魏書偉 曾上游 周悅 王新嬌

摘? 要： 文中設(shè)計一種搭建在可WiFi遠程控制移動勘測船上的超聲波除藻系統(tǒng)。利用超聲波發(fā)生器加超聲波振子聯(lián)用產(chǎn)生空化效應(yīng)，藻類細胞會急劇膨脹和收縮，細胞壁發(fā)生破裂后自然死亡降到水底，不產(chǎn)生二次污染。使用WiFi無線控制技術(shù)，勘測船上搭載的攝像頭可以實時傳輸視頻到上位機手機或電腦等控制終端，在終端又可以遠程控制勘測船的移動和機械臂抓取物體，勘測船裝載MPPT太陽能自發(fā)電裝置，綠色環(huán)保又節(jié)能減排。實驗結(jié)果表明，太陽能除藻勘測船控制靈活，操作方便，除藻效果較好，可長時間在水面作業(yè)。

關(guān)鍵詞： 除藻勘測船; 系統(tǒng)設(shè)計; 超聲波除藻; WiFi控制; 遠程監(jiān)控; 太陽能發(fā)電

中圖分類號： TN245?34; TP242.6? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 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

近幾年隨著經(jīng)濟的高速發(fā)展，污染帶來的問題日益漸顯，其中關(guān)于水體富營養(yǎng)化及其防治的問題也引起了當今社會的高度關(guān)注。我國部分地區(qū)的藍綠藻大肆繁殖和生長造成了水體的富營養(yǎng)化，水污染問題日益加重，接踵而至的則將是引起水華等嚴重的后果[1]。因此針對這些難以解決的水污染現(xiàn)象，本文設(shè)計基于WiFi控制的太陽能除藻勘測船，通過手機和電腦等上位機發(fā)送數(shù)據(jù)指令到下位機來控制下位機各個模塊的配合使用[2]，不僅實現(xiàn)了水上物體的打撈、視頻的實時傳輸、水溫的采集和太陽能自發(fā)電，而且相對于傳統(tǒng)的勘測船還增加了超聲波除藻的功能，超聲波振子產(chǎn)生特定頻率的周期性震蕩，藻類細胞在超聲波的條件下急劇膨脹和收縮，最后發(fā)生破裂，這一功能具有良好的水體藻類去除效果，可用于藍藻水華的治理[3]。

1? 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

如圖1所示，該系統(tǒng)主要由單片機、通信模塊、超聲波發(fā)生器、超聲波振子、攝像頭、機械手、太陽能發(fā)電板、電機、電機驅(qū)動和水溫傳感器等部分組成[4?6]。路由器實現(xiàn)電腦手機與單片機之間的通信。攝像頭拍攝到的畫面可以實時地經(jīng)過WiFi無線傳輸?shù)焦P記本電腦、智能手機和平板電腦等上位機，幫助操控的工作人員實現(xiàn)遠程視頻監(jiān)控[7]。勘測船上搭載了機械手臂，其原理是通過手機控制舵機的轉(zhuǎn)動角度和速度來完成機械手臂的自由伸展，從而實現(xiàn)搶險救援和水上打撈等工作[8?9]。溫度傳感器用于水溫測量和采集。超聲波除藻模塊由超聲波的發(fā)生器、超聲波振子共同作用，讓藻類細胞在震蕩周期內(nèi)反復(fù)震蕩，在超聲波振子的作用下，藻類細胞會急劇膨脹和收縮，細胞壁發(fā)生破裂后自然死亡降到水底。太陽能發(fā)電板給蓄電池組提供電能，達到節(jié)能減排的效果。電機驅(qū)動可以控制兩個電機的正反轉(zhuǎn)從而控制船的前后左右前進[10]。

2? 硬件電路選型與設(shè)計

2.1? 主控芯片選擇

此設(shè)計使用STC12C5A60S2單片機為核心處理器芯片。STC12C5A60S2單片機是由STC公司生產(chǎn)的一種高性能、低功耗的單時鐘/機器周期的單片機，而且還兼容傳統(tǒng)的8051系列單片機，具有較強的抗干擾能力，更適用于控制電機轉(zhuǎn)動。

它的P0.0口不但可以作為輸入或輸出端，還可以作為地址的復(fù)用總線使用，A/D轉(zhuǎn)換的精度是10位，轉(zhuǎn)換速率可以達到250 KSPS，支持PDIP?40，LQFP?48，PLCC等多種封裝，支持在Keil?C環(huán)境下進行編程。此單片機更適合于嵌入式硬件開發(fā)應(yīng)用領(lǐng)域，其電路板空間和成本、外圍部件少，簡單易操作，所以此除藻勘測船選擇使用STC12C5A60S2單片機作為系統(tǒng)的主控制器。

2.2? 無線通信模塊

除藻勘測船使用WiFi無線通信技術(shù)進行遠距離數(shù)據(jù)傳輸，因為它相比于藍牙具有更遠的傳輸距離，一般可達100 m以上，而且抗干擾能力強，信號穩(wěn)定。經(jīng)過對比市面上的各種WiFi模塊的大小、價格、可改造性等多個方面，決定選用703N型號的WiFi模塊。主要是因為該模塊集成了無線網(wǎng)卡有線網(wǎng)卡CPU等全部功能，且703N價格低，功耗低，操作簡單易使用，它只需用兩根線將WiFi模塊的RXD，TXD信號發(fā)送接收端分別與單片機的TXD，RXD串口通信端連接起來，即可實現(xiàn)信號的無線傳輸，可以通過上位機發(fā)送各種指令來控制下位機執(zhí)行相應(yīng)的程序，非常適合本系統(tǒng)的運作。703N路由器的外部和內(nèi)部圖如圖2所示。

2.3? 超聲波模塊

超聲波的本質(zhì)是電磁波，屬于一種機械波，頻率在20 kHz～50 MHz之間，它的傳播需要一定的能量載體?介質(zhì)。超聲波除藻是一種新型的環(huán)保處理技術(shù)，該技術(shù)在工作中不會引入其他有害化學物質(zhì)，且效果明顯，操作簡單，條件溫和，被稱為“友好環(huán)保技術(shù)”。超聲波在傳播過程中存在正負電壓交替的時期，實質(zhì)上并不能使樣品內(nèi)的分子產(chǎn)生極化反應(yīng)，但和超聲波振子聯(lián)用后可以在溶劑和樣品之間產(chǎn)生聲波空化的作用，導(dǎo)致細胞內(nèi)氣泡的形成，然后氣泡急速增長和爆破，在水中形成“空化效應(yīng)”，進而造成藻類細胞壁破裂，細胞質(zhì)和細胞液等物質(zhì)流出，藻類細胞最終死亡降沉到水底。經(jīng)超聲波發(fā)生器和超聲波振子聯(lián)合使用，可以在短時間內(nèi)完成除藻，效果顯著，而且不存在二次污染。超聲波發(fā)生器和超聲波振子實物圖如圖3所示。

2.4? MPPT光伏發(fā)電

最大功率點跟蹤系統(tǒng)（Maximum Power Point Tracking，MPPT）的充電參數(shù)是出廠之前設(shè)定好的，可以對其最大的功率點進行實時跟蹤，使得太陽能板可以發(fā)揮出最大功效。板內(nèi)電壓的高低和電量與最大的功率點成正比，MPPT通過對最大的功率點進行實時跟蹤，從而提高充電效率。一般來講，在太陽能發(fā)電系統(tǒng)中使用MPPT會比傳統(tǒng)電力系統(tǒng)提高50%的充電效率，但MPPT在天氣環(huán)境惡劣影響下，會導(dǎo)致各種能量的損失，經(jīng)過實際測試，實際效率提高25%左右。

太陽能通過導(dǎo)線連接太陽能控制器MPPT，太陽能控制器MPPT又連接到蓄電池，這樣就實現(xiàn)了最大功率把光能轉(zhuǎn)換為電能儲存在蓄電池中，來供單片機和各部分電路使用，使得除藻船可以達到節(jié)能減排、綠色環(huán)保、獨立在水面上長時間工作的效果。

3? 軟件設(shè)計與實現(xiàn)

3.1? 工作程序流程圖

圖4為整個系統(tǒng)的程序流程框圖。當電源開啟后，通過手機等上位機查看小船實時傳輸回來的畫面，控制小船前進，當小船遇到障礙時，通過手機軟件上設(shè)定的按鈕控制其后退或者拐彎繞行，使救援船可以繼續(xù)前進，直到到達藻類所在區(qū)域時停止前進。用手機控制開啟超聲波除藻裝置進行除藻，還可以控制機械手臂拾取水面異物等垃圾，除藻和清潔垃圾結(jié)束后再控制小船順利返回。

3.2? 手機控制

本系統(tǒng)利用Eclipse軟件中的Android SDK，編寫了一個簡易的控制小船移動的手機APP，其中每按下一個按鍵，就通過WiFi發(fā)送一個相應(yīng)的控制字符[11]。以“前”按鈕為例，控制字符“00”通過WiFi 傳輸?shù)较挛粰C上，下位機根據(jù)接收到的字符“00”，調(diào)用對應(yīng)的前進函數(shù)，實現(xiàn)小船的前進運動。當手指從任意按鍵上松開，手機就會發(fā)送控制小船停止的字符“l(fā)”，這樣小船就實現(xiàn)了停止。通過控制滑動條來控制舵機轉(zhuǎn)動的角度，從而精確地控制機械手伸展和收縮的距離，實現(xiàn)抓取物體的功能。圖5為APP 操控界面、按鈕布局。圖6為作品實物圖。

4? 實? 驗

基于WiFi的除藻救援船的測試部分主要是對相同作用時間、不同頻率下進行超聲波除藻，通過對單一變量的控制來觀察除藻效果。下面實驗將比較在不同頻率下超聲波對藻類的去除效果。首先，用顯微鏡觀察并記錄實驗前藻類細胞的存活數(shù)量，將等量存活的藻類細胞放置在超聲波頻率分別為20 kHz、40 kHz和100 kHz下進行振動5 min。試驗結(jié)束后，再在顯微鏡下觀察不同超聲波頻率下藻類的死亡數(shù)量，計算去除率，根據(jù)得出的數(shù)據(jù)，繪制出如圖7所示的柱形圖。

由圖7可以得出，超聲輻照頻率和超聲波對藻類的去除效果在一定頻率范圍內(nèi)成正比，超聲輻照頻率越大，除藻效率越高。對比3組實驗可知，超聲波頻率設(shè)定為40 kHz時和頻率設(shè)定為100 kHz時藻類的去除率差別很小。出于功耗方面和經(jīng)濟方面的考慮，最終確定使用超聲波頻率為40 kHz的最佳方案[12]。

5? 結(jié)? 語

本文針對藻類水污染問題設(shè)計基于WiFi控制的太陽能除藻勘測船，實現(xiàn)了以下功能：

1） 除藻勘測船可以實現(xiàn)筆記本電腦、智能手機和平板電腦多平臺控制，使用APP操作簡單方便，靈活控制勘測船的前進后退等。

2） 勘測船上搭載了機械手臂，通過手機控制舵機的轉(zhuǎn)動角度和速度來完成機械手臂的自由伸展，從而可以拾取水面異物等垃圾，裝置操作靈活、易于控制。

3） 新型除藻方式摒棄傳統(tǒng)的除藻方式，采用超聲波除藻，能耗低、有效期長，不會造成二次污染。

4） 太陽能自發(fā)電。本作品供電來源于太陽能，節(jié)能減排，綠色環(huán)保，可以獨立在水面上長時間工作，不用擔心會因為電量不足影響作業(yè)。

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