基于單片機與互聯網的高空玻璃清洗遠程控制管理系統

王思甜

摘要：人工完成高空玻璃清潔有很大的危險且成本高，為了有效解決這一問題，設計了高空玻璃清洗系統。通過遠程PC端控制及滾刷完成高空玻璃的清潔與管理。此系統可解決高空擦窗成本高、危險系數高的問題。隨著近些年來各個城市不斷進行大規?；A建設與改造，一些高大、形狀各異的建筑層出不窮。此外，整個社會不斷增強環境保護意識，也為玻璃清洗機器人的開發創造了應用條件和外部環境。目前，國內也有一些關于壁面清洗機器人的研究，設計了一個清潔系統來滿足一體式擦窗需求。

關鍵詞：高空玻璃清洗系統;互聯網+;真空吸附式;智能機器人

中圖分類號：TU976.42

文獻標識碼：A

DOI：10.15913/j .cnki.kj ycx.2019.11.045

1 國內擦窗機器人發展現狀與項目背景

1.1 行業背景

隨著社會的快速發展，到處都是參天高樓，房屋面積越來越大，且很多都是落地窗。所以，窗戶清潔已成為每個建筑和家庭都不能離開的“頭疼事”——大樓會雇請擦窗工人在高空進行作業，這樣的作業不僅效率低、成本高，而且非常的危險。各種現象都深刻地表明了推行窗戶清潔系統的必要性和重要性。

1.2 窗戶清潔機器人的發展現狀

日本最先開始研究壁面式移動機器人。1966年，一種理想的利用風扇產生的負壓吸附原型機在日本誕生。而后，在1975年，出于實用的角度，又開發了第二代機器，它使用一個吸盤來吸盤并用輪子行走。之后，日本結合了當時市面現有的專用清洗機器人又開發了更多類型的壁面移動機器。中國對壁面清洗機器人的研究相對日本等國家起步較晚，但發展迅速。哈爾濱工業大學等在壁面機器人領域處于領先地位。許多研究機構也推出了自己的壁面移動機器人。

2 系統組成

本系統致力于高空玻璃的清潔，旨在提供更安全、更有效的方式來清潔高空玻璃。目前，有一些公司在做擦窗機的服務。這些公司都為高層建筑提供窗戶清潔機，但這些公司都是為高樓提供擦窗機的安裝服務，但擦窗還是人工進行，沒能實現擦窗智能化;而對于小區或相對矮的樓房，只有供用戶自己購買的擦窗智能機器人存在，價格貴，擦窗機器人得不到最大化利用。

各高樓物業聘請的高空擦窗工人效率低，且對工人來說擦窗危險系數大。為了解決高空擦窗作業工人的安全等問題，研究了基于互聯網的高空玻璃清洗系統，通過遠程控制技術，嵌入式開發在網絡層和應用層實現了包括將擦窗機器人運作狀況發送給物業、智能壁面清洗機器人自動擦窗等功能，并結合現在的互聯網實現了PC端遠程操控，自動驅使機體執行擦拭、探測邊框、導航路徑等任務，還可一鍵遙控、自動作業。該系統不但免除了工人高空作業的危險，給大廈和小區的擦窗管理帶來方便，而且滿足了如今科技迅猛發展下的互聯網市場需求。

3 技術實現

3.1 遠程控制技術與Web服務板塊

3.1.1 無線通信技術和單片機通信系統

作為通信交換方法，無線通信技術指的是使用電磁波信號來使信息能夠實現交換而不受地域、空間因素的影響。電磁波信號在自由空間中可無障礙傳輸，微波傳輸距離可達10 000 m左右。傳輸距離雖然比較短，但是傳輸線路的頻帶寬并且通信容量大。在衛星通信信號中，作為用于信號接收的中繼站，通信衛星可以實現地球上兩個或更多個移動物體之間的連接。

MCU通信系統由集成電路芯片組成。工作原理是將中央數據處理器CPU設置在大規模集成電路的中心，然后將驅動模擬電路轉換器和隨機存取存儲器RAM結合起來，有效地處理傳輸數據，科學地轉換數據。在相應優化設計的基礎上，可以很好地接收和傳輸通信數據。

3.1.2 無線通信技術在單片機中的應用

3.1.2.1 數據傳輸方案

通常情況下，在操作過程中，需要通過無線通信技術運行MCU通信系統。相關工作也將直接圍繞監控系統進行，監控系統將跟蹤記錄，有效地診斷系統監控運行期間主體的狀態與性能以及發生的問題。在完成整個任務的過程中，作為主要載體的機車設備將下載系統在運行期間生成的所有數據信息，并將其傳輸到地面的數據管理庫。就系統操作產生的數據信息而言，它具有一定的復雜性與大規模性，在進行數據傳輸時需要配合多種數據傳輸方式，對數據存儲設備容量的要求也比較大。

在數據傳輸模式選擇過程中，需要大容量的數據存儲設備，且手動存儲和傳輸一些數據也必不可少。這使得處理后的信息數據的復雜性增加，數據傳輸的標準化也會降低?？梢钥闯?，在選擇數據傳輸方案時，有必要加強對無線通信技術特性的綜合考慮，以保證數據傳輸效率。

3.1.2.2 單片機與無線數傳模塊接口

無線通信技術在MCU通信系統的應用中，兩者之間的對接問題通常普遍存在。接口的主要功能是在對接微機和無線數傳模塊時提高其準確性及穩定性。利用中斷源和CPU，可以實現微機與無線數傳模塊在不同狀態下的有效對接，使對接模式的靈活性大大提高，與此同時，承載了部分MCU控制接口的負擔，從而有效地保證了單片機通信系統的穩定運行。

3.1.2.3 通信程序流程

無線通信技術在MCU通信系統中應用頻繁，這涉及相應的程序流程。當發送通信請求時，通信中心對該過程有更多需求。因此，有必要有針對性地設置相應的程序流程，然后順利完成通信數據的接收和傳輸。在傳輸響應數據時，如果MCU通信系統沒有收到維護和提示，且超過了三個通信請求，則操作和維護中心將根據程序執行后期維護操作。

3.1.3 通信實現

MCU通過SPI接口控制以太網控制器并與Web服務器通信。Web服務器將擦窗機器人的IP存儲在數據庫中。當用戶在瀏覽器上登錄服務器時，發出控制信息，此時的控制信息將通過互聯網發送到擦窗機器人，擦窗機器人接收到信號后根據信息進行相應的操作，從而實現用戶的遠程控制。當需要擦窗機器人獨立完成擦窗任務而不需要人工控制時，可以將系統設置為自動模式以進行無人控制。此時MCU為IP地址固定的客戶端。發送信息前，MCU發送ARP請求以獲取服務器DNS地址，實現UPD連接，同時發送http請求。

3.1.4 Web服務器設計

此部分用MYSQL語言實現，主要處理MCU發起的連接請求，以不同的IP地址區分不同設備的數據包，提取信息并存儲。服務器控制界面有用戶登錄界面、擦窗清潔模塊電池使用情況、清理進度實時監測等，擦窗清潔模塊電池使用情況如圖1所示，清理進度實時監測如圖2所示。

3.2 智能壁面清潔機器人板塊

3.2.1 清潔機器人技術組成

吸附：用真空吸附法，也可用負壓吸附法實現。同時使用多個吸盤使機器人吸附力增加，當墻壁不是絕對平坦時，可避免單吸盤泄漏導致的吸附力的減小及承載能力的下降。

移動：可用履帶式實現，該方法可很好地適應不同的墻面，且著陸面積大，可以滿足各種不同材質及起伏狀況的墻面的需求，并有效克服障礙物，實現全方位運動。

清潔：基本組成為直流電機、滾刷和雨刷板。直流電機可實現無級調速，并驅動滾刷以恒定速度穩定地清洗壁面。

回收：清潔過的污水通過過濾器后又可重復使用，流回水箱，不僅可以節約用水，還能提高清潔效率。

3.2.2 主體驅動模塊

L298是一種高壓高電流電機驅動芯片，非反向輸入可使四個輸出產生不同邏輯電平，實現電機的正轉和反轉。

3.2.3 噴水模塊

對壁面進行表面清潔時必須有一定的水壓才可達到清潔效果，水壓過大過小都會造成麻煩，比如壓力過小時，清潔質量達不到要求;壓力過大時，機器人的吸附控制將變得困難。為了解決這個問題，可以在一定清潔壓力下同時提升清潔頻率，即每單位時間清潔刷與待清潔表面之間的接觸次數增加。

3.2.4 機器人控制

清潔機器人系統控制由PC管理，人機交互控制可以通過如圖3所示的PC顯示窗口界面方便實現。主體驅動模塊和PC的前端配備有收發模塊，以實現通信數據信號的無線傳輸和接收。

4 結束語

本設計系統穩定、硬件簡單、成本低，可用于高層建筑、學校、醫院辦公樓、住宅小區等室外玻璃清潔，具有一定的實用價值，可以有效地解決高樓清潔窗戶既危險成本又高的問題。

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