基于STM32的智能海水油污清潔系統(tǒng)

周娜，郭麗鳳，陳浩，鄧暢

（南華大學，湖南衡陽， 421001）

0 引言

近些年隨著海洋資源開采與運輸?shù)娜遮咁l繁，海洋石油泄漏等突發(fā)事件發(fā)生頻率越來越高，由此帶來的海洋環(huán)境污染與經(jīng)濟損失也越來越嚴重，如“威望號”溢油污染事故、“現(xiàn)代開拓”和“地中海伊倫娜”輪碰撞溢油事故、蓬萊油田溢油等事故不僅造成了巨大的經(jīng)濟損失而且對海洋生態(tài)環(huán)境也造成嚴重的破壞。而傳統(tǒng)的回收海上溢油的方式存在耗時費力，資金投入大，回收效率低、靈活性差等缺點。因此，很有必要設計一個能有效解決以上問題的海水油污清潔回收系統(tǒng)。

本文設計了一個基于STM32的智能海水油污清潔系統(tǒng)，系統(tǒng)采用無線控制方式，整個系統(tǒng)以智能小船為控制對象，手機APP作為無線控制終端，實現(xiàn)對智能小船的無線遠程控制。本系統(tǒng)具備實時性和靈活性強、效率高、省時省力等優(yōu)點，研究成熟可以在溢油事件發(fā)生過后最大限度地降低損失，保護環(huán)境，給回收工作帶來很大的方便。

1 系統(tǒng)設計

■1.1 系統(tǒng)方案設計

本系統(tǒng)主要由4個模塊組成，分別是STM32單片機控制模塊、溢油收集裝置、凈化回收裝置以及檢測裝置。系統(tǒng)設計框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)設計框圖

本系統(tǒng)主要設計思路為：當海上發(fā)生溢油事件后，投放圍油欄將其控制在一定范圍內防止其繼續(xù)擴散，其次利用動態(tài)斜面式撇油器將被污染的海水收集到指定的集油器中；接著利用智能小船控制親油疏水磁性納米海綿進一步回收集油器中的原油；最后將檢測達標的剩余海水排放，即完成回收任務。

■1.2 系統(tǒng)硬件設計

1.2.1 微控制器芯片選擇

本設計所選用的微控制器芯片為意法半導體公司生產的32位高性能ARM微控制器STM32F407ZGT6。該芯片的特點是實時性強、低功耗以及便于低電壓操作。其工作頻率可達168MHz，轉換速度快。因本設計需實現(xiàn)對各個模塊的控制，故STM32F407ZGT6具有較好的操作性。

1.2.2 系統(tǒng)凈化裝置—智能小船

目前，在油污處理的各種方法中，物理吸附法因其高效、可回收、不會造成二次污染等特點，被認為是最有潛力的油污處理方法，但現(xiàn)存的吸附劑存在循環(huán)效率低、吸附能力不高、對高粘原油失效等不足。因此，為了解決水面油污處理的問題，急需合成出具有高吸油率、可重復利用、環(huán)境友好、低成本的海洋油污處理方案，同時開發(fā)一種適用于吸附高粘度油污的方法。從滿足吸油量大、油水分離選擇性好、循環(huán)高效的角度出發(fā)，本設計的凈化材料采用以納米氧化鋅作為納米涂層的超親油疏水海綿。

本設計將該材料安裝在智能小船上。當檢測裝置檢測到海面油層幾乎被清理完畢后，通過藍牙模塊控制小船自動駛向集油器內部，使其在集油器內部游動，回收海水中的殘余原油。同時，檢測裝置實時工作，檢測集油器內部海水的原油含量。當達到排放標準時，凈化回收裝置駛出集油器，收集納米海綿中原油待用。

智能小船的硬件部分設計框圖如圖2所示，其主要由單片機控制模塊、電機驅動模塊、避障模塊、遙控模塊以及供電模塊構成。當小船通過遙控模塊接收到上位機發(fā)送來的信息后，小船開始工作，即電機驅動模塊開始工作；當避障模塊檢測到前方存在障礙物后，單片機可控制電機驅動模塊做出相應反應從而避開障礙物。供電模塊為系統(tǒng)提供5V與3.3V供電。

圖2 智能小船硬件電路設計框圖

2 供電模塊電路設計

本設計主供電采用12V可充電型鋰電池，通過L298N模塊中的LM7805穩(wěn)壓電路將12V降為5V供舵機、超聲波傳感器、紅外傳感器等模塊使用，電路圖如圖3所示；同時采用AMS1117-3.3芯片將5V降為3.3V供單片機與藍牙模塊使用，電路圖如圖4所示。

圖3 LM7805降壓電路

圖4 AMS1117—3.3降壓電路

3 電機驅動電路設計

目前市場上常見的電機種類包括直流電機、減速電機、步進電機以及伺服電機等，綜合本設計設計需求，本設計選用減速比為1:48的DC3V-6V直流減速電機。但僅靠單片機無法驅動電機，故需采用電機驅動模塊來控制電機。

本設計采用的電機驅動模塊由L298N構成。L298N是為雙路驅動器，一片L298N可同時控制兩個直流減速電機做不同的運動，并且具有過熱自斷和反饋檢測的功能。通過主控制芯片引腳使能和PWM波輸入就可以控制電機的行止。其中前兩個輸入使能引腳IN1和IN2控制通道A的輸出OUT1和OUT2，默認狀態(tài)下A相使能引腳與5V短接，此時電機輸出功率最高；后兩個輸入使能引腳分別控制通道B的輸出。主控制芯片可以控制占空比可調輸出PWM，通過調節(jié)PWM的占空比調節(jié)使能時鐘的平均電壓，從而控制電機的轉速。L298N的邏輯圖如表1。電機驅動模塊電路如圖5所示。

圖5 電機驅動模塊電路圖

表1 L298N驅動使能邏輯

4 避障模塊的設計

本設計的避障模塊由超聲波傳感器HC-SR04與紅外傳感器構成。因超聲波傳感器對光照不敏感，故其能在夜間等黑暗環(huán)境下使用；同時因超聲波的穿透性較高，使其在水下等嚴峻環(huán)境工作時，仍可保證超聲波對障礙物測量的穩(wěn)定性。同時配合紅外傳感器可增強對障礙物測量的準確性。

5 遙控模塊的設計

本設計的遙控模塊由JDY-31藍牙模塊構成。當小船工作時，其與上位機直接采用有線連接方式較為不方便，甚至會影響小船的正常工作。故本設計采用無線通訊技術中的藍牙通信方式代替有線連接方式，上位機可通過連接小船的藍牙對小船的行駛進行控制，實現(xiàn)工作模式的切換。

6 系統(tǒng)軟件設計

本設計軟件部分主要內容為凈化回收裝置—智能小船的工作。主要包括電機驅動模塊、藍牙模塊以及避障模塊的驅動，程序流程圖如圖6所示。

上位機通過藍牙模塊給小船發(fā)送指令，小船工作開始后，當傳感器檢測到船體20cm范圍內存在障礙物時，小船停止開始掃描左右判斷后續(xù)方向完成避障。小船持續(xù)游走直至集油器內部原油檢測達標后，通過上位機控制小船駛出。

■6.1 主程序軟件設計

本系統(tǒng)的主要功能為通過藍牙模塊接收上位機指令，然后再通過串口傳輸將指令給各執(zhí)行模塊。在系統(tǒng)的開始運行后，對各模塊進行相應初始化操作。初始化完成之后，單片機讀取藍牙模塊所傳輸過來的上位機指令，并進行對應的處理、執(zhí)行對應的指令。主程序流程圖如圖7所示。圖6 程序流程框圖

圖7 主程序流程圖

■6.2 電機驅動模塊軟件設計

本設計采用直流減速電機，電路搭建簡單，操作方便；但缺點十分明顯，直流減速電機開環(huán)控制精度差。因而，選擇通過L298N電機驅動模塊控制直流減速電機，主控制芯片引腳I/O輸出使能控制電機前進，后退和停止。另外，主控制芯片輸出PWM波，通過調節(jié)PWM的占空比調整平均電壓的高低。

本設計選擇了單片機的定時器13和定峰值時器14作為PWM的輸出時鐘。PWM初始化為脈沖寬度調制模式一：采用輸出極性為高。由于選擇系統(tǒng)時鐘，PWM未分頻前時鐘頻率為84MHz，根據(jù)計數(shù)頻率的計算公式TPWM=CLK/PSC；PWM頻率在此基礎之上選擇分頻系數(shù)繼續(xù)分頻。計數(shù)頻率一般在4kHz～10kHz左右，因而本設計中PWM初始化入口參數(shù)PSC和ARR分別選擇為8399和9；計算得出的計數(shù)頻率和PWM頻率分別為10kHz和2kHz。

7 測試結果

■7.1 系統(tǒng)整體功能測試

在完成了系統(tǒng)的整體設計后，我們團隊搭建了一個小型的實驗池來模擬本設計的海水油污清潔的過程。

在模擬中，我們采用手機作為上位機。當手機連接好藍牙后，向小船發(fā)送相關控制指令。當按下“駛入”按鍵時，小船開始工作，自動行駛進集油器內進行原油的回收與水面的凈化；當按下“停止”按鍵時，小船停止在當前所處位置；當按下“駛出”按鍵時，小船結束工作，駛出集油器。在小船工作時，若其靠近集油器內壁，避障模塊使小船自動避開，達到了自動避障的目的。圖8為手機藍牙遙控界面。

圖8 手機藍牙遙控界面

系統(tǒng)整體功能測試結果如表2所示。

表2 系統(tǒng)整體功能測試表

為保證測試結果的準確性，本系統(tǒng)多次重復測試，測試結果如表3所示。

■7.2 藍牙模塊測試

本系統(tǒng)采用的數(shù)據(jù)傳輸方式為藍牙傳輸，其有效傳輸距離較小。本系統(tǒng)的有效傳輸測試結果如表4所示。由表4可知，當有效距離大于10m后，系統(tǒng)便無法接收到數(shù)據(jù)，故本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸有效距離為10m。

表3 系統(tǒng)重復測試表

表4 系統(tǒng)有效傳輸距離測試表

8 結束語

本文針對海上溢油造成的海水污染以及資源浪費等嚴重惡性事件，設計了較為系統(tǒng)的清潔回收方案。主要介紹了其整體結構，軟硬件組成以及工作流程等，邏輯上實現(xiàn)了海上溢油事件中對于原油等資源的回收及海水的清潔功能。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，本課題極具實用意義，對保護環(huán)境搶救資源具有戰(zhàn)略意義。