基于ZigBee的多功能探测船

只看该作者 · 2020-4-30 11:32

基于ZigBee的多功能探测船

1.摘要

　　本项目旨在解决当前水面探测工作的困难性、危险性等问题。系统以太阳能作为能量来源，通过PC机端上位机远程控制其行驶到特定水域进行探测。该设计可实现水深测量、不同水深水温测量和水取样、净水物质投放、视频拍摄等，为水质水文检测、水产养殖等领域提供了有效解决办法。

　　2.背景

　　水利部门、水养殖业等行业中常常需要了解湖水的深度、温度等参数，以及获取水样进行检测以制定相应的应对方案。而目前测水深、水温、取水样、投放净水物质等多采用人工作业的方式，不仅费时费力，而且效率低带有一定的危险性。为改善这种状况，我们设计出多功能探测船。系统由远程控制，可到达不易人工作业的场合，避免了人工作业的危险性、困难性等问题。

　　3.功能与使用说明

　　3.1. 主控制器模块设计

　　使用STC15F2K61S2单片机做为主控制器。单片机接收到上位机的信号后进行各功能的实现。其控制模块示意图如图1所示。

　　3.2. 上位机和远程控制模块

　　PC机端上位机以ZigBee无线模块为媒介与远程单片机间实现通信，进行指令的发送和相关数据的接收。无线控制接收模块示意图如图2所示。上位机界面如图3所示。

　　3.3.太阳能电池板充电模块

　　太阳能电池板固定在船体上方，经控制电路后可有效对蓄电池进行充电。在船不使用的情况下，可将电池板一侧掀起对准太阳光方向，以提高太阳能利用效率。

　　3.4.水深度、温度测量模块

　　该部分设计可实现河水深度测量和不同水深的水温测量。通过上位机发送相关指令，装置根据接受的指令执行相应操作，并将测量数据发回上位机。其装置如图4所示。

　　3.5. 水取样模块

　　通过上位机发送指令可抽取不同水位的水样。当储水仓满时，通过检测电路得知后，抽水机自动停止工作。其装置如图5所示。

　　3.6. 净水物质投放模块

　　上位机发送指令后，抽水机可将船体前部储水盒中的液体净水物质抽到河水中。当储水仓空时，抽水机自动停止工作。

　　3.7. 视频拍摄模块

　　通过步进电机和舵机控制摄像头的360度的旋转进行视频拍摄，其拍摄图像经WiFi传送给上位机显示。视频拍摄模块装置如图6所示。

设计说明

　　1.主控制器模块

　　使用IAP15F2K61S2单片机做为主控制器。这是STC最新的增强型51，相比较传统51，有以下优点：1T STC-Y5 内核，比传统51快6-12倍内部RAM扩大，具有内部高精准可调RC振荡器，有一个16位自动重载定时器，串口波特率设置更灵活，有片内SPI控制器，速度可达1/4主频速度，有片内PWM/PCA控制器，可捕获外部缓冲或这产生PWM，有片内AD。因此该单片机的选择完全可满足该系统的设计要求。IAP15F2K61S2单片机最小系统原理图如图7所示。

　　2. 上位机和无线模块

　　PC机端上位机使用LABVIEW进行编写，其数据处理速度快和可视化效果好。因此对船的各探测功能指令发送操作容易，便于操作者进行操作。

　　无线模块使用ZIGBEE。该模块在系统设计中起到传送上位机的指令给探测船，并将探测数据发回到上位机。其有效传输距离可达1000米以上。其特点是低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率、低成本。主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备，对环境条件要求小。适合该系统的应用环境要求。

　　3. 船行驶控制模块

　　使用R775三拓电机与大功率电机电调和螺旋桨组合模块进行速度控制，使用舵机和挡板组合进行角度调节。R775电机在12V、0.63A工作条件下转速就可达12000r/min，并且扭力大。电机电调是常用的速度调节装置，其工作稳定，灵敏度高。通过单片机控制电调，进而控制R775电机转速，可为船体提供足够动力，并保证控制稳定可靠。舵机扭力大，旋转角度可控，可有效控制船体行驶方向。船行驶、方向控制示意图所示如下图8所示。电调控制电路路如图9所示。

　　4. 太阳能电池板充电模块

　　此模块主要由太阳能电池板和太阳能光电控制器组成。太阳能电池板尺寸610×292×25MM，标称功率20W,峰值电压17.28v,峰值电流1.16A,最大开路电压21.24V,短路电流1.31A，经过太阳能充电控制电路后，最高充电电压14.4v,浮充充电电压1.6V，欠压返回电压12.4V，欠压保护电压10.8V。该充电电路可防止蓄电池过度充电、过度放电，具有防反接保护功能。太阳能光电控制器有效提升了太阳能电池板光电转换效率，维护蓄电池的物理、化学性能，延长蓄电池使用寿命，提高了光伏系统的可靠性。

　　5. 水深度测量模块

　　本模块由圆盘、电机、黑白线检测传感器构成;绳的一端连接重物，另一端缠绕在固定尺寸圆盘上，转盘由L298驱动的直流减速电机带动其旋转，转盘上贴有白色胶布，通过黑白线检测传感器可计算转盘旋转圈数。当重物到达河底时，绳子不受重物拉力，而处于松弛状态，通过一个自制的检测装置检测到这一现象，并向单片机发回一个低电平，单片机获取信息后，控制电机停止转动。通过黑白线检测传感器可计算转盘旋转圈数，进而有圆盘周长乘以圈数可得知当前水深值。当测量结束，收回细绳，重物到达原位置后，系统可自动停止转盘转动。此方案具有成本低，误差小，容易操作的特点。水深测量模块整体装置图如图10所示。L298驱动电路如图11所示。

　　6. 水温度测量模块

　　采用防水型DS18B20水温探头，水温探头与水深测量装置的重物端连接在一起，当返回水深数据的同时可返回水温数据。也可由上位机发送指令进行特定水深的温度测量，所测数据发回上位机进行显示。温度传感器DS18B20测温范围 -55℃～+125℃，在-10℃～+85℃时精度为±0.5℃，在使用中不需要任何外围元件，采用独特的单线接口方式，DS18B20在与单片机连接时仅需要一条口线即可实现单片机与DS18B20的双向通讯。其使用简单，价格低，精确度高。水温测量整体装置图如图12所示。DS18B20电路如图13所示。

　　7. 水取样模块

　　采用RS-360SH直流抽水电机。将抽水机固定在转盘上，抽水机可随圆盘转动。防止与抽水机连接的水管在旋转时由于一端固定而打结。水管缠绕在转盘上，一端于抽水电机连接，另一端连接一重物。转盘由直流减速电机带动其旋转，抽水机工作开始和停止由L298N驱动电路进行控制。转盘转动时，通过黑白线检测传感器，得到的圆盘旋转圈数，将所得圈数与上位机发送的指令进行比较，从而控制水管入水深度，以实现抽取不同深度水样的目的。抽水机工作采用继电器控制，经测试继电器能控制其稳定可靠工作。

　　在船体后部配有两个储水仓，可通过上位机进行选择使用哪一个储水仓。当储水仓水满时，系统自动关闭抽水机，并发回警告——储水仓已满。此时可将水管收回，系统可自动停止圆盘转动，将水管收回到原位置。继电器控制电路图如图14所示。水取样模块整体装置图如图15所示。

　　8. 物质投放模块

　　用熟料板粘接成一个液体药物存放盒，液体药物放于盒中，当船到达指定位置后，通过上位机发送指令控制直流抽水电机，把净水液体药品(如次氯酸钠、硝化细菌等)抽到河水里。若液体药品已投放完，系统会自动关闭抽水机，并发回提示(药品已投放完)给上位机。这种方法成本低，简单方便，容易控制。物质投放装置图如图16所示。