小型水域垃圾清理自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉小燕 白克強(qiáng) 倪一寧 曾明山 張皓 胡旭林

摘要：根據(jù)小型水域特點(diǎn)，針對(duì)現(xiàn)有垃圾清理裝置存在的體積大、成本高等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一款可自動(dòng)調(diào)節(jié)深度的水面垃圾清理收集裝置。該裝置主要由esp8266控制的無(wú)線通信模塊、基于紅外傳感的檢測(cè)模塊、以STM32為主的控制模塊、以水泵為主的垃圾收集模塊、云端服務(wù)器以及安卓客戶端組成。水泵吸水形成渦流將垃圾卷入垃圾收集倉(cāng)，傳感器檢測(cè)垃圾收集狀態(tài)，無(wú)線通信模塊將裝置工作狀態(tài)實(shí)時(shí)傳送到客戶端，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

關(guān)鍵詞：STM32;esp8266;安卓客戶端;深度調(diào)節(jié);遠(yuǎn)程監(jiān)控

0 引言

我國(guó)經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展的同時(shí)，水資源問(wèn)題日益嚴(yán)重，河道、湖泊等水域經(jīng)常可見大量的水面垃圾，污染環(huán)境，對(duì)附近居民的日常生活造成了巨大影響。這種環(huán)境污染問(wèn)題在各小型水域尤為明顯，因此，解決水面垃圾問(wèn)題迫在眉睫。

對(duì)于小型水域的水面垃圾清理問(wèn)題，目前主要以人工打撈方式為主，這種方式耗費(fèi)勞動(dòng)力大，周期較長(zhǎng)，實(shí)際效果與付出不呈正比。目前雖然出現(xiàn)了多種水面垃圾清理機(jī)，一定程度上提高了水面垃圾清理效率，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高，體積偏大，適用范圍有限。為此，本文針對(duì)現(xiàn)有清理裝置存在的不足，結(jié)合小型水域特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一款能自動(dòng)調(diào)節(jié)深度的水面垃圾清理收集裝置，通過(guò)水泵和傳感器控制垃圾的收集;通過(guò)STM32控制調(diào)節(jié)裝置位置;通過(guò)手機(jī)APP獲取裝置工作狀態(tài)，進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，也可通過(guò)APP對(duì)裝置進(jìn)行控制。該裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、工作效率高、成本低且針對(duì)性強(qiáng)的特點(diǎn)，具有良好的應(yīng)用前景及推廣價(jià)值。

1 整體方案設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)包括清理裝置和客戶端兩部分。其中，清理裝置的主要模塊包括無(wú)線通信模塊、檢測(cè)模塊、深度控制模塊、垃圾收集模塊;客戶端包括手機(jī)APP和云端服務(wù)器。清理裝置整體架構(gòu)與客戶端架構(gòu)如圖1所示。

收集裝置浮于水面，控制部分沉于水底，兩部分用繩子相連，通過(guò)控制繩子長(zhǎng)度來(lái)調(diào)節(jié)收集裝置的深度。收集垃圾時(shí)，清理裝置通過(guò)水泵抽水形成漩渦，將水面垃圾從上端口收入垃圾網(wǎng)，水從裝置底部排出。傳感器位于垃圾收集倉(cāng)內(nèi)，用于檢測(cè)垃圾收集狀態(tài)，以控制收集裝置的深度和開啟狀態(tài)。裝置的工作狀態(tài)等通過(guò)無(wú)線傳輸模塊上傳至云端，可在手機(jī)APP查看裝置的工作狀態(tài)，也可通過(guò)APP控制裝置開關(guān)。

2 硬軟件設(shè)計(jì)

2.1 ? ?步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)控制

本設(shè)計(jì)采用57步進(jìn)電機(jī)控制清理裝置上浮下沉，驅(qū)動(dòng)器連接步進(jìn)電機(jī)的對(duì)應(yīng)端口。其中，PUL+、PUL-是脈沖信號(hào)輸入正負(fù)端口;DIR+、DIR-是控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)正負(fù)端口;EN+、EN-是電機(jī)脫機(jī)控制正負(fù)端口;PUL+、DIR+、ENA+ 3個(gè)端口共陽(yáng)極，控制系統(tǒng)設(shè)置的3個(gè)端口脈沖信號(hào)、方向信號(hào)、脫機(jī)信號(hào)分別連接PUL-、DIR-、ENA-。驅(qū)動(dòng)器提供24 V的直流電壓（24 V為最適工作電壓）供電。根據(jù)以下公式控制繩子變化長(zhǎng)度L，進(jìn)而控制清理裝置的深度。

L=nπr/180

式中，r為電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)承軸的半徑;n為用單片機(jī)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的度數(shù)。

2.2 ? ?垃圾收集與監(jiān)測(cè)

2.2.1 ? ?垃圾收集原理

垃圾收集通過(guò)水泵抽水形成漩渦，同時(shí)使收集裝置與水面形成一定的液位差，將水面垃圾隨水吸入到裝置，然后將水從裝置底部排出，此時(shí)吸入的水面垃圾全部吸附在垃圾收集倉(cāng)底部。當(dāng)垃圾堆積滿后，需要向上位機(jī)APP發(fā)送信號(hào)，從而人為進(jìn)行垃圾收集倉(cāng)的清理。

2.2.2 ? ?垃圾收集監(jiān)測(cè)

通過(guò)傳感器對(duì)垃圾收集倉(cāng)內(nèi)垃圾量進(jìn)行測(cè)算，從而達(dá)到監(jiān)測(cè)的目的，當(dāng)垃圾集滿后給上位機(jī)APP發(fā)送相應(yīng)的信號(hào)，從而對(duì)垃圾收集倉(cāng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控?？紤]到水位對(duì)垃圾測(cè)量的影響，采用GP2D12紅外測(cè)距傳感器對(duì)垃圾高度進(jìn)行測(cè)量，傳感器由一個(gè)紅外發(fā)射管和一個(gè)PSD（位置敏感檢測(cè)裝置）以及相應(yīng)的計(jì)算電路構(gòu)成，可以檢測(cè)到光點(diǎn)落在它上面的微小位移，分辨率達(dá)到微米級(jí)別。其工作原理是通過(guò)紅外發(fā)射管發(fā)出紅外線光束，發(fā)射角度由發(fā)射管確定，遇到障礙物反射回來(lái)，落在PSD上，構(gòu)成了一個(gè)等腰三角形，借助PSD可直接得到三角形的底，此時(shí)可通過(guò)底邊推算出高，也就是測(cè)距的實(shí)際距離，即垃圾收集倉(cāng)剩余空間高度。因?yàn)閭鞲衅鞑皇沁B續(xù)測(cè)量，因此得到底邊長(zhǎng)度后，必須經(jīng)過(guò)計(jì)算才能得到距離值，而后轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)輸出。

2.3 ? ?收集控制硬件連接設(shè)計(jì)

清理裝置的收集控制原理如圖2所示，裝有紅外傳感器的水泵通過(guò)步進(jìn)電機(jī)和繩子連接湖底的配重物，步進(jìn)電機(jī)和esp8266以及紅外傳感器通過(guò)導(dǎo)線與STM32單片機(jī)連接。當(dāng)水泵啟動(dòng)，步進(jìn)電機(jī)開始初始化，使繩子收縮5 cm左右，收集裝置下降同等距離，紅外傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)垃圾收集高度。若傳感器監(jiān)測(cè)到垃圾收集滿，則控制電機(jī)正轉(zhuǎn)，使繩子上升5 cm左右;反之，則持續(xù)工作。在整個(gè)過(guò)程中，STM32把采集到的信息經(jīng)esp8266實(shí)時(shí)傳送到云端，用戶可在移動(dòng)端實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水泵的工作狀態(tài)。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 ? ?深度控制的實(shí)現(xiàn)

本裝置通過(guò)步進(jìn)電機(jī)軸承旋轉(zhuǎn)改變繩子的長(zhǎng)度，通過(guò)配重物將上浮的裝置拉緊，從而改變裝置深度并維持懸浮。當(dāng)裝置剛放入水中，通過(guò)移動(dòng)端將裝置進(jìn)行初始化，裝置收集口恰好位于水面，配重物位于水底;然后步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)使裝置下降5 cm，收集裝置開始收集垃圾;此時(shí)位于收集倉(cāng)壁上的傳感器開始工作，檢測(cè)垃圾是否收集滿，若集滿，則步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)，使裝置上升5 cm上浮至水面，傳感器和收集裝置停止工作，并將信息發(fā)送至移動(dòng)端;反之，則繼續(xù)收集。

3.2 ? ?通信的實(shí)現(xiàn)

本裝置控制部分由STM32單片機(jī)和esp8266 Wi-Fi芯片組成，兩個(gè)芯片共同處理信息，其中STM32單片機(jī)負(fù)責(zé)水位控制和收集狀態(tài)的監(jiān)控，esp8266負(fù)責(zé)信息收發(fā)和收集裝置控制。STM32單片機(jī)和esp8266芯片之間采用通信簡(jiǎn)單且適合距離較近的串口通信。

esp8266芯片和云端服務(wù)器通信采用MQTT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)備開發(fā)。本設(shè)計(jì)中裝置和云端為雙向通信鏈路，MQTT使用發(fā)布/訂閱消息模式，發(fā)布者發(fā)布話題，所有訂閱該話題的訂閱者均能接受話題信息。

服務(wù)器和移動(dòng)端采用http協(xié)議建立連接，裝置、服務(wù)器、移動(dòng)端通信采用JSON格式進(jìn)行通信，具體格式如下：

{"0001"：[

{"temperature"，"21"："humidity"，"24"}，

{"state"，"1"}，

{"depth"，"1"}，

]}

其中，0001為設(shè)備序列號(hào)，由四位整數(shù)組成，不同的序列號(hào)代表不同的設(shè)備;temperature和humidity代表溫度和濕度值為0～100的數(shù);state表示垃圾是否裝滿，值為0和1，0代表沒(méi)滿，1代表滿了;depth代表距離水面深度，由0～100的整數(shù)組成。

3.3 ? ?服務(wù)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

服務(wù)器主要負(fù)責(zé)MQTT協(xié)議報(bào)文的轉(zhuǎn)發(fā)，并且控制用戶的名稱和密碼。硬件裝置和云端服務(wù)器通過(guò)MQTT協(xié)議建立雙向通信鏈路，移動(dòng)端和云端服務(wù)器通過(guò)http協(xié)議建立雙向通信鏈路。移動(dòng)端和云端服務(wù)器進(jìn)行通信時(shí)，通過(guò)http協(xié)議發(fā)送JSON格式的數(shù)據(jù)進(jìn)行通信。硬件裝置和云服務(wù)器通信時(shí)，相關(guān)信息直接被放在MQTT報(bào)文中。

3.4 ? ?移動(dòng)端軟件設(shè)計(jì)

由于手機(jī)具有普及性、便捷性及軟件開發(fā)的豐富性等優(yōu)勢(shì)，本設(shè)計(jì)采用安卓系統(tǒng)作為移動(dòng)端，移動(dòng)端界面主要包括登錄和裝置的監(jiān)控界面，如圖3所示。

用戶登錄界面用于用戶的登錄管理，監(jiān)控界面是移動(dòng)端的核心且支持多設(shè)備同時(shí)監(jiān)控。裝置序列號(hào)與注冊(cè)的賬號(hào)綁定，登錄后自動(dòng)與云端服務(wù)器匹配，將該賬號(hào)下的所有設(shè)備信息顯示在移動(dòng)端，實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用。

4 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了一種自動(dòng)調(diào)節(jié)深度的水面垃圾清理裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，詳細(xì)敘述了裝置的構(gòu)成、原理以及各部分功能。該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，客戶端可實(shí)現(xiàn)多裝置同時(shí)監(jiān)控。測(cè)試表明，該裝置能夠較好適應(yīng)小型水域特點(diǎn)，對(duì)水面垃圾進(jìn)行有效清理，對(duì)水面垃圾清理裝置的研發(fā)有一定的實(shí)用價(jià)值。

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收稿日期：2020-05-07

作者簡(jiǎn)介：劉小燕（1998—），女，四川瀘州人，研究方向：仿真機(jī)器人。

通信作者：白克強(qiáng)（1979—），甘肅慶陽(yáng)人，男，博士，講師，研究方向：仿生機(jī)器人。