基于Arduino Nano和MQTT的智能晾衣机器人，可检测降雨、追踪阳光，并在干燥区与安全区之间移动衣物

1. 引言

该项目是一款智能晾衣架机器人，旨在作为现实世界自动化晾衣系统概念验证的实现。

这个想法源于一个实际问题。我住在墨尔本，那里的天气变化非常快。曾有几次，我把衣服晾在外面晾干，去上大学后回来发现它们被雨水淋湿了。这个项目旨在探索嵌入式系统如何通过检测环境条件并自动响应，来帮助解决这个问题。

我没有建造一个完整的晾衣架，而是制作了一个小型机器人，用来模拟自动晾衣架的运行过程。这个机器人能够检测光线方向、感应雨水、沿线路移动，并在干燥区和安全区之间穿梭，同时通过MQTT与树莓派仪表板进行通信。

2. 发展方法

我没有一步到位地完成整个机器人的建造，而是逐步进行，并在添加下一部分之前测试每一部分。

开发过程如下：

•我首先组装了机器人的底盘。

•然后我安装了面包板、L298N电机驱动器和6节电池组。

•我使用一个简单的测试脚本对电机和电机驱动器进行了测试。

•底座运动完成后，我在前面加装了三个线路传感器。

•我用一个简单的脚本单独测试了行传感器。

•然后我加装了雨量传感器，并测试了干湿状态的读数。

•之后，我添加了两个BH1750光传感器，并测试了它们的读数。

•一旦传感器能够独立工作，我便开始开发机器人的实际逻辑。

•我首先让机器人朝向更强的光线旋转。

•然后我使用串行监视器命令，让机器人移动到安全且干燥的区域。

•我多次调整了逻辑，直到动作变得可靠。

•之后，我添加了线条追踪和区域检测功能。

•最后，我添加了MQTT通信和树莓派仪表板。

这种方法行之有效，因为每个新模块在成为最终系统的一部分之前都会经过测试。如果出现问题，我就能知道是哪个部分刚刚被添加或修改了。

3. 所用硬件

我主要使用的硬件是：

•Arduino Nano 33 IoT IoT 板

•L298N电机驱动器

•两轮机器人底盘

•两个直流电机

•面包板

•6节AA电池组

•三线传感器

•雨量传感器

•两个 BH17500 光感传感器

•跳线

•双面胶

•用于安装线路传感器的薄型可锻金属板

•树莓派用于后端/仪表盘

在组装过程中我使用了双面胶，因为它让我可以在测试时重新调整零件位置。

4. 电路图与接线概览

在组装完整机器人之前，我已规划好Arduino Nano、L298N电机驱动器、传感器和电池组之间的接线。电路图展示了这些主要模块在安装到机箱之前如何连接。

最重要的接线要点是所有模块都需要共用一个地线。Arduino Nano、L298N电机驱动器、雨传感器、线路传感器、BH1750传感器以及电池供电必须共用地线，以确保信号能够正确读取。

我最终构建中主要使用的连接方式是：

L298N 的 ENA 和 ENBBB 跳线保持安装，因此我没有使用 PWM PWM 引脚进行速度控制。相反，最终代码采用数字脉冲运动方式，使电机动作更平缓。

5. 搭建底盘

第一步是组装基本的机器人底盘。我安装了两个直流电机，装上车轮，并安装了前轮脚轮。

现阶段还没有安装传感器。我只是想确保机器人有一个稳定的底座，并且有足够的空间来后期安装面包板、电机驱动器、电池组和传感器。

6. 安装面包板、L298N和电池组

底盘组装完成后，我安装了面包板、L298N电机驱动器和6节电池组。

我用双面胶将这些部件固定在机箱上，这样在测试时更容易调整元件位置。L298NNN 被安装在电机附近，以便电机线缆能轻松连接。面包板放在上方，便于之后添加 Arduino 和传感器的线路。电池组则安装在合适的位置，以便独立为机器人供电。

此时，机器人已具备运动所需的基本部件：

•电源用电池组;

•L298N 用于电机控制;

•用于布线的面包板;

•使用Arduino Nano作为控制器。

7. 测试电机驱动器

在添加任何传感器之前，我使用一个简单的Arduino脚本测试了电机驱动器和电机。

本次测试的目的是确认：

•左侧电机可以向前和向后移动;

•正确的电机可以向前和向后移动;

•两个电机可以同时运动;

•机器人可以左右旋转;

•停止功能已生效;

•电池和L298N实际上可以为电机供电。

这个阶段很重要，因为电机方向在第一次尝试时并不总是正确。根据电机的接线方式，一侧可能会反向旋转。我调整了电机方向设置，直到机器人能够正确地向前移动、向左旋转、向右旋转并停止。

在我的最终接线中，L298N电机控制引脚是：

我保留了L298N的ENA/ENB跳线，因此机器人没有使用PWM引脚。相反，最终代码采用数字脉冲运动方式，使电机动作更平缓。

8. 添加线路传感器

电机系统运行后，我在机器人的前面加装了三个线路传感器。

三个传感器的排列方式如下：

我用从面包板上剩下的薄可锻金属片将它们固定起来。这种方法效果很好，因为可以稍微弯曲金属片，使传感器朝下放置。我用胶带将传感器和支架固定在原位。

线路传感器已连接到：

此时，我并没有立即添加完整的行跟踪功能。首先，我用一个简单的脚本测试了传感器，该脚本会打印读数。我只使用黑色胶带作为测试表面，以确认传感器能够正确检测暗区和亮区。

这一阶段的目标只是检查每个传感器在经过暗线时是否会产生反应。

9. 添加雨量传感器

在安装并测试了线路传感器后，我加装了雨量传感器。

雨传感器主要有两个部分：

•感应板;

•控制模块。

我将感应板安装在测试时易于触及的位置，控制模块则放置在面包板附近。再次使用双面胶，以便在需要时可调整传感器的位置。

雨传感器输出连接到：

我用一个简单的脚本单独测试了雨传感器，该脚本会打印模拟读数。我将传感器干燥时的数值与湿润时的数值进行比较，这帮助我确定了检测降雨的阈值。

在最终设置中，干区读数大致较高，湿区读数较低，因此最终代码使用阈值来判断是否有降雨。

10. 添加和测试 BH17500 光感传感器

我添加的最后一个传感器是两个BH1750光感传感器。

我在机器人左侧安装了一个BH1750传感器，在右侧也安装了一个。使用垂直支撑使传感器高出机器人机身，这样有助于传感器更好地检测来自不同方向的光线。

两个传感器都使用I2C，因此需要不同的地址：

在编写机器人旋转逻辑之前，我先使用一个简单的测试脚本来确认两个传感器都能正常读取数据。该测试会打印左右两侧的光照强度值，以便我检查当光线指向传感器时，每个传感器是否都能做出响应。

在最终代码中，两个传感器都以如下方式初始化：

这使得机器人在启动时能够检查每个BH1750传感器是否被成功检测到。

11. 让机器人朝向阳光旋转

在确认两个BH1750传感器都能读取数据后，我开始着手处理太阳平衡逻辑。

想法很简单：

最终逻辑比较两个亮度值，并采用死区，以防止机器人在微小差异时发生旋转。

死区很重要，因为如果没有它，机器人即使在光线差异非常小时仍会持续旋转，这使得机器人更加稳定。

太阳追踪功能仅在机器人处于干燥状态且启用洗衣模式时使用。

12. 使用串行命令控制运动

在添加MQTT或仪表板之前，我通过串口监视器命令来控制机器人。这样可以更方便地测试运动，而无需依赖后端服务。

串行命令如下：

命令处理逻辑如下所示：

这个阶段很有用，因为我可以将机器人放置在测试表面上，发送指令，观察其运动，然后调整逻辑。

我多次调整了运动方式，最终才得到一个能正常工作的版本。机器人需要正确旋转、寻找线条、向前移动，并在需要时停止。

13. 开发线传感器逻辑

机器人能够通过简单的串行指令移动后，我开始着手进行线路追踪。

三个线路传感器被读取为一个三位模式：

以下函数读取三个传感器并将它们转换为该模式：

这成为机器人运动逻辑的基础。

总体的运动理念是：

最初的版本过于敏感，机器人有时会过度校正，因为它对每一个微小的传感器变化都会做出反应。我通过添加逻辑来改进这一问题，该逻辑能够容忍短暂的闪烁，并仅在需要时进行校正。

14. 线路追踪与恢复

跟随线路时的一个问题是机器人可能会偏离轨道。当这种情况发生时，需要一种方法重新寻找线路，而不是完全停止。

最终代码采用了一种线迹追踪状态。当机器人检测到左侧或右侧的线时，会锁定该方向并保持朝该方向旋转一段时间，从而有助于减少随机左右移动。

逻辑的简化解释如下：

部分追踪线路的逻辑是：

这是改进机器人运动性能的部分之一，因为它能防止机器人在读取到快速变化的线路信息时不断改变方向。

15. 通过向前发力改善动作

另一个问题是动作迟缓。如果机器人能立即纠正每一个微小的侧向读数，它就会移动得过慢且不均匀。

为了减少这种情况，我采用了一段较短的前向提交时间。当机器人看到中心线时，它会短暂地认为自己已对齐并继续向前移动。除非出现持续的小幅度闪烁，否则会被忽略。

这是一项重要的改进，因为它使机器人运动更加平稳，不再频繁地左右晃动。

16. 开发安全区与干燥区检测

机器人能够沿线移动后，我添加了用于检测安全区和干燥区的逻辑。

机器人通过标记图案来检测区域。其原理是：

就传感器模式而言：

机器人不会信任任何一次读数，而是在等待稳定且重复的读数后，才确认一个区域。

由于传感器读数中的微小误差可能导致区域检测错误，因此该逻辑经过了多次迭代优化。要求重复读取数据使系统更加可靠。

17. 添加雨效果

一旦运动和区域检测功能正常运行后，我便将雨传感器逻辑连接到机器人的行为控制中。

机器人只有在以下情况下才应移动到安全位置：

雨的逻辑是：

这是项目中最重要的部分之一，因为降雨安全由Nano本地处理。仪表盘虽然有用，但机器人无需等待仪表盘判断降雨不安全。

18. 添加MQTT通信

机器人本地运行后，我添加了MQTT通信。

添加了MQTT协议，以便机器人能够远程发送遥测数据并接收指令。Nano将传感器和状态信息发布到公共的MQTT消息代理，而树莓派后端则订阅这些信息。

MQTT 代理是：

主题包括：

Nano 以 JSON JSON 格式发布遥测数据：

这使得仪表板能够显示机器人的当前状态、降雨情况、光照读数、线路图案以及最新事件。

19. 接收MQTT命令

机器人还可以从仪表盘接收MQTT指令。

支持的命令如下：

命令处理器接收纯文本命令或JSON命令。

例如，当接收到 MOVE_TO_SAFE 信号时，机器人会检查自己是否已处于运动关键状态。如果尚未处于该状态，则开始向安全区域移动。

这使得机器人可以从仪表盘进行控制，同时将主要的安全性和运动逻辑保留在Nano上。

20.添加树莓派仪表板

最后一步是添加树莓派仪表板。

仪表盘是在机器人开始运行后添加的，其目的是使系统更易于监控和控制。

仪表盘显示：

•机器人状态;

•目标区域;

•最新活动;

•线传感器图案;

•雨量传感器读数;

•雨情状态;

•左右关节活动度读数;

•MQTTTT 状态;

•洗衣主动模式;

•最近的日志和事件。

它还提供了按钮，用于向机器人发送手动指令，例如移动到安全区域、返回干燥区域、停止机器人运行，以及启用或禁用洗衣主动模式。

树莓派并未取代机器人的本地逻辑。Nano 仍然负责处理雨天响应、线条追踪、区域检测、运动控制以及传感器决策。仪表板主要用于监控、日志记录和远程控制。

21. 将后端迁移到树莓派

在确认 Flask 仪表板在本地运行正常后，我将后端迁移到了树莓派。

仪表板的第一个版本是在笔记本电脑与后端服务器和Nano处于同一本地网络时进行测试的。这帮助我确认了仪表板能够发送命令，且Nano能正确响应。一旦实现这一功能，我就希望后端能够独立运行，不再依赖我的笔记本电脑。

该项目使用了树莓派作为小型常驻服务器。我将Flask后端复制到树莓派上，安装了所需的Python依赖，并从那里运行了仪表板。

树莓派后端负责以下工作：

•运行 Flask Flask 界面;

•接收来自机器人的遥测数据;

•显示机器人状态和传感器数值;

•发送手动命令;

•记录事件和状态;

•无需使用笔记本电脑运行后端，即可保持仪表盘可用。

•这使得树莓派成为最终系统的主后端和监控点。

22. 最终演示与结果

最终的机器人成功演示了智能晾衣架概念的主要功能。当启用洗衣模式时，机器人可留在烘干区域，监测雨量传感器，并比较两个BH1750传感器的光照读数，通过MQTT实时将状态信息发送至树莓派仪表板。一旦检测到并确认降雨，Arduino Nano 33物联网模块会本地处理安全响应。机器人会沿线路追踪，识别正确的区域标记，从烘干区自动移动至安全区，无需依赖仪表板做出决策。仪表板仍可用于监控机器人的状态、查看传感器读数，并发送手动指令，例如移动至安全区、返回烘干区、停止机器人运行或开启/关闭洗衣模式。

本文编译自hackster.io