基于STM32的藍(lán)牙控制無人清理船設(shè)計

徐洪波 陳瑩 王涌霖 馮煥程

摘要：在現(xiàn)代化社會進(jìn)程的高速發(fā)展下，人們的生活水平得到很大程度的提高，但與此同時，生活中產(chǎn)生的垃圾量逐年遞增，大量水上漂浮的垃圾逐漸引起社會大眾的重視。而當(dāng)前人工清理垃圾的方式一方面效率較低，另一方面也存在很大的安全隱患，相對的工業(yè)自動化的發(fā)展給現(xiàn)代社會各個層面都帶來了突破性的改變?；诖?，本文主要研究基于STM32的藍(lán)牙控制無人清理船，以期實現(xiàn)對水上漂浮垃圾的安全高效處理，保護生態(tài)環(huán)境。

關(guān)鍵詞：藍(lán)牙;水上垃圾清理;STM32

引言

隨著我國現(xiàn)代化進(jìn)程的加快，垃圾產(chǎn)量指數(shù)增加，于此水上漂浮垃圾的數(shù)量也日益增多。城市生態(tài)環(huán)境在很大程度上受到水域環(huán)境的影響，保障水域環(huán)境的環(huán)保無污染是建設(shè)生態(tài)城市的重要基礎(chǔ)。

我國很多旅游景區(qū)、城市內(nèi)河等狹長的靜水水域存在垃圾堆積的情況，由于缺少專業(yè)的水上垃圾收集設(shè)備，常見的水上垃圾打撈設(shè)備在體積較小的水域不能實施打撈工作，打撈的同時需要勞動人員在船上實時監(jiān)控，這使水上垃圾的打撈過程變得繁瑣，人員工作量大。針對上述水域以及打撈過程遇到的部分問題，設(shè)計基于STM32的藍(lán)牙控制無人清理船。融入無線遙控技術(shù)、視覺識別系統(tǒng)、超聲波避障技術(shù)，結(jié)合單片機、電機伺服及 PWM 控制等技術(shù)實現(xiàn)系統(tǒng)、可靠、 精確地控制。系統(tǒng)具有安全可靠、操作簡單、收集 徹底、效率高和打撈范圍廣等優(yōu)勢。

本設(shè)計可以通過識別系統(tǒng)對水面上的垃圾進(jìn)行識別，并通過無刷電機控制螺旋槳給船提供給動力，將撈取的垃圾放入垃圾儲存箱中，既提高了水面垃圾的清潔效率，也降低了勞動人員的工作量。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計

本設(shè)計的目的在于針對性的解決景區(qū)小面積水域以及不適合現(xiàn)有大型垃圾清理船工作的水面垃圾清理問題，代以往在這些水域使用的人工打撈方式，可以通過垃圾識別和遙控器操縱實現(xiàn)簡便高效的清理工作。因此清理船利用STM32F單片機主控結(jié)合硬件設(shè)計，能提供足夠的算力和精度，實現(xiàn)更多功能。船體硬件電路主要包括STM32F103C8T6單片機、Ardunio單片機、LM2596穩(wěn)壓電路、ESP8266藍(lán)牙模塊、HC-SR04超聲波模塊、GPS傳感器、GSM模塊、電壓檢測電路、OPENMV攝像頭模塊和光電開關(guān)等。

2.MIT APP INVENTOR介紹

MIT APP INVENTOR是谷歌推出一款名叫Google App Inventor的工具軟件，Google App Inventor用戶能夠通過該工具軟件使用谷歌的Android系列軟件自行研發(fā)適合手機使用的任意應(yīng)用程序。在此之前有關(guān)這款軟件測試版本的使用細(xì)節(jié)已經(jīng)由谷歌實驗室（Google Labs）以教學(xué)視頻的形式向網(wǎng)友公開，用戶使用瀏覽器打開ai平臺網(wǎng)站（App Inventor 2 WxBit，簡稱WxBit版，提供高德地圖、高德定位、百度語音合成與識別、相機預(yù)覽框等組件，支持多點觸控、動態(tài)創(chuàng)建組件和通用事件，還有更多細(xì)節(jié)優(yōu)化，漢化并增強的 App Inventor 2 服務(wù)器。），通過拖拽組件和邏輯塊，即可完成安卓應(yīng)用的制作。如果用戶有scratch的使用經(jīng)驗，ai上手更是完全沒有障礙。ai和scratch都使用了blockly，實現(xiàn)積木式拖拽編程，用戶只需要根據(jù)自己的需求向其中添加服務(wù)選項即可，可以通過簡潔的模塊化編程即可實現(xiàn)手機APP的開發(fā)使用。

3.手機藍(lán)牙APP的開發(fā)

本設(shè)計使用MIT APP INVENTOR 來開發(fā)手機app、AT指令配置藍(lán)牙模塊，并可以在app顯示清理船的實時電量與坐標(biāo)位置，MIT APP INVENTOR的基本組件如下：

1、組件面板，選中所需的組件后，使用鼠標(biāo)拖拽到中間的手機界面區(qū)域，就能在項目中使用該組件。點擊組件右邊的問號，查看組件的介紹。熟悉APP INVENTOR內(nèi)置組件后，會發(fā)現(xiàn)組件不夠用，那么就可以通過上傳“擴展”加入其它用途的組件，擴展MIT APP INVENTOR的功能，制作更加豐富的應(yīng)用。

2、MIT APP INVENTOR中有“組件設(shè)計”和“邏輯設(shè)計”兩項重要功能。在“組件設(shè)計”視圖中，選擇合適的組件設(shè)計應(yīng)用的界面;在“邏輯設(shè)計”視圖中，設(shè)計組件對應(yīng)的事件邏輯。比如點擊按鈕更新標(biāo)簽的顯示文本等。

3、“組件屬性”區(qū)域，不同組件會有不同的屬性，“Screen1”組件的屬性中，可以設(shè)置應(yīng)用安裝到手機中的顯示名稱、應(yīng)用圖標(biāo)等。屬性具體的用途，通過屬性名稱基本理解，少數(shù)不能理解的屬性，設(shè)置后連上MIT APP INVENTOR即可看到。在項目編輯界面，點擊打包文件，可以看到一個二維碼和6位數(shù)字的連接碼。使用手機掃描二維碼，或者在電腦版MIT APP INVENTOR中輸入并點擊連接，即可在MIT APP INVENTOR中看到正在制作的應(yīng)用，手機APP部分開發(fā)過程如圖1所示。

4.清理船工作過程控制設(shè)計

4.1STM32主控部分

采用STM32F103C8T6微控制器作為主控制器，它用來接收GPS傳感器采集到的位置信息和電壓檢測電路檢測到的船體電源的電量信息以及超聲波傳感器反饋回來的信號，然后通過GSM模塊把這些信息上傳到計算機。此外，用一個光電開關(guān)固定到垃圾箱的頂部，當(dāng)垃圾收集箱被裝滿時，微控制器通過GSM模塊向管理員報警。電壓檢測電路由一個分壓電路組成，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)換模塊測量電源電量。

4.2清理船控制部分

要保證清理船的基本正常行進(jìn)，本設(shè)計使用了推力強的無刷電機作為螺旋槳的動力來源，以無刷電機和螺旋槳構(gòu)成的水下推進(jìn)器能更讓清理船前進(jìn)更加穩(wěn)定。推進(jìn)器外殼以及螺旋槳均采用玻璃纖維增強改進(jìn)的尼龍材質(zhì)，具有強度高，耐腐蝕，耐海水等特性，內(nèi)置的螺母嵌件都是不銹鋼定制的，外殼完好的密封可以讓推進(jìn)器在水下流暢工作。清理船可以通過手機APP控制運動，亦可通過STM32F103C8T6微控制器發(fā)送一定頻率和脈寬范圍的PWM給電調(diào)，電調(diào)根據(jù)脈寬和設(shè)置控制電機。清理船電調(diào)采用的是雙向電調(diào)，需要從中位啟動不需要設(shè)定電調(diào)行程，當(dāng)設(shè)置為1500us—2200us無刷電機正轉(zhuǎn)，1500us—800us無刷電機反轉(zhuǎn)。并在船頭安裝兩個探照燈，當(dāng)前方光線暗時會自動打開提供照明，通過stm32單片機控制發(fā)出不同占空比高低信號，實現(xiàn)船在光線較暗環(huán)境下前進(jìn)、停止、轉(zhuǎn)向等基本行進(jìn)功能。

清理船可通過手機APP控制船體前后左右移動，如果計算機沒有發(fā)來指令，就執(zhí)行自動控制程序，船體通過傳感器得到的信息進(jìn)行判斷。傳感器信息采集程序先通過串口通信接收GPS模塊的信息，通過STM32單片機的AD/DA采集電壓檢測電路的電量信息，通過中斷函數(shù)接收超聲波模塊的測距信息，用單片機的普通I/O口檢測光電開關(guān)輸出端的高低電平信息，然后把這些信息存儲下來并打包。與計算機交互程序主要通過串口通信向GSM模塊發(fā)送AT指令來實現(xiàn)向計算機發(fā)送和接收信息。單片機通過AT指令把打包好的數(shù)據(jù)發(fā)給服務(wù)器，然后通過串口中斷函數(shù)檢測計算機是否發(fā)來指令。如果沒有接收到計算機的指令，自動控制程序根據(jù)超聲波的距離信息判斷前方是否有障礙物 （通過設(shè)定閾值實現(xiàn)，當(dāng)距離信息大于閾值時，前方無障礙物;否則前方有障礙物），如果沒有障礙物，就控制單片機輸出相應(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。

5 結(jié)論

本文設(shè)計基于STM32的藍(lán)牙控制無人清理船，實現(xiàn)自動避障，自動清理垃圾，并在手機APP上實時顯示船體電量和坐標(biāo)的功能，還實現(xiàn)了通過手機APP手動控制船體功能。無人清理船具備原理簡單，成本低廉等特點，相比于現(xiàn)有的同類產(chǎn)品，具有續(xù)航能力強、工作半徑大、承載能力強、工作效率高的優(yōu)點，能夠在景區(qū)湖面、河面、游泳池等低水流速場合使用，切實解決目前缺少方便高效、安全系數(shù)高的打撈設(shè)備，給旅游景區(qū)、城市內(nèi)河等狹長的靜水水域水面垃圾清理帶來的種種問題，可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工清理水上垃圾方法，減輕了勞動量、提高了垃圾清理效率。

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基金項目：國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目“水上清理工”（項目號：202110066019）

作者簡介：徐洪波（2000-），男，本科生，自動化（電氣技術(shù)教育方向）專業(yè)。