徐洪波 陳瑩 王涌霖 馮煥程

摘要：在現(xiàn)代化社會(huì)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(shí)，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(huì)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(duì)的工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展給現(xiàn)代社會(huì)各個(gè)層面都帶來(lái)了突破性的改變?；诖?，本文主要研究基于STM32的藍(lán)牙控制無(wú)人清理船，以期實(shí)現(xiàn)對(duì)水上漂浮垃圾的安全高效處理，保護(hù)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(guó)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(wú)污染是建設(shè)生態(tài)城市的重要基礎(chǔ)。

我國(guó)很多旅游景區(qū)、城市內(nèi)河等狹長(zhǎng)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(jiàn)的水上垃圾打撈設(shè)備在體積較小的水域不能實(shí)施打撈工作，打撈的同時(shí)需要?jiǎng)趧?dòng)人員在船上實(shí)時(shí)監(jiān)控，這使水上垃圾的打撈過(guò)程變得繁瑣，人員工作量大。針對(duì)上述水域以及打撈過(guò)程遇到的部分問(wèn)題，設(shè)計(jì)基于STM32的藍(lán)牙控制無(wú)人清理船。融入無(wú)線遙控技術(shù)、視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)、超聲波避障技術(shù)，結(jié)合單片機(jī)、電機(jī)伺服及 PWM 控制等技術(shù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)、可靠、 精確地控制。系統(tǒng)具有安全可靠、操作簡(jiǎn)單、收集 徹底、效率高和打撈范圍廣等優(yōu)勢(shì)。

本設(shè)計(jì)可以通過(guò)識(shí)別系統(tǒng)對(duì)水面上的垃圾進(jìn)行識(shí)別，并通過(guò)無(wú)刷電機(jī)控制螺旋槳給船提供給動(dòng)力，將撈取的垃圾放入垃圾儲(chǔ)存箱中，既提高了水面垃圾的清潔效率，也降低了勞動(dòng)人員的工作量。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的目的在于針對(duì)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(wèn)題，代以往在這些水域使用的人工打撈方式，可以通過(guò)垃圾識(shí)別和遙控器操縱實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)便高效的清理工作。因此清理船利用STM32F單片機(jī)主控結(jié)合硬件設(shè)計(jì)，能提供足夠的算力和精度，實(shí)現(xiàn)更多功能。船體硬件電路主要包括STM32F103C8T6單片機(jī)、Ardunio單片機(jī)、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(cè)電路、OPENMV攝像頭模塊和光電開(kāi)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(guò)該工具軟件使用谷歌的Android系列軟件自行研發(fā)適合手機(jī)使用的任意應(yīng)用程序。在此之前有關(guān)這款軟件測(cè)試版本的使用細(xì)節(jié)已經(jīng)由谷歌實(shí)驗(yàn)室（Google Labs）以教學(xué)視頻的形式向網(wǎng)友公開(kāi)，用戶使用瀏覽器打開(kāi)ai平臺(tái)網(wǎng)站（App Inventor 2 WxBit，簡(jiǎn)稱WxBit版，提供高德地圖、高德定位、百度語(yǔ)音合成與識(shí)別、相機(jī)預(yù)覽框等組件，支持多點(diǎn)觸控、動(dòng)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(qiáng)的 App Inventor 2 服務(wù)器。），通過(guò)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(yàn)，ai上手更是完全沒(méi)有障礙。ai和scratch都使用了blockly，實(shí)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(xiàng)即可，可以通過(guò)簡(jiǎn)潔的模塊化編程即可實(shí)現(xiàn)手機(jī)APP的開(kāi)發(fā)使用。

3.手機(jī)藍(lán)牙APP的開(kāi)發(fā)

本設(shè)計(jì)使用MIT APP INVENTOR 來(lái)開(kāi)發(fā)手機(jī)app、AT指令配置藍(lán)牙模塊，并可以在app顯示清理船的實(shí)時(shí)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(jī)界面區(qū)域，就能在項(xiàng)目中使用該組件。點(diǎn)擊組件右邊的問(wèn)號(hào)，查看組件的介紹。熟悉APP INVENTOR內(nèi)置組件后，會(huì)發(fā)現(xiàn)組件不夠用，那么就可以通過(guò)上傳“擴(kuò)展”加入其它用途的組件，擴(kuò)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(jì)”和“邏輯設(shè)計(jì)”兩項(xiàng)重要功能。在“組件設(shè)計(jì)”視圖中，選擇合適的組件設(shè)計(jì)應(yīng)用的界面;在“邏輯設(shè)計(jì)”視圖中，設(shè)計(jì)組件對(duì)應(yīng)的事件邏輯。比如點(diǎn)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(huì)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(jī)中的顯示名稱、應(yīng)用圖標(biāo)等。屬性具體的用途，通過(guò)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(xiàng)目編輯界面，點(diǎn)擊打包文件，可以看到一個(gè)二維碼和6位數(shù)字的連接碼。使用手機(jī)掃描二維碼，或者在電腦版MIT APP INVENTOR中輸入并點(diǎn)擊連接，即可在MIT APP INVENTOR中看到正在制作的應(yīng)用，手機(jī)APP部分開(kāi)發(fā)過(guò)程如圖1所示。

4.清理船工作過(guò)程控制設(shè)計(jì)

4.1STM32主控部分

采用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以及超聲波傳感器反饋回來(lái)的信號(hào)，然后通過(guò)GSM模塊把這些信息上傳到計(jì)算機(jī)。此外，用一個(gè)光電開(kāi)關(guān)固定到垃圾箱的頂部，當(dāng)垃圾收集箱被裝滿時(shí)，微控制器通過(guò)GSM模塊向管理員報(bào)警。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。

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(jì)使用了推力強(qiáng)的無(wú)刷電機(jī)作為螺旋槳的動(dòng)力來(lái)源，以無(wú)刷電機(jī)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(qiáng)改進(jìn)的尼龍材質(zhì)，具有強(qiáng)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(guò)手機(jī)APP控制運(yùn)動(dòng)，亦可通過(guò)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(jī)。清理船電調(diào)采用的是雙向電調(diào)，需要從中位啟動(dòng)不需要設(shè)定電調(diào)行程，當(dāng)設(shè)置為1500us—2200us無(wú)刷電機(jī)正轉(zhuǎn)，1500us—800us無(wú)刷電機(jī)反轉(zhuǎn)。并在船頭安裝兩個(gè)探照燈，當(dāng)前方光線暗時(shí)會(huì)自動(dòng)打開(kāi)提供照明，通過(guò)stm32單片機(jī)控制發(fā)出不同占空比高低信號(hào)，實(shí)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(guò)手機(jī)APP控制船體前后左右移動(dòng)，如果計(jì)算機(jī)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)傳感器得到的信息進(jìn)行判斷。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)STM32單片機(jī)的AD/DA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I/O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。與計(jì)算機(jī)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)向計(jì)算機(jī)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)計(jì)算機(jī)是否發(fā)來(lái)指令。如果沒(méi)有接收到計(jì)算機(jī)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。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)基于STM32的藍(lán)牙控制無(wú)人清理船，實(shí)現(xiàn)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)APP手動(dòng)控制船體功能。無(wú)人清理船具備原理簡(jiǎn)單，成本低廉等特點(diǎn)，相比于現(xiàn)有的同類產(chǎn)品，具有續(xù)航能力強(qiáng)、工作半徑大、承載能力強(qiáng)、工作效率高的優(yōu)點(diǎn)，能夠在景區(qū)湖面、河面、游泳池等低水流速場(chǎng)合使用，切實(shí)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(zhǎng)的靜水水域水面垃圾清理帶來(lái)的種種問(wèn)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(dòng)量、提高了垃圾清理效率。

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基金項(xiàng)目：國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目“水上清理工”（項(xiàng)目號(hào)：202110066019）

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