基于WiFi控制的太陽能除藻勘測(cè)船設(shè)計(jì)

魏書偉 曾上游 周悅 王新嬌

摘? 要： 文中設(shè)計(jì)一種搭建在可WiFi遠(yuǎn)程控制移動(dòng)勘測(cè)船上的超聲波除藻系統(tǒng)。利用超聲波發(fā)生器加超聲波振子聯(lián)用產(chǎn)生空化效應(yīng)，藻類細(xì)胞會(huì)急劇膨脹和收縮，細(xì)胞壁發(fā)生破裂后自然死亡降到水底，不產(chǎn)生二次污染。使用WiFi無線控制技術(shù)，勘測(cè)船上搭載的攝像頭可以實(shí)時(shí)傳輸視頻到上位機(jī)手機(jī)或電腦等控制終端，在終端又可以遠(yuǎn)程控制勘測(cè)船的移動(dòng)和機(jī)械臂抓取物體，勘測(cè)船裝載MPPT太陽能自發(fā)電裝置，綠色環(huán)保又節(jié)能減排。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，太陽能除藻勘測(cè)船控制靈活，操作方便，除藻效果較好，可長(zhǎng)時(shí)間在水面作業(yè)。

關(guān)鍵詞： 除藻勘測(cè)船; 系統(tǒng)設(shè)計(jì); 超聲波除藻; WiFi控制; 遠(yuǎn)程監(jiān)控; 太陽能發(fā)電

中圖分類號(hào)： TN245?34; TP242.6? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)： 1004?373X（2020）14?0101?03

Design of solar energy algae removal survey vessel based on WiFi control

WEI Shuwei， ZENG Shangyou， ZHOU Yue， WANG Xinjiao

（College of Electronic Engineering， Guangxi Normal University， Guilin 541004， China）

Abstract： An ultrasonic algae removal system built on a WiFi remote control mobile survey ship is designed. The cavitation effect is produced by means of the combination of ultrasonic generator and ultrasonic oscillator， after which the algae cells expand and contract sharply， the cell walls rupture， and then die naturally and fall to the bottom of water without secondary pollution. With the use of the WiFi wireless control technology， the cameras carried on the survey ship can transmit video to the control terminals such as upper computer mobile phones or computers in real time， and the terminals can also remotely control the movement of the survey ship and the mechanical arm to grab objects. The survey ship is equipped with MPPT solar self?generating electric device， which is green， environmental protection， energy conservation and exhaust reduction. The experimental results show that the solar energy algae removal survey vessel has the advantages of flexible control， convenient operation， good algae removal effect， and long time service? on water surface.

Keywords： algae removal survey vessel; system design; ultrasonic algae removal; WiFi control; remote control; solar power generation

0? 引? 言

近幾年隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，污染帶來的問題日益漸顯，其中關(guān)于水體富營(yíng)養(yǎng)化及其防治的問題也引起了當(dāng)今社會(huì)的高度關(guān)注。我國(guó)部分地區(qū)的藍(lán)綠藻大肆繁殖和生長(zhǎng)造成了水體的富營(yíng)養(yǎng)化，水污染問題日益加重，接踵而至的則將是引起水華等嚴(yán)重的后果[1]。因此針對(duì)這些難以解決的水污染現(xiàn)象，本文設(shè)計(jì)基于WiFi控制的太陽能除藻勘測(cè)船，通過手機(jī)和電腦等上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)指令到下位機(jī)來控制下位機(jī)各個(gè)模塊的配合使用[2]，不僅實(shí)現(xiàn)了水上物體的打撈、視頻的實(shí)時(shí)傳輸、水溫的采集和太陽能自發(fā)電，而且相對(duì)于傳統(tǒng)的勘測(cè)船還增加了超聲波除藻的功能，超聲波振子產(chǎn)生特定頻率的周期性震蕩，藻類細(xì)胞在超聲波的條件下急劇膨脹和收縮，最后發(fā)生破裂，這一功能具有良好的水體藻類去除效果，可用于藍(lán)藻水華的治理[3]。

1? 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

如圖1所示，該系統(tǒng)主要由單片機(jī)、通信模塊、超聲波發(fā)生器、超聲波振子、攝像頭、機(jī)械手、太陽能發(fā)電板、電機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)和水溫傳感器等部分組成[4?6]。路由器實(shí)現(xiàn)電腦手機(jī)與單片機(jī)之間的通信。攝像頭拍攝到的畫面可以實(shí)時(shí)地經(jīng)過WiFi無線傳輸?shù)焦P記本電腦、智能手機(jī)和平板電腦等上位機(jī)，幫助操控的工作人員實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控[7]?？睖y(cè)船上搭載了機(jī)械手臂，其原理是通過手機(jī)控制舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度和速度來完成機(jī)械手臂的自由伸展，從而實(shí)現(xiàn)搶險(xiǎn)救援和水上打撈等工作[8?9]。溫度傳感器用于水溫測(cè)量和采集。超聲波除藻模塊由超聲波的發(fā)生器、超聲波振子共同作用，讓藻類細(xì)胞在震蕩周期內(nèi)反復(fù)震蕩，在超聲波振子的作用下，藻類細(xì)胞會(huì)急劇膨脹和收縮，細(xì)胞壁發(fā)生破裂后自然死亡降到水底。太陽能發(fā)電板給蓄電池組提供電能，達(dá)到節(jié)能減排的效果。電機(jī)驅(qū)動(dòng)可以控制兩個(gè)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)從而控制船的前后左右前進(jìn)[10]。

2? 硬件電路選型與設(shè)計(jì)

2.1? 主控芯片選擇

此設(shè)計(jì)使用STC12C5A60S2單片機(jī)為核心處理器芯片。STC12C5A60S2單片機(jī)是由STC公司生產(chǎn)的一種高性能、低功耗的單時(shí)鐘/機(jī)器周期的單片機(jī)，而且還兼容傳統(tǒng)的8051系列單片機(jī)，具有較強(qiáng)的抗干擾能力，更適用于控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。

它的P0.0口不但可以作為輸入或輸出端，還可以作為地址的復(fù)用總線使用，A/D轉(zhuǎn)換的精度是10位，轉(zhuǎn)換速率可以達(dá)到250 KSPS，支持PDIP?40，LQFP?48，PLCC等多種封裝，支持在Keil?C環(huán)境下進(jìn)行編程。此單片機(jī)更適合于嵌入式硬件開發(fā)應(yīng)用領(lǐng)域，其電路板空間和成本、外圍部件少，簡(jiǎn)單易操作，所以此除藻勘測(cè)船選擇使用STC12C5A60S2單片機(jī)作為系統(tǒng)的主控制器。

2.2? 無線通信模塊

除藻勘測(cè)船使用WiFi無線通信技術(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸，因?yàn)樗啾扔谒{(lán)牙具有更遠(yuǎn)的傳輸距離，一般可達(dá)100 m以上，而且抗干擾能力強(qiáng)，信號(hào)穩(wěn)定。經(jīng)過對(duì)比市面上的各種WiFi模塊的大小、價(jià)格、可改造性等多個(gè)方面，決定選用703N型號(hào)的WiFi模塊。主要是因?yàn)樵撃K集成了無線網(wǎng)卡有線網(wǎng)卡CPU等全部功能，且703N價(jià)格低，功耗低，操作簡(jiǎn)單易使用，它只需用兩根線將WiFi模塊的RXD，TXD信號(hào)發(fā)送接收端分別與單片機(jī)的TXD，RXD串口通信端連接起來，即可實(shí)現(xiàn)信號(hào)的無線傳輸，可以通過上位機(jī)發(fā)送各種指令來控制下位機(jī)執(zhí)行相應(yīng)的程序，非常適合本系統(tǒng)的運(yùn)作。703N路由器的外部和內(nèi)部圖如圖2所示。

2.3? 超聲波模塊

超聲波的本質(zhì)是電磁波，屬于一種機(jī)械波，頻率在20 kHz～50 MHz之間，它的傳播需要一定的能量載體?介質(zhì)。超聲波除藻是一種新型的環(huán)保處理技術(shù)，該技術(shù)在工作中不會(huì)引入其他有害化學(xué)物質(zhì)，且效果明顯，操作簡(jiǎn)單，條件溫和，被稱為“友好環(huán)保技術(shù)”。超聲波在傳播過程中存在正負(fù)電壓交替的時(shí)期，實(shí)質(zhì)上并不能使樣品內(nèi)的分子產(chǎn)生極化反應(yīng)，但和超聲波振子聯(lián)用后可以在溶劑和樣品之間產(chǎn)生聲波空化的作用，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)氣泡的形成，然后氣泡急速增長(zhǎng)和爆破，在水中形成“空化效應(yīng)”，進(jìn)而造成藻類細(xì)胞壁破裂，細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞液等物質(zhì)流出，藻類細(xì)胞最終死亡降沉到水底。經(jīng)超聲波發(fā)生器和超聲波振子聯(lián)合使用，可以在短時(shí)間內(nèi)完成除藻，效果顯著，而且不存在二次污染。超聲波發(fā)生器和超聲波振子實(shí)物圖如圖3所示。

2.4? MPPT光伏發(fā)電

最大功率點(diǎn)跟蹤系統(tǒng)（Maximum Power Point Tracking，MPPT）的充電參數(shù)是出廠之前設(shè)定好的，可以對(duì)其最大的功率點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤，使得太陽能板可以發(fā)揮出最大功效。板內(nèi)電壓的高低和電量與最大的功率點(diǎn)成正比，MPPT通過對(duì)最大的功率點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤，從而提高充電效率。一般來講，在太陽能發(fā)電系統(tǒng)中使用MPPT會(huì)比傳統(tǒng)電力系統(tǒng)提高50%的充電效率，但MPPT在天氣環(huán)境惡劣影響下，會(huì)導(dǎo)致各種能量的損失，經(jīng)過實(shí)際測(cè)試，實(shí)際效率提高25%左右。

太陽能通過導(dǎo)線連接太陽能控制器MPPT，太陽能控制器MPPT又連接到蓄電池，這樣就實(shí)現(xiàn)了最大功率把光能轉(zhuǎn)換為電能儲(chǔ)存在蓄電池中，來供單片機(jī)和各部分電路使用，使得除藻船可以達(dá)到節(jié)能減排、綠色環(huán)保、獨(dú)立在水面上長(zhǎng)時(shí)間工作的效果。

3? 軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1? 工作程序流程圖

圖4為整個(gè)系統(tǒng)的程序流程框圖。當(dāng)電源開啟后，通過手機(jī)等上位機(jī)查看小船實(shí)時(shí)傳輸回來的畫面，控制小船前進(jìn)，當(dāng)小船遇到障礙時(shí)，通過手機(jī)軟件上設(shè)定的按鈕控制其后退或者拐彎繞行，使救援船可以繼續(xù)前進(jìn)，直到到達(dá)藻類所在區(qū)域時(shí)停止前進(jìn)。用手機(jī)控制開啟超聲波除藻裝置進(jìn)行除藻，還可以控制機(jī)械手臂拾取水面異物等垃圾，除藻和清潔垃圾結(jié)束后再控制小船順利返回。

3.2? 手機(jī)控制

本系統(tǒng)利用Eclipse軟件中的Android SDK，編寫了一個(gè)簡(jiǎn)易的控制小船移動(dòng)的手機(jī)APP，其中每按下一個(gè)按鍵，就通過WiFi發(fā)送一個(gè)相應(yīng)的控制字符[11]。以“前”按鈕為例，控制字符“00”通過WiFi 傳輸?shù)较挛粰C(jī)上，下位機(jī)根據(jù)接收到的字符“00”，調(diào)用對(duì)應(yīng)的前進(jìn)函數(shù)，實(shí)現(xiàn)小船的前進(jìn)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)手指從任意按鍵上松開，手機(jī)就會(huì)發(fā)送控制小船停止的字符“l(fā)”，這樣小船就實(shí)現(xiàn)了停止。通過控制滑動(dòng)條來控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，從而精確地控制機(jī)械手伸展和收縮的距離，實(shí)現(xiàn)抓取物體的功能。圖5為APP 操控界面、按鈕布局。圖6為作品實(shí)物圖。

4? 實(shí)? 驗(yàn)

基于WiFi的除藻救援船的測(cè)試部分主要是對(duì)相同作用時(shí)間、不同頻率下進(jìn)行超聲波除藻，通過對(duì)單一變量的控制來觀察除藻效果。下面實(shí)驗(yàn)將比較在不同頻率下超聲波對(duì)藻類的去除效果。首先，用顯微鏡觀察并記錄實(shí)驗(yàn)前藻類細(xì)胞的存活數(shù)量，將等量存活的藻類細(xì)胞放置在超聲波頻率分別為20 kHz、40 kHz和100 kHz下進(jìn)行振動(dòng)5 min。試驗(yàn)結(jié)束后，再在顯微鏡下觀察不同超聲波頻率下藻類的死亡數(shù)量，計(jì)算去除率，根據(jù)得出的數(shù)據(jù)，繪制出如圖7所示的柱形圖。

由圖7可以得出，超聲輻照頻率和超聲波對(duì)藻類的去除效果在一定頻率范圍內(nèi)成正比，超聲輻照頻率越大，除藻效率越高。對(duì)比3組實(shí)驗(yàn)可知，超聲波頻率設(shè)定為40 kHz時(shí)和頻率設(shè)定為100 kHz時(shí)藻類的去除率差別很小。出于功耗方面和經(jīng)濟(jì)方面的考慮，最終確定使用超聲波頻率為40 kHz的最佳方案[12]。

5? 結(jié)? 語

本文針對(duì)藻類水污染問題設(shè)計(jì)基于WiFi控制的太陽能除藻勘測(cè)船，實(shí)現(xiàn)了以下功能：

1） 除藻勘測(cè)船可以實(shí)現(xiàn)筆記本電腦、智能手機(jī)和平板電腦多平臺(tái)控制，使用APP操作簡(jiǎn)單方便，靈活控制勘測(cè)船的前進(jìn)后退等。

2） 勘測(cè)船上搭載了機(jī)械手臂，通過手機(jī)控制舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度和速度來完成機(jī)械手臂的自由伸展，從而可以拾取水面異物等垃圾，裝置操作靈活、易于控制。

3） 新型除藻方式摒棄傳統(tǒng)的除藻方式，采用超聲波除藻，能耗低、有效期長(zhǎng)，不會(huì)造成二次污染。

4） 太陽能自發(fā)電。本作品供電來源于太陽能，節(jié)能減排，綠色環(huán)保，可以獨(dú)立在水面上長(zhǎng)時(shí)間工作，不用擔(dān)心會(huì)因?yàn)殡娏坎蛔阌绊懽鳂I(yè)。

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