旋渦式水面垃圾清理裝置及其遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

傅鵬有，羅 亮，吳 靜，張校偉，馮美玲

（西南科技大學(xué) 信息工程學(xué)院，綿陽(yáng)621010）

我國(guó)在經(jīng)濟(jì)高速增長(zhǎng)的同時(shí)，水環(huán)境與水生態(tài)問(wèn)題日益突出，水環(huán)境惡化對(duì)國(guó)民健康生活產(chǎn)生了嚴(yán)重影響和制約。尤其在城市景觀湖泊等小型水域的建設(shè)和維護(hù)過(guò)程中，由于水循環(huán)不佳，湖泊內(nèi)的垃圾時(shí)常無(wú)法排走，不僅影響美觀和污染環(huán)境還易導(dǎo)致水性生物死亡[1]。因而水面垃圾的清理成為重要的環(huán)境治理問(wèn)題，直接關(guān)系著整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的健康。

小型水域下的水面垃圾清理目前仍然以人工打撈垃圾和大型綜合清污船作業(yè)為主，前者勞動(dòng)量大、工作效率低、周期長(zhǎng)且具有一定安全隱患；后者結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體型龐大，在小型水域下行動(dòng)不便且使用成本過(guò)高。為此文獻(xiàn)[2-4]設(shè)計(jì)了自主行駛的小型垃圾收集船，但是制造成本高，運(yùn)輸及其使用較為麻煩。文獻(xiàn)[5]創(chuàng)新地提出了一種旋渦式的水面垃圾清理裝置，具有良好的創(chuàng)新意義和實(shí)用價(jià)值，但是尚不能與外網(wǎng)連接，只能本地控制，限制了裝置的使用距離。針對(duì)以上問(wèn)題，本文以流體學(xué)、單片機(jī)控制、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等作為理論基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了一套適用于小型水域的漩渦式水面垃圾清理裝置及其監(jiān)控系統(tǒng)。該清理裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、成本較低且自適應(yīng)能力強(qiáng)的特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)全天候打撈水面垃圾工作。同時(shí)，與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合，建立其云端服務(wù)器， 依托Android 移動(dòng)智能終端實(shí)現(xiàn)了對(duì)于裝置的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

1 總體設(shè)計(jì)方案

設(shè)計(jì)由上位機(jī)和下位機(jī)構(gòu)成，上位機(jī)由云端服務(wù)器和Android 端軟件構(gòu)成， 其架構(gòu)框圖如圖1所示。上位機(jī)用于垃圾清理裝置狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)控管理，判斷其垃圾清理裝置工作是否正常以及垃圾有無(wú)收集滿，以便于人工維修和及時(shí)清理裝置收集的垃圾。下位機(jī)為垃圾清理裝置，主要由裝置結(jié)構(gòu)外體、電源模塊、無(wú)線通訊模塊、傳感器檢測(cè)模塊、驅(qū)動(dòng)電路及水泵模塊構(gòu)成， 其整體架構(gòu)框圖如圖2所示。

圖1 上位機(jī)架構(gòu)框圖Fig.1 Architecture diagram of upper-computer

圖2 下位機(jī)裝置架構(gòu)框圖Fig.2 Architecture diagram of lower-device

裝置工作懸浮于水體中，其體設(shè)有進(jìn)水口。裝置通過(guò)液位檢測(cè)傳感器檢測(cè)當(dāng)前液位并依此控制潛水泵排水流量，使得艙體內(nèi)水平面與外界水平面形成固定液位差，由于引力作用，外界水流流入收集艙水流并形成漩渦。漂浮垃圾隨水流一同經(jīng)進(jìn)水口被吸入艙體內(nèi)部的垃圾濾網(wǎng)，水體通過(guò)濾網(wǎng)后由水泵排出裝置外，垃圾留于收集艙內(nèi)，以此實(shí)現(xiàn)垃圾與水體分離。如此反復(fù)循環(huán)，至收集艙收滿后自動(dòng)上浮停止收集， 并反饋狀態(tài)信息顯示Android 智能終端。

2 清理裝置結(jié)構(gòu)及模塊設(shè)計(jì)

2.1 清理裝置整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

裝置整體結(jié)構(gòu)如圖3所示。裝置整體為圓柱形結(jié)構(gòu)，由浮動(dòng)平臺(tái)和艙體構(gòu)成。浮動(dòng)平臺(tái)提供裝置懸浮所需浮力，艙體由收集艙和主控艙2 個(gè)艙體組成。收集艙主要由過(guò)濾殼體構(gòu)成，殼體為網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，殼內(nèi)可套設(shè)用于收集過(guò)濾垃圾后的垃圾濾網(wǎng)。主控艙內(nèi)含鋰電池、STM32 主控板和無(wú)線通訊模塊等電子設(shè)備。主控艙內(nèi)整體密封，以一真空管引出各線路，實(shí)現(xiàn)同外部外設(shè)通信。

圖3 裝置整體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structure diagram of the device

裝置浸入水中部分為對(duì)稱圓柱體，其整個(gè)艙壁所受壓力對(duì)稱，以微積分原理單位化拆分，相互抵消[6]。因此，控制水位差的關(guān)鍵在于控制水泵的排水速度以平衡進(jìn)水量與出水量。經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)，進(jìn)水口位于水面下3 cm 處較佳， 過(guò)高垃圾收集效果不好，過(guò)低則進(jìn)水量過(guò)大致使排水量響應(yīng)增大引起電源電量損耗過(guò)快。

裝置正常工作時(shí)懸浮在水面具有一定水位高度，由于水流不斷流入，故由艙體提供的浮力可忽略，主要由密封的主控艙和浮臺(tái)提供浮力。根據(jù)參數(shù)計(jì)算：裝置、浮臺(tái)、鋰電池以及內(nèi)置控制系統(tǒng)共計(jì)8.6 kg。主控艙為長(zhǎng)方形結(jié)構(gòu)，其長(zhǎng)寬高分別為15 cm，15 cm，8 cm，由阿基米德浮沉定律，浸在液體里物體受到向上的浮力，浮力大小等于物體排開(kāi)液體所受重力，取水密度為1.0×103kg/m3得：

可得，主控艙提供了1.8 kg 的浮力，因而為保證其正常工作時(shí)吃水深度，需要浮動(dòng)平臺(tái)提供約6.8 kg的浮力。浮臺(tái)由高密度聚乙烯EPS 泡沫構(gòu)成，主要分為3 個(gè)浮臺(tái)，固定于收集艙頂部，一方面提供裝置所需的浮力，一方面保證清理裝置的平衡，防止裝置因水浪而傾覆。

2.2 裝置控制系統(tǒng)

裝置控制系統(tǒng)主要由以電源、主控電路、無(wú)線通訊模塊、傳感器以及附屬電路構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。系統(tǒng)采用STM32F103C8T6 作為控制芯片，STM32F103C8T6 是基于Cortex-M3 架構(gòu)內(nèi)核的32 位處理器，擁有有3 路USART 通信接口，4 個(gè)16位定時(shí)器，每個(gè)定時(shí)器均可輸出4 路PWM 波，能夠滿足本設(shè)計(jì)的串口通信需求和對(duì)多路PWM 波輸出的控制[7]。

圖4 主控系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.4 Architecture diagram of main control system

無(wú)線通訊模塊采用E35-V 模塊，該模塊是一款基于GSM/GPRS 網(wǎng)絡(luò)的嵌入式無(wú)線速傳模塊，采用串口通訊，具有網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣、可靠性高和運(yùn)行成本低的特點(diǎn)。本設(shè)計(jì)中， 使用其模塊作為MQTT（message queuing telemetry transport）協(xié)議支撐，通過(guò)MQTT 建立與云端的無(wú)線數(shù)據(jù)通路。

傳感器包括滲水傳感器、溫濕度傳感器和液位傳感器， 滲水傳感器用于檢測(cè)主控艙是否滲水，溫濕度傳感器檢測(cè)艙內(nèi)環(huán)境，液位傳感器用于檢測(cè)裝置吃水深度，以此進(jìn)行抽水速度的調(diào)節(jié)。

2.3 水泵驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

裝置由2 個(gè)放置位置對(duì)稱的水泵進(jìn)行抽排水。水泵均為24 V 無(wú)刷直流潛水泵，為實(shí)現(xiàn)裝置收集垃圾滿后自動(dòng)上浮，2 個(gè)水泵滿載流量大于其裝置并留有一定裕量。同時(shí)，為實(shí)現(xiàn)對(duì)水泵抽排水速度的控制，設(shè)計(jì)此驅(qū)動(dòng)電路，如圖5所示。

圖5 水泵驅(qū)動(dòng)電路圖Fig.5 Schematic of the pump driver

設(shè)計(jì)采用BTN7970 驅(qū)動(dòng)器對(duì)水泵進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，BTN7970 是大功率H 半橋集成芯片，驅(qū)動(dòng)信號(hào)PWM頻率為1～25 kHz，且具有過(guò)溫、過(guò)壓、過(guò)流和短路保護(hù)等診斷功能。為保護(hù)控制電路和驅(qū)動(dòng)BTN7970 芯片， 設(shè)計(jì)采用SN74AHC244DW 高速COMS 同向三態(tài)緩沖器分別與水泵驅(qū)動(dòng)器和控制電路相連接。同時(shí)，又在2 個(gè)水泵驅(qū)動(dòng)芯片間加入雙向TVS 管對(duì)電路進(jìn)行保護(hù)，免受各種浪涌脈沖的損壞。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 裝置液位控制實(shí)現(xiàn)

裝置通過(guò)液位傳感器檢測(cè)其吃水深度，進(jìn)而通過(guò)PWM 波調(diào)節(jié)水泵抽水速度， 從而使得抽水速度平衡其進(jìn)水速度以維持其懸浮。其裝置控制工作流程如圖6所示。

圖6 垃圾清理裝置控制流程Fig.6 Control flow chart of garbage cleaning device

在裝置剛放入水中時(shí)，液位傳感器此時(shí)高于水面，因此，控制水泵反向吸水，使得裝置下沉。液位傳感器檢測(cè)進(jìn)水口到其水面時(shí)控制水泵開(kāi)始工作，并逐步將其裝置進(jìn)水口平穩(wěn)在水下3 cm 以形成水位差，產(chǎn)生渦流將水和漂浮的垃圾一同卷入垃圾濾網(wǎng)中。伴隨裝置工作，艙體內(nèi)垃圾逐步增多，裝置因此下沉，此時(shí)控制其PWM 波占空比逐步增大，擴(kuò)大其水泵抽水流量， 重新平衡裝置至最佳收集水位。經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，本設(shè)計(jì)中以占空比高到百分之八十時(shí)，判斷其裝置收集滿，此時(shí)水泵滿載抽水，抽水量大于入水量，裝置上浮，進(jìn)水口高于水面，并將信息發(fā)送，并反饋狀態(tài)信息顯示Android 智能終端。

3.2 通訊實(shí)現(xiàn)

清理裝置與服務(wù)器通訊采用MQTT 協(xié)議，MQTT 協(xié)議是IBM 開(kāi)發(fā)的即時(shí)通訊協(xié)議，該協(xié)議基于TCP/IP 協(xié)議，專為大量計(jì)算能力有限，且工作在低帶寬的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備開(kāi)發(fā)[8]。MQTT 使用發(fā)布/訂閱消息模式，訂閱者訂閱話題，訂閱者能接受到所有該話題的信息，發(fā)布者發(fā)布話題，所有訂閱該話題的訂閱者均能接后話題信息。本設(shè)計(jì)中，由于移動(dòng)終端只對(duì)清理裝置進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控， 而不進(jìn)行控制。因此，清理裝置與云端為單向通訊鏈路，服務(wù)器只訂閱清理裝置發(fā)布的數(shù)據(jù)而不自己發(fā)布。

服務(wù)器與移動(dòng)終端采用HTTP 建立鏈接， 為保證其網(wǎng)絡(luò)傳輸速度和便于機(jī)器解析，服務(wù)器與移動(dòng)終端、清理裝置之間均采用JSON（JavaScript?Object Notation，JSON）格式進(jìn)行通訊，JSON 是一種輕量級(jí)的數(shù)據(jù)交換格式，由名稱和值構(gòu)成。具體數(shù)據(jù)格式如下：

{ "100001"：[

{ "temperature"："24"，"humidity"："25" }，

{ "flood"："0xDD"，"state"："56"}，

]}

10001 為設(shè)備ID，由六位整形數(shù)構(gòu)成，不同ID代表不同設(shè)備；temperature，humidity 分別代表溫度和濕度，值格式為0～100 的小數(shù)，其后面值代表當(dāng)前密封艙內(nèi)溫濕度值；flood 用于表示密封艙內(nèi)是否進(jìn)水，0xDD 代表未進(jìn)水，0xFF 表示進(jìn)水；state 代表裝置垃圾收集進(jìn)度，值格式為0～100 的整數(shù)，由清理裝置PWM 波占空比換算得來(lái)，100 即為裝置以收集滿垃圾。

3.3 服務(wù)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)服務(wù)器主要負(fù)責(zé)接收垃圾清理裝置傳送的原始數(shù)據(jù)報(bào)文，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后將其數(shù)據(jù)送至動(dòng)智能終端顯示。服務(wù)器其可分為處理層和接口層，其功構(gòu)圖如圖7所示。

圖7 服務(wù)器架構(gòu)圖Fig.7 Architecture diagram of server

處理層依托MySQL 關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)，負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)報(bào)文數(shù)據(jù)的解析、參數(shù)運(yùn)算處理、用戶的登錄監(jiān)控、各類數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。接口層負(fù)責(zé)與硬件端和移動(dòng)終端建立通訊鏈路，實(shí)現(xiàn)裝置遠(yuǎn)程監(jiān)控。硬件端與云服務(wù)器基于MQTT 協(xié)議建立單向通路，移動(dòng)智能終端基于HTTP 協(xié)議與服務(wù)器建立雙向通訊鏈路， 智能終端向服務(wù)器發(fā)起請(qǐng)求時(shí)， 相關(guān)請(qǐng)求信息直接放在HTTP 請(qǐng)求中， 而當(dāng)服務(wù)器向智能終端返回?cái)?shù)據(jù)的時(shí)候，則通過(guò)HTTP 協(xié)議返回JSON 格式數(shù)據(jù)。

3.4 移動(dòng)智能終端軟件設(shè)計(jì)

考慮其平臺(tái)的開(kāi)放性和開(kāi)發(fā)環(huán)境的豐富性， 設(shè)計(jì)采用Android 系統(tǒng)作為支持平臺(tái)，其移動(dòng)智能終端軟件主要由登錄和裝置監(jiān)控界面構(gòu)成，如圖8～圖10所示。

用戶界面實(shí)現(xiàn)用戶的登錄管理， 而清理裝置的監(jiān)控是終端軟件的核心。終端軟件提供多裝置的同時(shí)監(jiān)控功能， 每個(gè)裝置具有自己唯一的設(shè)備號(hào)和密碼，終端軟件從服務(wù)器獲取所有設(shè)備號(hào)和密碼匹配成功的裝置狀態(tài)信息并進(jìn)行顯示， 以方便同一水域多清理裝置的統(tǒng)一監(jiān)控。

圖8 用戶登錄界面Fig.8 User login interface

圖9 裝置注冊(cè)界面Fig.9 Device registration interface

圖10 裝置監(jiān)控界面Fig.10 Device monitoring interface

4 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了一種旋渦式的水面垃圾清理裝置及其遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)過(guò)程， 細(xì)述了裝置的結(jié)構(gòu)組成、工作原理和各部分硬件電路設(shè)計(jì)，給出了遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案與系統(tǒng)各部分架構(gòu)。該清理裝置成本低，地形適應(yīng)能力強(qiáng)，適用于小型水域垃圾清理，其遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)使用便捷，能夠?qū)崿F(xiàn)多清理裝置的同時(shí)在線遠(yuǎn)程監(jiān)控。該設(shè)計(jì)對(duì)水面垃圾清理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與運(yùn)用具有一定的啟發(fā)和指導(dǎo)價(jià)值。