基于WiFi控制的太阳能除藻勘测船设计

2020-07-23魏书伟曾上游周悦王新娇

现代电子技术 2020年14期

魏书伟曾上游周悦王新娇

摘要：文中设计一种搭建在可WiFi远程控制移动勘测船上的超声波除藻系统。利用超声波发生器加超声波振子联用产生空化效应，藻类细胞会急剧膨胀和收缩，细胞壁发生破裂后自然死亡降到水底，不产生二次污染。使用WiFi无线控制技术，勘测船上搭载的摄像头可以实时传输视频到上位机手机或电脑等控制终端，在终端又可以远程控制勘测船的移动和机械臂抓取物体，勘测船装载MPPT太阳能自发电装置，绿色环保又节能减排。实验结果表明，太阳能除藻勘测船控制灵活，操作方便，除藻效果较好，可长时间在水面作业。

关键词：除藻勘测船; 系统设计; 超声波除藻; WiFi控制; 远程监控; 太阳能发电

中图分类号： TN245?34; TP242.6 文献标识码： A 文章编号： 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

近幾年随着经济的高速发展，污染带来的问题日益渐显，其中关于水体富营养化及其防治的问题也引起了当今社会的高度关注。我国部分地区的蓝绿藻大肆繁殖和生长造成了水体的富营养化，水污染问题日益加重，接踵而至的则将是引起水华等严重的后果[1]。因此针对这些难以解决的水污染现象，本文设计基于WiFi控制的太阳能除藻勘测船，通过手机和电脑等上位机发送数据指令到下位机来控制下位机各个模块的配合使用[2]，不仅实现了水上物体的打捞、视频的实时传输、水温的采集和太阳能自发电，而且相对于传统的勘测船还增加了超声波除藻的功能，超声波振子产生特定频率的周期性震荡，藻类细胞在超声波的条件下急剧膨胀和收缩，最后发生破裂，这一功能具有良好的水体藻类去除效果，可用于蓝藻水华的治理[3]。

1 系统整体结构

如图1所示，该系统主要由单片机、通信模块、超声波发生器、超声波振子、摄像头、机械手、太阳能发电板、电机、电机驱动和水温传感器等部分组成[4?6]。路由器实现电脑手机与单片机之间的通信。摄像头拍摄到的画面可以实时地经过WiFi无线传输到笔记本电脑、智能手机和平板电脑等上位机，帮助操控的工作人员实现远程视频监控[7]。勘测船上搭载了机械手臂，其原理是通过手机控制舵机的转动角度和速度来完成机械手臂的自由伸展，从而实现抢险救援和水上打捞等工作[8?9]。温度传感器用于水温测量和采集。超声波除藻模块由超声波的发生器、超声波振子共同作用，让藻类细胞在震荡周期内反复震荡，在超声波振子的作用下，藻类细胞会急剧膨胀和收缩，细胞壁发生破裂后自然死亡降到水底。太阳能发电板给蓄电池组提供电能，达到节能减排的效果。电机驱动可以控制两个电机的正反转从而控制船的前后左右前进[10]。

2 硬件电路选型与设计

2.1 主控芯片选择

此设计使用STC12C5A60S2单片机为核心处理器芯片。STC12C5A60S2单片机是由STC公司生产的一种高性能、低功耗的单时钟/机器周期的单片机，而且还兼容传统的8051系列单片机，具有较强的抗干扰能力，更适用于控制电机转动。

它的P0.0口不但可以作为输入或输出端，还可以作为地址的复用总线使用，A/D转换的精度是10位，转换速率可以达到250 KSPS，支持PDIP?40，LQFP?48，PLCC等多种封装，支持在Keil?C环境下进行编程。此单片机更适合于嵌入式硬件开发应用领域，其电路板空间和成本、外围部件少，简单易操作，所以此除藻勘测船选择使用STC12C5A60S2单片机作为系统的主控制器。

2.2 无线通信模块

除藻勘测船使用WiFi无线通信技术进行远距离数据传输，因为它相比于蓝牙具有更远的传输距离，一般可达100 m以上，而且抗干扰能力强，信号稳定。经过对比市面上的各种WiFi模块的大小、价格、可改造性等多个方面，决定选用703N型号的WiFi模块。主要是因为该模块集成了无线网卡有线网卡CPU等全部功能，且703N价格低，功耗低，操作简单易使用，它只需用两根线将WiFi模块的RXD，TXD信号发送接收端分别与单片机的TXD，RXD串口通信端连接起来，即可实现信号的无线传输，可以通过上位机发送各种指令来控制下位机执行相应的程序，非常适合本系统的运作。703N路由器的外部和内部图如图2所示。

2.3 超声波模块

超声波的本质是电磁波，属于一种机械波，频率在20 kHz～50 MHz之间，它的传播需要一定的能量载体?介质。超声波除藻是一种新型的环保处理技术，该技术在工作中不会引入其他有害化学物质，且效果明显，操作简单，条件温和，被称为“友好环保技术”。超声波在传播过程中存在正负电压交替的时期，实质上并不能使样品内的分子产生极化反应，但和超声波振子联用后可以在溶剂和样品之间产生声波空化的作用，导致细胞内气泡的形成，然后气泡急速增长和爆破，在水中形成“空化效应”，进而造成藻类细胞壁破裂，细胞质和细胞液等物质流出，藻类细胞最终死亡降沉到水底。经超声波发生器和超声波振子联合使用，可以在短时间内完成除藻，效果显著，而且不存在二次污染。超声波发生器和超声波振子实物图如图3所示。

2.4 MPPT光伏发电

最大功率点跟踪系统（Maximum Power Point Tracking，MPPT）的充电参数是出厂之前设定好的，可以对其最大的功率点进行实时跟踪，使得太阳能板可以发挥出最大功效。板内电压的高低和电量与最大的功率点成正比，MPPT通过对最大的功率点进行实时跟踪，从而提高充电效率。一般来讲，在太阳能发电系统中使用MPPT会比传统电力系统提高50%的充电效率，但MPPT在天气环境恶劣影响下，会导致各种能量的损失，经过实际测试，实际效率提高25%左右。

太阳能通过导线连接太阳能控制器MPPT，太阳能控制器MPPT又连接到蓄电池，这样就实现了最大功率把光能转换为电能储存在蓄电池中，来供单片机和各部分电路使用，使得除藻船可以达到节能减排、绿色环保、独立在水面上长时间工作的效果。

3 软件设计与实现

3.1 工作程序流程图

图4为整个系统的程序流程框图。当电源开启后，通过手机等上位机查看小船实时传输回来的画面，控制小船前进，当小船遇到障碍时，通过手机软件上设定的按钮控制其后退或者拐弯绕行，使救援船可以继续前进，直到到达藻类所在区域时停止前进。用手机控制开启超声波除藻装置进行除藻，还可以控制机械手臂拾取水面异物等垃圾，除藻和清洁垃圾结束后再控制小船顺利返回。

3.2 手机控制

本系统利用Eclipse软件中的Android SDK，编写了一个简易的控制小船移动的手机APP，其中每按下一个按键，就通过WiFi发送一个相应的控制字符[11]。以“前”按钮为例，控制字符“00”通过WiFi 传输到下位机上，下位机根据接收到的字符“00”，调用对应的前进函数，实现小船的前进运动。当手指从任意按键上松开，手机就会发送控制小船停止的字符“l”，这样小船就实现了停止。通过控制滑动条来控制舵机转动的角度，从而精确地控制机械手伸展和收缩的距离，实现抓取物体的功能。图5为APP 操控界面、按钮布局。图6为作品实物图。

4 实验

基于WiFi的除藻救援船的测试部分主要是对相同作用时间、不同频率下进行超声波除藻，通过对单一变量的控制来观察除藻效果。下面实验将比较在不同频率下超声波对藻类的去除效果。首先，用显微镜观察并记录实验前藻类细胞的存活数量，将等量存活的藻类细胞放置在超声波频率分别为20 kHz、40 kHz和100 kHz下进行振动5 min。试验结束后，再在显微镜下观察不同超声波频率下藻类的死亡数量，计算去除率，根据得出的数据，绘制出如图7所示的柱形图。

由图7可以得出，超声辐照频率和超声波对藻类的去除效果在一定频率范围内成正比，超声辐照频率越大，除藻效率越高。对比3组实验可知，超声波频率设定为40 kHz时和频率设定为100 kHz时藻类的去除率差别很小。出于功耗方面和经济方面的考虑，最终确定使用超声波频率为40 kHz的最佳方案[12]。

5 结语

本文针对藻类水污染问题设计基于WiFi控制的太阳能除藻勘测船，实现了以下功能：

1）除藻勘测船可以实现笔记本电脑、智能手机和平板电脑多平台控制，使用APP操作简单方便，灵活控制勘测船的前进后退等。

2）勘测船上搭载了机械手臂，通过手机控制舵机的转动角度和速度来完成机械手臂的自由伸展，从而可以拾取水面异物等垃圾，装置操作灵活、易于控制。

3）新型除藻方式摒弃传统的除藻方式，采用超声波除藻，能耗低、有效期长，不会造成二次污染。

4）太阳能自发电。本作品供电来源于太阳能，节能减排，绿色环保，可以独立在水面上长时间工作，不用担心会因为电量不足影响作业。

参考文献

[1] 陈思莉，邴永鑫，常莎.除藻剂应急治理湖水蓝藻水华案例分析[J].中国农村水利水电，2019（3）：25?28.

[2] 何立民.51单片机高级教程[M].北京：北京航空航天大学出版社，2010.

[3] 范功端.水体中微囊藻的超声控制技术研究[D].重庆：重庆大学，2012.

[4] 高春旺，张钧赫，赵晗.单片机技术的发展及应用研究[J].通讯世界，2016（2）：28?29.