基于Android平臺的送餐機器人遠程控制設計

管文龍，杜澤強，田會方，吳迎峰

(1.武漢理工大學 機電工程學院，湖北 武漢 430070；2.西安向陽航天材料股份有限公司，陜西 西安 710065)

服務機器人是一種半自動或者全自動工作的機器人，提供有益于人類健康的服務[1-2]。服務機器人在醫療、家政、餐飲、客服、物流等行業有一定的應用[3]。服務機器人在餐飲行業的應用為這個行業帶來了智能服務的新機遇，送餐機器人的發展推動餐飲服務智能化的進步。因此設計了一款遠程控制送餐機器人，代替餐廳服務員送餐給住酒店客人。該系統研究利用安卓手機APP發送控制指令，采用阿里云物聯網平臺轉發數據給STM32單片機，進而實現對送餐機器人的遠程控制。

1 遠程控制方案

送餐機器人遠程控制系統是由上位機軟件系統、下位機硬件系統和阿里云物聯網平臺3部分組成。送餐機器人下位機硬件系統是以STM32F103ZET6處理器為核心部件，并掛載多個模塊組成。本研究使用安卓手機APP發送控制信號，經過阿里云物聯網平臺轉發數據給STM32單片機，進而實現對送餐機器人的遠程控制，系統硬件結構框圖如圖1所示。所設計的系統功能包括送餐機器人的動力部分、定位功能、循跡和避障功能、視頻查看功能、無線通信以及送餐狀態檢測功能。

圖1 系統硬件框圖

1.1 送餐機器人的動力設計

在送餐機器人中，電機最常用的是步進電機和直流電機。直流電機有良好的調速性能，控制比較簡單，但精度很低。由于本方案對定位精度有要求，因此選擇步進電機作為送餐機器人的驅動力。送餐機器人采用四輪機構，為了滿足送餐機器人全方位角轉向，將在送餐機器人上安裝4個麥克納姆輪，4個輪子一次安裝A、B型麥克納姆輪，安裝方式如圖2所示，每個輪子使用獨立的驅動方式。

圖2 A、B型輪分布圖

設定機器人負重和自重最大質量為100 kg，選擇57BYGH82-401A步進電機，該步進電機能輸出最大的轉矩為2.1 N·m，當送餐機器人輪子直徑為8 cm時，該步進電機能帶動100 kg以上的負載，由于轉矩比較大，即使遇到一些小障礙也能正常行駛，能夠滿足送餐機器人的動力要求。根據步進電機的參數，驅動模塊選用ATK-2MD4850,其是一款高性能細分型2相混合式步進電機驅動器，此驅動器能夠使得電機轉矩波動小，低速運行平穩以及極小振動和噪音；高速時輸出力矩較大，定位精度比較高[4]。

STM32單片機使用高級定時器在輸出引腳產生PWM(pluse width modulation)，通過改變定時器預裝載值和輸出比較值來改變步進電機的轉速。步進電機的端口驅動初始化程序如下：

void Driver_Init(void)

{

GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

//使能端口時鐘

RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOC, ENABLE);

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_0| GPIO_Pin_2;

//設置輸出模式

GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode _Out_PP;

//配置端口速度

GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;

GPIO_Init(GPIOC, &GPIO_InitStructure);

GPIO_SetBits(GPIOC,GPIO_Pin_0);

GPIO_ResetBits(GPIOC,GPIO_Pin_2); }

1.2 送餐機器人的定位功能

室內移動機器人定位是移動機器人設計的關鍵技術，由于室內環境，GPS(global positioning system)定位無法正常運行[5]。關于自主移動機器人的室內定位方法有很多種，而對于固定位置、固定路線的移動機器人，常常選擇基于信標的定位方法，基于信標的定位系統依賴于一系列環境中已知特征的信標，并需要在移動機器人上安裝傳感器對信標進行觀測[6]。在信標定位中，基于RF(radio frequency)定位(無線傳感器網絡定位)有WLAN，ZigBee，Bluetooth，UWB(ultra wide band)以及無線RFID(radio frequency identification)，選用RFID用于酒店定位，RFID[7]是由閱讀器、電子標簽以及保存電子標簽的數據庫組成，RFID定位原理是閱讀器發出射頻信號，當電子標簽處在射頻信號內，電子標簽內的線圈就會產生感應電流，然后電子標簽獲得能量后，發送儲存在芯片內的信息，閱讀器讀取信息并解碼。

設定每個酒店房間分配兩個電子標簽，記錄房間信息，當送餐機器人攜帶閱讀器經過房間，當閱讀器接收到第一個電子標簽信息后，送餐機器人開始減速，當接收到第二個電子標簽信息后送餐機器人停止移動，送餐機器人房間定位原理如圖3所示。

圖3 房間定位原理圖

1.3 循跡和避障功能

送餐機器人給房間送餐，每個房間的位置是固定的，因此送餐機器人的送餐路線也是不變的，送餐機器人可以采用紅外循跡的方法移動。紅外循跡是通過辨別黑色和白色來進行移動[8]，在預定規劃好的黑色線路上進行移動。紅外循跡的原理為：在紅外對管模塊中有紅外發射管和紅外接收管，紅外發射管向地面發射紅外線，接收管接收反射回來的紅外線。由于紅外線發射出來的紅外光，當遇到黑色時不反射紅外光，此時在紅外對管模塊中，輸出引腳會輸出低電平；同理，遇到白色，會輸出高電平。送餐機器人需要兩對紅外對管模塊，根據輸出的高低電平改變車輪的轉向，從而實現送餐機器人的循跡功能。

送餐機器人在行駛的過程中，不可避免地會遇到人或其他障礙物，在設計送餐機器人時，需要避障功能，這里選擇紅外避障。此次設計的送餐機器人的避障過程是當傳感器檢測到障礙物時，機器人停止前進，等待前方沒有障礙物時，繼續前進,送餐機器人避障流程如圖4所示。

圖4 避障流程圖

1.4 通信功能

送餐機器人要實現遠程控制，需要將STM32單片機對接阿里云物聯網平臺。ESP8266作為WIFI通信模塊，ESP8266在STA的工作模式下，實現ESP8266通過接收路由器的信號，從而能夠連接互聯網。使用MQTT(message queuing telementry transport)通信協議，實現STM32單片機與阿里云進行數據傳輸，安卓手機APP也同時接入阿里云，實現了APP遠程控制送餐機器人。ESP8266連接阿里云物聯網平臺的程序如下,程序函數返回值的含義如表1所示。

表1 函數返回值

//連接阿里云物聯網平臺

char WiFi_Connect_IoTServer(void)

{

//復位ESP8266

if(WiFi_Reset(50))

return 1;

//使用AT指令，設置STA模式

if(WiFi_SendCmd("AT+CWMODE=1",50))

return 2;

if(wifi_mode==0){

//設置自動連接網絡

if(WiFi_SendCmd("AT+CWAUTOCONN=1",50))

return3; // 連接路由器

if(WiFi_JoinAP(30))， return 4; }

//連接服務器

if(WiFi_Connect_Server(100)) return 5;

return 0; }

1.5 視頻查看功能

市面上大多數移動機器人不能自主移動，而是在機器人前面安裝IP網絡攝像頭模塊，攝像頭將前方路況畫面回傳控制面板上，根據路況來手動控制機器人的移動。而筆者使用IP網絡攝像頭模塊的作用是：當送餐機器人長時間沒有移動或長時間沒有完成送餐，可以通過安卓手機APP，開啟IP網絡攝像頭功能，查看送餐機器人周圍的情況，及時排查送餐機器人長時間停留的原因；當遇到機器人無法判斷繼續前進的狀況時，也可以根據IP網絡攝像頭回傳的畫面，在APP上手動控制送餐機器人的移動，完成送餐任務。

1.6 送餐狀態檢測功能

本設計中送餐狀態信息能夠及時在APP中的控制界面中顯示，便于酒店工作人員查看，因此需要設計一種方案，確認送餐機器人到達了指定客房位置，客人是否已經出來取餐，需要將送餐完成情況回傳到遠程控制界面上。目前市面上一些送餐機器人都缺少檢測部分，一般都是酒店工作人員過一段時間撥打客房服務電話，詢問客人餐飲是否已經送達。另一種常見的做法是送餐機器人到達送餐房間后，客人取餐后，客人在送餐機器人按下確認按鍵，但是這種需要客人積極配合，如果客人取餐完成后忘記按確認，酒店工作人員不能及時在控制界面上收到回傳信息，還是需要酒店工作人員打電話確認，這兩種常見的方案，不僅會因為打電話詢問打擾了客人，而且增加了酒店工作人員的工作量。

筆者設計了一種檢測送餐狀態方案，該方案是根據檢測放餐飲位置的重量變化來檢測客人是否取餐完成。在放餐飲位置下安裝一個稱重傳感器，通過稱重傳感器不斷計算出重量，當重量由高變低時，表示客人取餐完成，將完成信息通過阿里云物聯網平臺回傳到APP遠程控制界面上。檢測送餐完成狀態流程如圖5所示。

圖5 檢測送餐完成狀態流程圖

使用應變式稱重傳感器和A/D轉換器芯片HX711,應變式稱重傳感器的模擬輸出電壓信號給HX711轉換芯片，HX711將模擬信號轉換成數字信號，得出餐飲的重量變化量。筆者使用STM32F1單片機作為主控制器，對A/D轉換器進行測量數據的采集，實現實時測量。測量出的數據再與設定值進行比較，如果測量數值大于設定值，表示送餐未完成，置位餐飲未取出標志位HX711_Flag；當測量數值小于設定值，復位餐飲未取出標志位HX711_Flag，表示送餐完成，回傳送餐完成信息。送餐狀態檢測硬件程序如下：

/檢測送餐完成程序

void Get_Weight(void)

{

HX711_m = HX711_Read();//讀出采樣值

//計算出實際重量

HX711_m = HX711_m/GapValue;

//重量大于300，則表示餐飲沒有取出來

if(HX711_m > 300)

{

HX711_Flag=1；

Completion_Flag=0;

}

else

{

HX711_Flag=0；

delay_ms(1000);

}

//重量小于300，表示送餐完成

if(HX711_m <=300&&HX711_Flag!=1)

{

HX711_Flag=0;

Completion_Flag=1;

}

}

2 送餐機器人下位機軟件設計

送餐機器人主控芯片為STM32F103ZET6，在使用各個模塊時，首先要初始化每一個模塊。下位機與阿里云建立連接時，需要ESP8266無線通信模塊，ESP8266完成初始化后，使用AT指令，設置ESP8266工作在STA模式下，連接路由器，ESP8266開始與阿里云平臺建立TCP(transmission control protocal)連接，建立成功后，根據MQTT通信協議和阿里云平臺提供的STM32_MCU控制端三元組信息，發送連接報文。與阿里云平臺建立連接后，發送訂閱報文，訂閱設備的Topic,用于接收APP控制端的控制信號，下位機控制流程如圖6所示。

圖6 下位機程序控制流程圖

3 阿里云物聯網平臺

送餐機器人要實現遠程控制，需要將送餐機器人接入阿里云平臺上。首先，用戶要登錄阿里云，在物聯網平臺上創建產品，在產品下，添加設備，這次需要添加兩個設備，分別是Android_APP控制端和STM32_MCU控制端，添加完成后，會生成唯一產品和設備，獲得設備三元組[9]:ProductKey(產品密鑰)、DeveiceName(設備名稱)、DeviceSecret(設備密鑰)。設備的三元組是上位機、下位機與阿里云建立MQTT報文通信協議標識符。為了區分APP向下發送消息，需要在設備管理欄下的產品中自定義功能類型，確保功能按鈕的唯一性[10]，部分功能定義如表2所示。

表2 功能定義

4 送餐機器人APP控制端UI界面設計

所設計的送餐機器人遠程控制端使用Android Studio開發環境開發安卓APP。本系統設計的遠程控制界面是由登錄界面、注冊界面、MQTT協議、多線程管理、送餐房間號管理、遠程監控界面、手動操作界面組成，遠程控制界面APP系統流程如圖7所示。

圖7 遠程控制界面APP系統流程圖

使用Android Studio開發遠程控制界面APP的核心技術是建立Socket，數據的發送或接收，需要使用到Android系統中的Handler消息傳遞機制[11]，Android系統調用Handler消息傳遞機制時，需要開啟Message，Message Queue以及Looper[12]。Handler的任務是負責處理Message,在本系統中需要處理MQTT連接阿里云物聯網平臺的消息，包括MQTT連接阿里云成功、失敗反饋消息以及阿里云收到單片機回傳消息。

APP與單片機使用的通信協議是MQTT,APP連接上阿里云物聯網平臺，APP通過按鈕的點擊事件，將控制信息以JSON的ALINK協議格式上傳到阿里云，然后通過阿里云以同樣的數據格式下發給STM32MCU，STM32MCU執行相應命令。

在安卓手機上安裝已設計完成的APP，打開APP,酒店工作人員需要先登錄，登錄成功后，才能有使用權限。

酒店工作人員登錄成功，可以根據實際情況選擇送餐房間，確定房間以后，APP界面跳轉到遠程控制界面上，遠程控制界面如圖8所示。

圖8 遠程控制界面

當送餐狀態長時間處于未完成時，工作人員可以在遠程控制界面上，按下手動按鈕，進入手動操作界面。工作人員可根據攝像頭拍攝情況進行手動調整完成送餐任務。

5 結論

送餐機器人使用STM32F103ZET6單片機作為核心控制器，使用ESP8266無線通信模塊，根據MQTT通信協議，將單片機的數據上傳到阿里云物聯網平臺。在Android Studio開發環境下，使用Java編程語言，開發遠程控制界面APP，使用手機可以遠程控制和監控送餐機器人。該機器人可以應用到酒店、醫院及特殊隔離房間等場合，可以減輕工作人員的工作強度，減少運營成本。