基于单片机与互联网的高空玻璃清洗远程控制管理系统

王思甜

摘要：人工完成高空玻璃清洁有很大的危险且成本高，为了有效解决这一问题，设计了高空玻璃清洗系统。通过远程PC端控制及滚刷完成高空玻璃的清洁与管理。此系统可解决高空擦窗成本高、危险系数高的问题。随着近些年来各个城市不断进行大规模基础建设与改造，一些高大、形状各异的建筑层出不穷。此外，整个社会不断增强环境保护意识，也为玻璃清洗机器人的开发创造了应用条件和外部环境。目前，国内也有一些关于壁面清洗机器人的研究，设计了一个清洁系统来满足一体式擦窗需求。

关键词：高空玻璃清洗系统;互联网+;真空吸附式;智能机器人

中图分类号：TU976.42

文献标识码：A

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

1 国内擦窗机器人发展现状与项目背景

1.1 行业背景

随着社会的快速发展，到处都是参天高楼，房屋面积越来越大，且很多都是落地窗。所以，窗户清洁已成为每个建筑和家庭都不能离开的“头疼事”——大楼会雇请擦窗工人在高空进行作业，这样的作业不仅效率低、成本高，而且非常的危险。各种现象都深刻地表明了推行窗户清洁系统的必要性和重要性。

1.2 窗户清洁机器人的发展现状

日本最先开始研究壁面式移動机器人。1966年，一种理想的利用风扇产生的负压吸附原型机在日本诞生。而后，在1975年，出于实用的角度，又开发了第二代机器，它使用一个吸盘来吸盘并用轮子行走。之后，日本结合了当时市面现有的专用清洗机器人又开发了更多类型的壁面移动机器。中国对壁面清洗机器人的研究相对日本等国家起步较晚，但发展迅速。哈尔滨工业大学等在壁面机器人领域处于领先地位。许多研究机构也推出了自己的壁面移动机器人。

2 系统组成

本系统致力于高空玻璃的清洁，旨在提供更安全、更有效的方式来清洁高空玻璃。目前，有一些公司在做擦窗机的服务。这些公司都为高层建筑提供窗户清洁机，但这些公司都是为高楼提供擦窗机的安装服务，但擦窗还是人工进行，没能实现擦窗智能化;而对于小区或相对矮的楼房，只有供用户自己购买的擦窗智能机器人存在，价格贵，擦窗机器人得不到最大化利用。

各高楼物业聘请的高空擦窗工人效率低，且对工人来说擦窗危险系数大。为了解决高空擦窗作业工人的安全等问题，研究了基于互联网的高空玻璃清洗系统，通过远程控制技术，嵌入式开发在网络层和应用层实现了包括将擦窗机器人运作状况发送给物业、智能壁面清洗机器人自动擦窗等功能，并结合现在的互联网实现了PC端远程操控，自动驱使机体执行擦拭、探测边框、导航路径等任务，还可一键遥控、自动作业。该系统不但免除了工人高空作业的危险，给大厦和小区的擦窗管理带来方便，而且满足了如今科技迅猛发展下的互联网市场需求。

3 技术实现

3.1 远程控制技术与Web服务板块

3.1.1 无线通信技术和单片机通信系统

作为通信交换方法，无线通信技术指的是使用电磁波信号来使信息能够实现交换而不受地域、空间因素的影响。电磁波信号在自由空间中可无障碍传输，微波传输距离可达10 000 m左右。传输距离虽然比较短，但是传输线路的频带宽并且通信容量大。在卫星通信信号中，作为用于信号接收的中继站，通信卫星可以实现地球上两个或更多个移动物体之间的连接。

MCU通信系统由集成电路芯片组成。工作原理是将中央数据处理器CPU设置在大规模集成电路的中心，然后将驱动模拟电路转换器和随机存取存储器RAM结合起来，有效地处理传输数据，科学地转换数据。在相应优化设计的基础上，可以很好地接收和传输通信数据。

3.1.2 无线通信技术在单片机中的应用

3.1.2.1 数据传输方案

通常情况下，在操作过程中，需要通过无线通信技术运行MCU通信系统。相关工作也将直接围绕监控系统进行，监控系统将跟踪记录，有效地诊断系统监控运行期间主体的状态与性能以及发生的问题。在完成整个任务的过程中，作为主要载体的机车设备将下载系统在运行期间生成的所有数据信息，并将其传输到地面的数据管理库。就系统操作产生的数据信息而言，它具有一定的复杂性与大规模性，在进行数据传输时需要配合多种数据传输方式，对数据存储设备容量的要求也比较大。

在数据传输模式选择过程中，需要大容量的数据存储设备，且手动存储和传输一些数据也必不可少。这使得处理后的信息数据的复杂性增加，数据传输的标准化也会降低。可以看出，在选择数据传输方案时，有必要加强对无线通信技术特性的综合考虑，以保证数据传输效率。

3.1.2.2 单片机与无线数传模块接口

无线通信技术在MCU通信系统的应用中，两者之间的对接问题通常普遍存在。接口的主要功能是在对接微机和无线数传模块时提高其准确性及稳定性。利用中断源和CPU，可以实现微机与无线数传模块在不同状态下的有效对接，使对接模式的灵活性大大提高，与此同时，承载了部分MCU控制接口的负担，从而有效地保证了单片机通信系统的稳定运行。

3.1.2.3 通信程序流程

无线通信技术在MCU通信系统中应用频繁，这涉及相应的程序流程。当发送通信请求时，通信中心对该过程有更多需求。因此，有必要有针对性地设置相应的程序流程，然后顺利完成通信数据的接收和传输。在传输响应数据时，如果MCU通信系统没有收到维护和提示，且超过了三个通信请求，则操作和维护中心将根据程序执行后期维护操作。

3.1.3 通信实现

MCU通过SPI接口控制以太网控制器并与Web服务器通信。Web服务器将擦窗机器人的IP存储在数据库中。当用户在浏览器上登录服务器时，发出控制信息，此时的控制信息将通过互联网发送到擦窗机器人，擦窗机器人接收到信号后根据信息进行相应的操作，从而实现用户的远程控制。当需要擦窗机器人独立完成擦窗任务而不需要人工控制时，可以将系统设置为自动模式以进行无人控制。此时MCU为IP地址固定的客户端。发送信息前，MCU发送ARP请求以获取服务器DNS地址，实现UPD连接，同时发送http请求。

3.1.4 Web服务器设计

此部分用MYSQL语言实现，主要处理MCU发起的连接请求，以不同的IP地址区分不同设备的数据包，提取信息并存储。服务器控制界面有用户登录界面、擦窗清洁模块电池使用情况、清理进度实时监测等，擦窗清洁模块电池使用情况如图1所示，清理进度实时监测如图2所示。

3.2 智能壁面清洁机器人板块

3.2.1 清洁机器人技术组成

吸附：用真空吸附法，也可用负压吸附法实现。同时使用多个吸盘使机器人吸附力增加，当墙壁不是绝对平坦时，可避免单吸盘泄漏导致的吸附力的减小及承载能力的下降。

移动：可用履带式实现，该方法可很好地适应不同的墙面，且着陆面积大，可以满足各种不同材质及起伏状况的墙面的需求，并有效克服障碍物，实现全方位运动。

清洁：基本组成为直流电机、滚刷和雨刷板。直流电机可实现无级调速，并驱动滚刷以恒定速度稳定地清洗壁面。

回收：清洁过的污水通过过滤器后又可重复使用，流回水箱，不仅可以节约用水，还能提高清洁效率。

3.2.2 主体驱动模块

L298是一种高压高电流电机驱动芯片，非反向输入可使四个输出产生不同逻辑电平，实现电机的正转和反转。

3.2.3 喷水模块

对壁面进行表面清洁时必须有一定的水压才可达到清洁效果，水压过大过小都会造成麻烦，比如压力过小时，清洁质量达不到要求;压力过大时，机器人的吸附控制将变得困难。为了解决这个问题，可以在一定清洁压力下同时提升清洁频率，即每单位时间清洁刷与待清洁表面之间的接触次数增加。

3.2.4 机器人控制

清洁机器人系统控制由PC管理，人机交互控制可以通过如图3所示的PC显示窗口界面方便实现。主体驱动模块和PC的前端配备有收发模块，以实现通信数据信号的无线传输和接收。

4 结束语

本设计系统稳定、硬件简单、成本低，可用于高层建筑、学校、医院办公楼、住宅小区等室外玻璃清洁，具有一定的实用价值，可以有效地解决高楼清洁窗户既危险成本又高的问题。

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