預(yù)設(shè)的位置之后，小車停止運(yùn)行，到達(dá)定點目標(biāo)之后，對目標(biāo)進(jìn)行消毒。如圖5-4所示。圖STYLEREF1\s5-4程序圖第6章總結(jié)與展望總結(jié)本課題以STM32單片機(jī)為控制器，采用電機(jī)驅(qū)動技術(shù)，驅(qū)動機(jī)器人運(yùn)行，采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實現(xiàn)一種基于定點室內(nèi)消毒物聯(lián)網(wǎng)機(jī)器人，可以實現(xiàn)定點室內(nèi)消毒的自動化控制。本設(shè)計的主要硬件模塊包括主控模塊，電機(jī)驅(qū)動模塊，物聯(lián)網(wǎng)模塊，消毒模塊。同時還需要設(shè)計軟件模塊，軟件模塊包括云平臺的設(shè)計，手機(jī)APP的編寫。通過上述模塊的組合，可以實現(xiàn)送餐的自動化控制。硬件部分主控核心采用STM32單片機(jī)，采用直流電機(jī)作為小車底盤驅(qū)動形式。使用esp8266Wi-Fi模塊將小車接入互聯(lián)網(wǎng)，采用水泵進(jìn)行消毒。展望這篇文章只是對其中的一小部分進(jìn)行了解答，而非全部。在此次的控制系統(tǒng)制造的過程中，仍有許多的問題需要進(jìn)一步的完善，比如，在電路板的設(shè)計與制造方面，還可以進(jìn)一步的完善，不能更好的解決如何處理各元件之間的干擾問題，如何提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性，如何提升數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度，這些都是本次控制系統(tǒng)的設(shè)計中需要進(jìn)行進(jìn)一步的研究的問題，而本文的工作屬于較為淺薄的范疇?？梢韵氲?，從一個好的控制系統(tǒng)被發(fā)明出來，到被人承認(rèn)，它都是一個在這個過程中，不斷地去尋找問題并去解決問題，在這個循環(huán)中，在未來的發(fā)展中，一定會有更好的控制系統(tǒng)出現(xiàn)。參考文獻(xiàn)[1]王國東，姬惠強(qiáng)，喬振鵬.線圈匝數(shù)對磁耦合諧振式WPT輸出功率的影響[J].電子測量技術(shù)，2017，40(10)：17-20.[2]韓沖，張波，諧振式WPT系統(tǒng)中高頻逆變器的特性分析和參數(shù)設(shè)計[J].電工技術(shù)學(xué)報，2018，33（21）：5026-5050.[3]靳偉，張希，張智敏，賴梓揚(yáng)，宋亮.一種磁耦合式諧振式WPT系統(tǒng)的研究[J].傳動技術(shù)，2017，31（4）：10-16.[4]楊克立，程輝，聶瀅，一種磁耦合諧振式WPT系統(tǒng)的研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2018，44(3)：147-150.[5]黃明欣，唐釀，盛超，陳曉科.一種基于復(fù)合絕緣子的WPT裝置[J].電力電子技術(shù)，2019，53（2）：37-39.[6]李應(yīng)智，魏業(yè)文，王琦婷，黃悅?cè)A，程江洲.應(yīng)用于磁耦合諧振式WPT系統(tǒng)的高效率E類逆變電源設(shè)計方法[J].電工技術(shù)學(xué)報，2019，34（2）：219-225.[7]周曉敏，孫文，高大威，林樹林，胡忠陽.應(yīng)用于WPT系統(tǒng)的三相單開關(guān)功率因數(shù)校正方法[J].電力系統(tǒng)自動化，2019，43（2）：137-142.[8]劉宜成，宋俊霖，涂海燕，張軍歌，吳星.自適應(yīng)磁耦合諧振WPT系統(tǒng)研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2016，42(10)：138-141.[9]郝海青.膠囊內(nèi)窺鏡的三維磁耦合感應(yīng)式WPT技術(shù)研究[D].廣州:華南理工大學(xué),2014.[9]韓文娟.采用電磁耦合的無線經(jīng)皮充電電路的設(shè)計與實現(xiàn)[D].武漢:華中科技大學(xué),2011.[10]周煜,于歆杰,程錦閩,等.用于心臟起搏器的經(jīng)皮能量傳輸系統(tǒng)[J].電工技術(shù)學(xué)報,2010,25(3):48-53.[11]劉修泉.車內(nèi)微機(jī)電系統(tǒng)無線能量傳輸技術(shù)的研究[D].廣州:華南理工大學(xué),2008.[12]韓志嶸,林蕓,劉潔.基于ARM的汽車胎壓監(jiān)測系統(tǒng)[J].汽車實用技術(shù),2019(01):114-115.[13]季振亞,喻偉闖,何為等.基于單片機(jī)的車胎安全檢測系統(tǒng)設(shè)計[J].信息技術(shù)與信息化,2018(05):48-50.[14]涂川川,劉江波.一種硬線胎壓監(jiān)測系統(tǒng)報警顯示策略的設(shè)計應(yīng)用[J].汽車實用技術(shù)，2018(16):173-176.[15]孫仲鍇,佟慧艷.汽車胎壓無線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J].汽車與駕駛維修(維修版),2018(10):80-81.[16]何德華,陳萬培,毛通寶等.汽車輪胎溫度和壓力監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J].信息通信,2018(07):56-57.[17]潘粟城.車載藍(lán)牙胎壓監(jiān)測技術(shù)研究[D].上海:華東理工大學(xué)2016.[18]龔張杰,于衛(wèi),王丹等.機(jī)動車輛輪胎氣壓監(jiān)測遠(yuǎn)程報警系統(tǒng)[J].山西電子技術(shù),2018(05):9-11+18.[19]CullinanMi