全自動(dòng)水上垃圾清理系統(tǒng)

路天天，葉宇程，劉 巖，趙壯壯，阮治綱，高 爽

(河南科技大學(xué)信息工程學(xué)院，河南 洛陽(yáng) 471023)

0 引言

根據(jù)《2017中國(guó)環(huán)境狀況公報(bào)》顯示：截止2017年年底，全國(guó)廢水排放總量達(dá)735.3億噸，相當(dāng)于一個(gè)青海湖。鑒于當(dāng)前的水環(huán)境所面臨的問(wèn)題，治理已經(jīng)勢(shì)在必行了。目前，小型水域水面漂浮物的清理辦法主要是采用手持式網(wǎng)兜等傳統(tǒng)工具進(jìn)行清除，存在清理不干凈、耗時(shí)長(zhǎng)、效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大等弊端，非常不適合于小型景觀水域、養(yǎng)殖水域和私人水域的使用。鑒于上述情況，本文敘述一種全自動(dòng)水上垃圾清理系統(tǒng)，用來(lái)解放勞動(dòng)力，取代手持式網(wǎng)兜，自動(dòng)清除水上垃圾。本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的主要功能是：水上垃圾清理船自動(dòng)規(guī)劃路徑清理水上垃圾，并把其位置信息上傳到服務(wù)器，手機(jī)APP向服務(wù)器請(qǐng)求船的位置信息并畫(huà)出船的行駛路徑。

1 總體系統(tǒng)設(shè)計(jì)

全自動(dòng)水上垃圾清理系統(tǒng)包括船體、服務(wù)器和手機(jī)APP三部分。船體部分的主要功能是：在湖中自動(dòng)收集垃圾并把自己的位置信息、電量信息傳到服務(wù)器中，此外，當(dāng)垃圾箱被裝滿時(shí)，船體還可以向管理員報(bào)警。服務(wù)器部分的主要功能是：接收船體發(fā)來(lái)的信息并存儲(chǔ)起來(lái)，等待手機(jī)APP取出。手機(jī)APP的主要功能是：從服務(wù)器中取出船體的位置信息和電量，然后經(jīng)過(guò)運(yùn)算顯示出船體在湖中走過(guò)的路徑和船的電量，此外，APP還可以作為遙控器控制船體前后左右移動(dòng)，便于回收船體。

圖1 全自動(dòng)水上垃圾清理系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

2 船體設(shè)計(jì)

船體設(shè)計(jì)包括機(jī)械設(shè)計(jì)、硬件電路設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)三部分。

2.1 船體機(jī)械設(shè)計(jì)

圖2 船體機(jī)械設(shè)計(jì)

船體由左船艙、右船艙、垃圾箱、傳送帶、螺旋槳組成。左船艙和右船艙尾部分別有一個(gè)螺旋槳，可用于驅(qū)動(dòng)船體前進(jìn)和左右移動(dòng)；左右船體中間有一條傳送帶，傳送帶一端浸入水中，用來(lái)把垃圾傳送到傳送帶另一端的垃圾箱里。

2.2 船體硬件電路設(shè)計(jì)

船體硬件電路主要包括STM32F103C8T6單片機(jī)[1]、LM2596穩(wěn)壓電路、超聲波模塊、GPS傳感器、電壓檢測(cè)電路、GSM模塊和光電開(kāi)關(guān)。

STM32F103C8T6微控制器作為主控制器，它用來(lái)接收GPS傳感器采集到的位置信息和電壓檢測(cè)電路檢測(cè)到的船體電源的電量信息，然后通過(guò)GSM模塊把這些信息上傳到服務(wù)器；此外，用一個(gè)光電開(kāi)關(guān)固定到垃圾箱的頂部，當(dāng)垃圾箱被裝滿時(shí)，微控制器通過(guò)GSM模塊向管理員報(bào)警。

兩個(gè)超聲波模塊分別安裝在左右船艙的頭部，用來(lái)檢測(cè)前方是否有障礙物。

LM2596穩(wěn)壓電路用來(lái)把24V電源降到3.3V給單片機(jī)供電。

電壓檢測(cè)電路由一個(gè)分壓電路組成，分壓電路把電源電壓的范圍轉(zhuǎn)換到0-3.3V的范圍內(nèi)便于數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊測(cè)量電源電量。

圖3 分壓電路

2.3 船體軟件設(shè)計(jì)

圖4 船體軟件流程圖

船體軟件流程圖如圖4所示。程序初始化之后，執(zhí)行傳感器信息采集程序，接收各個(gè)傳感器采集到的信息，然后把傳感器信息打包，打包格式為：“經(jīng)度 緯度 電量信息 ”；然后執(zhí)行與服務(wù)器交互程序把打包好的信息發(fā)送到服務(wù)器端，然后檢測(cè)服務(wù)器是否發(fā)來(lái)指令；如果發(fā)來(lái)指令，就執(zhí)行手動(dòng)控制程序，通過(guò)手機(jī)APP控制船體前后左右移動(dòng)；如果沒(méi)有發(fā)來(lái)指令，就執(zhí)行自動(dòng)控制程序，船體通過(guò)傳感器得到的信息判斷怎么移動(dòng)。

傳感器信息采集程序先通過(guò)串口通信接收GPS模塊的信息，通過(guò)單片機(jī)的ADDA采集電壓檢測(cè)電路的電量信息，通過(guò)中斷函數(shù)接收超聲波模塊的測(cè)距信息，用單片機(jī)的普通IO口檢測(cè)光電開(kāi)關(guān)輸出端的高低電平信息，然后把這些信息存儲(chǔ)下來(lái)并打包。

與服務(wù)器交互程序主要通過(guò)串口通信向GSM模塊發(fā)送AT指令來(lái)實(shí)現(xiàn)向服務(wù)器發(fā)送和接收信息。單片機(jī)通過(guò)AT指令把打包好的數(shù)據(jù)發(fā)給服務(wù)器，然后通過(guò)串口中斷函數(shù)檢測(cè)服務(wù)器是否發(fā)來(lái)指令。

接收到服務(wù)器的指令后，手動(dòng)控制程序根據(jù)指令控制單片機(jī)輸出相應(yīng)的PWM波形控制兩個(gè)螺旋槳的轉(zhuǎn)速達(dá)到船體前后左右移動(dòng)的目的。

如果沒(méi)有接收到服務(wù)器的指令，自動(dòng)控制程序根據(jù)超聲波的距離信息判斷前方是否有障礙物(通過(guò)設(shè)定閾值實(shí)現(xiàn)，當(dāng)距離信息大于閾值時(shí)，前方無(wú)障礙物；否則前方有障礙物)，如果沒(méi)有障礙物，就控制單片機(jī)輸出相應(yīng)的PWM前進(jìn)；如果有障礙物，根據(jù)上次的轉(zhuǎn)向信息這次做出相反的轉(zhuǎn)向操作并記錄轉(zhuǎn)向信息(如果上次向左轉(zhuǎn)，這次就向右轉(zhuǎn)，這樣就不會(huì)原地轉(zhuǎn)圈了)。

3 服務(wù)器設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)服務(wù)器架構(gòu)如圖5所示，船體和APP可以通過(guò)TCP/IP協(xié)議[2]與服務(wù)器建立連接并通信。

當(dāng)船體與服務(wù)器建立連接后，服務(wù)器執(zhí)行與船體交互程序，首先檢測(cè)船體是否發(fā)來(lái)消息，如果有消息，就通過(guò)JAVA中的JDBC庫(kù)[3]把消息存儲(chǔ)到MYSQL服務(wù)器[4]中；否則就檢測(cè)與APP交互程序是否發(fā)來(lái)控制船體的指令，如果有指令，就把指令通過(guò)TCP/IP協(xié)議發(fā)送給船體；如果沒(méi)有，就繼續(xù)執(zhí)行上述操作直到船體斷開(kāi)連接；與船體斷開(kāi)連接后該程序被終止，等待下次船體發(fā)來(lái)連接重新創(chuàng)建該程序。

當(dāng)APP與服務(wù)器建立連接后，服務(wù)器執(zhí)行與APP交互程序，此時(shí)，服務(wù)器就通過(guò)JDBC庫(kù)把數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)全部提取出來(lái)，然后打包發(fā)給手機(jī)APP。打包格式和單片機(jī)數(shù)據(jù)打包格式相同；然后檢測(cè)APP是否發(fā)來(lái)指令，如果收到指令，就把指令轉(zhuǎn)發(fā)給與船體交互程序；否則，就繼續(xù)執(zhí)行上述操作。直到APP斷開(kāi)連接，連接斷開(kāi)后此程序也被殺死，直到下次APP發(fā)來(lái)連接重新創(chuàng)建該程序。上述兩個(gè)程序都是以進(jìn)程的形式運(yùn)行在linux系統(tǒng)之下，進(jìn)程的終止與創(chuàng)建都是linux系統(tǒng)執(zhí)行的。

圖5 服務(wù)器架構(gòu)

4 手機(jī)APP設(shè)計(jì)

APP設(shè)計(jì)主要包括界面和數(shù)據(jù)處理兩部分[5]。

界面主要顯示地圖和船走過(guò)的路徑(主要通過(guò)百度地圖API實(shí)現(xiàn))，然后在界面的右上角顯示船體的電量。界面的右下角有虛擬遙桿，用來(lái)控制船體移動(dòng)。

數(shù)據(jù)處理包括網(wǎng)絡(luò)編程、船體路徑顯示程序、船體電量顯示程序和遙控船體程序。

網(wǎng)絡(luò)編程通過(guò)TCP/IP協(xié)議和服務(wù)器建立連接，然后接收服務(wù)器的消息存儲(chǔ)到手機(jī)內(nèi)存中，再把遙控船體程序輸出的指令發(fā)送給服務(wù)器。

船體路徑顯示程序把存儲(chǔ)到手機(jī)內(nèi)存中的經(jīng)緯度信息取出來(lái)然后用百度地圖API把定位點(diǎn)顯示到地圖界面，如果經(jīng)緯度信息更新了繼續(xù)取出來(lái)，然后顯示到地圖界面，并把所有的經(jīng)緯度坐標(biāo)用android庫(kù)中的畫(huà)線函數(shù)連接起來(lái)，這就實(shí)現(xiàn)了顯示船體走過(guò)的路徑的功能。

船體電量顯示程序直接把手機(jī)內(nèi)存中的船體電量信息取出來(lái)顯示到界面的右上角，電量信息更新后就把最新的電量信息顯示到界面右上角。

遙控船體程序把虛擬搖桿的信息作為遙控船體的指令輸出給網(wǎng)絡(luò)編程程序。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文闡述的全自動(dòng)水上垃圾清理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)避障，自動(dòng)清理垃圾，并在手機(jī)APP上實(shí)時(shí)顯示船體電量和坐標(biāo)的功能，還實(shí)現(xiàn)了通過(guò)手機(jī)手動(dòng)控制船體功能；并且有實(shí)現(xiàn)原理簡(jiǎn)單，制作成本低廉，可批量生產(chǎn)的特點(diǎn)。本系統(tǒng)可取代傳統(tǒng)的人工清理水上垃圾方法，解放了勞動(dòng)力。