EMPU在智能扫地机器人中的运用

姚妍利 东南大学艺术学院

1 EMPU的技术理论和应用背景

嵌入式微处理（EMPU）技术，是以应用为目的，以计算机技术为基础，且软硬件可裁剪，适用于系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。它是一种与通用处理器不同的嵌入式处理器，大多可在特定用户群设计的系统中工作，通过代码实现对主板上的硬件设备的控制。嵌入式微处理器有着不同的体系，一般根据具体应用选择适用的嵌入式微处理器。其中，主流的体系有ARM、MIPS、PowerPC、X86 和SH等。随着科学技术的发展，EMPU已经被越来越多智能化概念的产品设计所应用，走进千家万户，方便越来越多的使用者。

2000年左右，我国开始推广智能家居产品，虽然智能家居的技术研究起步较晚，但随着智能家居技术的成熟和市场的不断完善，如何将信息产业的最新研究成果应用在智能扫地机器人设计中，引起人们的广泛关注。嵌入式微处理技术的广泛性及其巨大的市场需求，成为设计师思考的重要议题。智能扫地机器人设计理念的宗旨就是体现并满足用户的需求，而嵌入式微处理器系统以其处理能力强、可靠性高、体积小、功耗低、成本低、保密性好等众多优点，受到消费者的亲睐，具有广阔的市场前景。文章基于EMPU 技术理论浅析市场上已有智能扫地机器人案例，最终得出智能化清洁机器人的评估结果。

2 基于EMPU智能扫地机器人创新设计总体框架

EMPU 技术提供一种实现嵌入式应用的功能系统。在不同学科交叉融合发展的今天，经过市场不断变迁和发展，作为现代化数字信息产品的核心引擎，嵌入式微处理器在智能扫地机器人中占据了重要的地位。随着物联网潮流的来袭，市场需要低功耗、高性能的嵌入式微处理器平台，以适应大量智能产品的应用。嵌入式微处理器的典型代表是单片机，芯片内部集成ROM/EPROM、RAM、总线、总线逻辑、计数器、I/O、串行口、脉宽调制输出、A/D、D/A、Flash RAM、EEPROM等各种必要功能和外设。其具有单片化、体积小的特点，从而降低功耗和材料成本，提高可靠性，且芯片上外设资源较丰富，适合于控制，是目前嵌入式系统工业的主流。其主要类型有8051、AVR、PIC等常用单片机，支持众多MCU和兼容系列，从而有利于工业产品设计人员应用于实践工作。

试验提出了一种系统性的创新设计方法：对市场上现有的智能扫地机器人设计进行调研，分析智能产品设计中已应用EMPU技术事例的概况，定义产品并进行设计和分析，提出了一组改进方案，然后进行方案评估，得到最优方案，实现对已有产品的改进和升级换代。基于EMPU技术理论的产品创新设计流程如图1所示。

图1 基于EMPU智能扫地机器人设计框架

为探究最新成果，首先对已有产品进行技术功能分析，从智能扫地机器人的总功能开始，逐层分解，确定系统子功能，构建产品的功能模型。然后根据功能模型中存在的问题确定问题类型，运用EMPU技术实现远程数据的采集，并通过无线方式可靠地传送到主机，从而实现智能产品的运用。应用EMPU 对智能扫地机器人进行设计和创新，得到符合实际情况的最优产品设计。在基于EMPU技术的产品创新分析框架指导下，整个创新产品设计过程变得更高效、更前沿，如何运用嵌入式微处理技术于智能扫地机器人设计中也将一目了然。

3 智能扫地机器人中EMPU前期调研和分析

3.1 前期产品调研

对市场上现有的扫地机器人产品进行前期调研和分析。首先，分析扫地机器人底盘操控的基本结构功能（如图2所示），选取杨子VZ-X2手推式地面擦地机、科沃斯T5pro扫地机器人和美的扫地机器人VR05F5-TY 等进行简单的可用性测试，并在其式样、性能、智能化、是否运用嵌入式微处理技术方面进行比较（如表1所示）。其次，倾听工程技术人员的想法，达到协同设计的要求，并进行问卷调查。最后，从符合人们日常使用行为习惯、模块化设计、产品功能可转换、多功能设计和感性工学等方面展开调查，并从人机工程学的角度，结合EMPU技术发展创新的基础评估现有的智能扫地机器人设计。

图2 扫地机器人底盘操控分析

表1 市场现有扫地机器人调研

通过查阅文献以及和工程技术人员沟通得出：市场上现有家居智能产品对EMPU技术的应用主要是以实现远程数据的传输。这种传输系统一般包括主机和从机两个主要部分的串行数据的无线传输系统。通过设计师与通信类工程技术人员的协同试验，扫地智能机器人的实验软件设计核心选取PTR8000的编程配置和嵌入式微处理器S3C2410X串行口控制器的编程配置，其中从机部分主要实现远程数据的采集，并通过无线的方式将从机终端输入的数据可靠地传送到主机超级终端上。S3C2410X串行口控制器的编程配置流程图如图3所示。

图3 S3C2410X串行口控制器的编程配置流程图

3.2 产品分析和EMPU的设计运用

产品分析主要通过研究EMPU技术的介入对家居扫地机器人设计的影响，调研出相应的技术理论对产品的再设计和创新。结合可持续设计的产品使用性设计策略，利用EMPU技术以使家居智能产品设计更加符合用户的日常使用习惯，改进使用产品时的不便：（1）在扫地机器人试验中引用模块化设计对EMPU技术进行合理的运用，根据用户使用情况考虑产品功能的转换，提高产品使用价值；（2）追求可变的使用形态，适应产品使用场景；（3）联系感性工学，关怀用户使用情感；（4）符合认知习惯，提高产品的易用性；（5）从人机工程学的角度确保产品的可用性，从而对家居智能产品的设计进行功能分析和引导，使运用EMPU 技术的机器人产品更符合人机工程学的原理，解决消费者遇到的问题并提高智能扫地机器人的易用性，多方面满足消费者的需求，在为人的设计中做到设身处境的思考。

嵌入式处理器针对用户的具体需求，对芯片配置进行裁剪和添加，达到理想的性能。由于将嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，它的升级换代和具体产品同步进行，EMPU处理器的功耗、体积、成本、可靠性、速度、处理能力和电磁兼容性等方面均受到应用要求的制约。因此，产品一旦进入市场，具有较长的生命周期。同时，它具有市场前景广阔、低成本、高利润的特点，可靠性强，其系统的运用远远超过了各种通用计算机，可应用于制造工业、过程控制、通讯、仪器仪表、汽车船舶、航空航天、军事装备、消费产品等领域。现在市面上有许多经典产品，如CISCO的路由器、华为、中兴的以太网交换机、So⁃ny的机器狗AIBO等。所有的硬件和软件都必须高效率地设计，力争在同样的硅片面积上实现更高的性能，这样才能在推广应用时具有更强的市场竞争力。

4 EMPU在智能扫地机器人中的应用案例分析

4.1 案例描述

笔者和工程技术人员在对市场上现有运用EMPU 技术的产品进行简单的可行性和分析的同时，对智能扫地机器人涉及到的嵌入式系统处理器也进行了的方案创新评估和案例分析。通过前期调查和产品技术分析，探究了EMPU对智能扫地机器人设计的技术指导，从而得出EMPU技术对产品具有智能性、易用性，符合消费者的行为认知习惯等特征。以家居智能扫地机器人为例，实施智能扫地机器人的产品设计方案，其概念思维如图4所示。

图4 概念思维

4.2 方案展示

根据前期调研和功能分析得出的问题和EMPU技术指导，以家居扫地智能机器人作为案例分析。研究其收发信号和轨迹行驶功能，运用EMPU 技术控制扫地机器人，同时应用蓝牙无线技术使上位机和下位机相连，扫地机器人机身为自动化技术的可移动装置，配置有集尘盒的真空吸尘装置，配合机身设定控制路径，在室内反复行走，执行如下指令沿边清扫、集中清扫、随机清扫、直线清扫等。辅以边刷、中央主刷旋转、抹布等方式，加强打扫效果，完成拟人化居家清洁效果。

图5 扫地机器人试验场景

4.3 方案测试材料

主要方案测试试验材料如图6所示，该试验在调查市场上各大智能家居扫地机品牌（如科沃斯、联想、西门子、美的、A·O史密斯等）的现有功能和材料可用性之后，将主要控制核心赋予stc-at89c51 单片机上。在试测试试验中，以行走装置作为下位机，智能手机或遥控机作为上位机，上、下位机系统交互之间运用蓝牙无线技术进行连接，主要使用HC-06 的宏晶蓝牙模块和遥控器通信（具体原理如图7所示）。由上位机发送指令控制下位机移动，由此实现其智能移动的功能。

图6 本文扫地机器人试验材料

图7 试验测试原理

为使本次试验中扫地机器人正常工作，根据相关材料为试验硬件电路编写可运行的程序。首先要保证机器人底盘能按作者的意图正常工作。在设计程序过程中需要考虑系统的容错能力和恢复能力，减少系统异常、死机等特殊情况的发生；考虑程序运行速度、响应速度等指标，保证加入EMPU 嵌入式技术时打开蓝牙设备遥控器与机器人设备能够进行迅速响应。扫地机器人底盘避障设置上使用E18－D80NK 红外避障传感器，模块内部分别有红外发射头和红外接收头。当机器工作时，发射端发出一定频率的光线，若前方有障碍物，光线则会相应呈现出反射面，这时红外接收端收到来自发射端的信号，经整流、放大后，解调输出。这种形式使得传感器集发射和接收为一体，抗干扰能力强，时间快、距离远、稳定可靠（工作原理如图9、10所示）。

图8 嵌入式系统接收信息避障原理图

图10 嵌入式系统接收信息和发射信息示意图

在创新评估环节，试验人员再次对智能家居扫地机器人进行使用操作，并通过访谈、观察和问卷调查来进行评估（如图11、图12 所示）。评估角度包括操作方便性等是否符合人机工程学使用行为特性、可远程控制和消费者喜爱程度的设计调查、产品功能的可转换性、多功能的设计特征、关怀不同年龄段用户使用情感的感性工学理论特征、符合用户认知习惯的特征、人机工学形态规范等。通过与传统家居清扫工具的对比，发现智能家居扫地机更具有易用性和可持续设计理念的使用性设计标准。从使用者角度，家居智能产品给居家人员带来了更多的便利，解决了居家过程中方方面面的不便，减轻了消费者的劳动力负担，让人们能够更好地享受轻松和愉悦。从行业角度来看，运用EMPU 技术的智能家居扫地机器人产品更符合市场的需求，提高了产品设计师的创新能力和工作效率，体现了企业的品牌专业性对消费者的人性化关怀，促进了整个工业产品设计行业的蓬勃发展。从市场角度来看，国内的智能扫地机器人的消费市场需求庞大且在不断增长，家居智能产品的设计不但顺应市场，而且能解决具体的家庭生活问题，将来必受到市场的热捧。从可持续发展的角度来看，基于EMPU技术的家居智能产品的设计顺应了时代发展的角度，提高了工作效率，其技术理论具有节能环保的功能，这让基于EMPU技术的家居智能产品具有可持续性。

图12 使用情景

5 结语

文章分析了EMPU的技术理论和应用背景，对市场上已有智能扫地机器人的总体框架进行了总结归纳。经过实际调研和试验，亲自体为今后的研究和推广提出了有益的示范模式。基于EMPU技术的家居智能扫地机的更符合人们的使用习惯，体现了产品易用性和灵活性的特点。由于嵌入式系统技术应用范围的广泛性和巨大的市场需求，EMPU技术在家居产品设计中的应用将是人们研究的重要议题。