周娜，郭麗鳳，陳浩，鄧暢

（南華大學(xué)，湖南衡陽(yáng)， 421001）

0 引言

近些年隨著海洋資源開(kāi)采與運(yùn)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(lái)越高，由此帶來(lái)的海洋環(huán)境污染與經(jīng)濟(jì)損失也越來(lái)越嚴(yán)重，如“威望號(hào)”溢油污染事故、“現(xiàn)代開(kāi)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(jì)損失而且對(duì)海洋生態(tài)環(huán)境也造成嚴(yán)重的破壞。而傳統(tǒng)的回收海上溢油的方式存在耗時(shí)費(fèi)力，資金投入大，回收效率低、靈活性差等缺點(diǎn)。因此，很有必要設(shè)計(jì)一個(gè)能有效解決以上問(wèn)題的海水油污清潔回收系統(tǒng)。

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于STM32的智能海水油污清潔系統(tǒng)，系統(tǒng)采用無(wú)線控制方式，整個(gè)系統(tǒng)以智能小船為控制對(duì)象，手機(jī)APP作為無(wú)線控制終端，實(shí)現(xiàn)對(duì)智能小船的無(wú)線遠(yuǎn)程控制。本系統(tǒng)具備實(shí)時(shí)性和靈活性強(qiáng)、效率高、省時(shí)省力等優(yōu)點(diǎn)，研究成熟可以在溢油事件發(fā)生過(guò)后最大限度地降低損失，保護(hù)環(huán)境，給回收工作帶來(lái)很大的方便。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

■1.1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要由4個(gè)模塊組成，分別是STM32單片機(jī)控制模塊、溢油收集裝置、凈化回收裝置以及檢測(cè)裝置。系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

本系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)思路為：當(dāng)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(nèi)防止其繼續(xù)擴(kuò)散，其次利用動(dòng)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(jìn)一步回收集油器中的原油；最后將檢測(cè)達(dá)標(biāo)的剩余海水排放，即完成回收任務(wù)。

■1.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.2.1 微控制器芯片選擇

本設(shè)計(jì)所選用的微控制器芯片為意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的32位高性能ARM微控制器STM32F407ZGT6。該芯片的特點(diǎn)是實(shí)時(shí)性強(qiáng)、低功耗以及便于低電壓操作。其工作頻率可達(dá)168MHz，轉(zhuǎn)換速度快。因本設(shè)計(jì)需實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)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(huì)造成二次污染等特點(diǎn)，被認(rèn)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(duì)高粘原油失效等不足。因此，為了解決水面油污處理的問(wèn)題，急需合成出具有高吸油率、可重復(fù)利用、環(huán)境友好、低成本的海洋油污處理方案，同時(shí)開(kāi)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)將該材料安裝在智能小船上。當(dāng)檢測(cè)裝置檢測(cè)到海面油層幾乎被清理完畢后，通過(guò)藍(lán)牙模塊控制小船自動(dòng)駛向集油器內(nèi)部，使其在集油器內(nèi)部游動(dòng)，回收海水中的殘余原油。同時(shí)，檢測(cè)裝置實(shí)時(shí)工作，檢測(cè)集油器內(nèi)部海水的原油含量。當(dāng)達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，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(shè)計(jì)框圖如圖2所示，其主要由單片機(jī)控制模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、避障模塊、遙控模塊以及供電模塊構(gòu)成。當(dāng)小船通過(guò)遙控模塊接收到上位機(jī)發(fā)送來(lái)的信息后，小船開(kāi)始工作，即電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊開(kāi)始工作；當(dāng)避障模塊檢測(cè)到前方存在障礙物后，單片機(jī)可控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊做出相應(yīng)反應(yīng)從而避開(kāi)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(shè)計(jì)框圖

2 供電模塊電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)主供電采用12V可充電型鋰電池，通過(guò)L298N模塊中的LM7805穩(wěn)壓電路將12V降為5V供舵機(jī)、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(shí)采用AMS1117-3.3芯片將5V降為3.3V供單片機(jī)與藍(lán)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(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

目前市場(chǎng)上常見(jiàn)的電機(jī)種類(lèi)包括直流電機(jī)、減速電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)以及伺服電機(jī)等，綜合本設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)需求，本設(shè)計(jì)選用減速比為1:48的DC3V-6V直流減速電機(jī)。但僅靠單片機(jī)無(wú)法驅(qū)動(dòng)電機(jī)，故需采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊來(lái)控制電機(jī)。

本設(shè)計(jì)采用的電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊由L298N構(gòu)成。L298N是為雙路驅(qū)動(dòng)器，一片L298N可同時(shí)控制兩個(gè)直流減速電機(jī)做不同的運(yùn)動(dòng)，并且具有過(guò)熱自斷和反饋檢測(cè)的功能。通過(guò)主控制芯片引腳使能和PWM波輸入就可以控制電機(jī)的行止。其中前兩個(gè)輸入使能引腳IN1和IN2控制通道A的輸出OUT1和OUT2，默認(rèn)狀態(tài)下A相使能引腳與5V短接，此時(shí)電機(jī)輸出功率最高；后兩個(gè)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(diào)輸出PWM，通過(guò)調(diào)節(jié)PWM的占空比調(diào)節(jié)使能時(shí)鐘的平均電壓，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。L298N的邏輯圖如表1。電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電路如圖5所示。

圖5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電路圖

表1 L298N驅(qū)動(dòng)使能邏輯

4 避障模塊的設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的避障模塊由超聲波傳感器HC-SR04與紅外傳感器構(gòu)成。因超聲波傳感器對(duì)光照不敏感，故其能在夜間等黑暗環(huán)境下使用；同時(shí)因超聲波的穿透性較高，使其在水下等嚴(yán)峻環(huán)境工作時(shí)，仍可保證超聲波對(duì)障礙物測(cè)量的穩(wěn)定性。同時(shí)配合紅外傳感器可增強(qiáng)對(duì)障礙物測(cè)量的準(zhǔn)確性。

5 遙控模塊的設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的遙控模塊由JDY-31藍(lán)牙模塊構(gòu)成。當(dāng)小船工作時(shí)，其與上位機(jī)直接采用有線連接方式較為不方便，甚至?xí)绊懶〈恼９ぷ?。故本設(shè)計(jì)采用無(wú)線通訊技術(shù)中的藍(lán)牙通信方式代替有線連接方式，上位機(jī)可通過(guò)連接小船的藍(lán)牙對(duì)小船的行駛進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)工作模式的切換。

6 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)軟件部分主要內(nèi)容為凈化回收裝置—智能小船的工作。主要包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、藍(lán)牙模塊以及避障模塊的驅(qū)動(dòng)，程序流程圖如圖6所示。

上位機(jī)通過(guò)藍(lán)牙模塊給小船發(fā)送指令，小船工作開(kāi)始后，當(dāng)傳感器檢測(cè)到船體20cm范圍內(nèi)存在障礙物時(shí)，小船停止開(kāi)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(nèi)部原油檢測(cè)達(dá)標(biāo)后，通過(guò)上位機(jī)控制小船駛出。

■6.1 主程序軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的主要功能為通過(guò)藍(lán)牙模塊接收上位機(jī)指令，然后再通過(guò)串口傳輸將指令給各執(zhí)行模塊。在系統(tǒng)的開(kāi)始運(yùn)行后，對(duì)各模塊進(jìn)行相應(yīng)初始化操作。初始化完成之后，單片機(jī)讀取藍(lán)牙模塊所傳輸過(guò)來(lái)的上位機(jī)指令，并進(jìn)行對(duì)應(yīng)的處理、執(zhí)行對(duì)應(yīng)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(jī)驅(qū)動(dòng)模塊軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用直流減速電機(jī)，電路搭建簡(jiǎn)單，操作方便；但缺點(diǎn)十分明顯，直流減速電機(jī)開(kāi)環(huán)控制精度差。因而，選擇通過(guò)L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊控制直流減速電機(jī)，主控制芯片引腳I/O輸出使能控制電機(jī)前進(jìn)，后退和停止。另外，主控制芯片輸出PWM波，通過(guò)調(diào)節(jié)PWM的占空比調(diào)整平均電壓的高低。

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

7 測(cè)試結(jié)果

■7.1 系統(tǒng)整體功能測(cè)試

在完成了系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)后，我們團(tuán)隊(duì)搭建了一個(gè)小型的實(shí)驗(yàn)池來(lái)模擬本設(shè)計(jì)的海水油污清潔的過(guò)程。

在模擬中，我們采用手機(jī)作為上位機(jī)。當(dāng)手機(jī)連接好藍(lán)牙后，向小船發(fā)送相關(guān)控制指令。當(dāng)按下“駛?cè)搿卑存I時(shí)，小船開(kāi)始工作，自動(dòng)行駛進(jìn)集油器內(nèi)進(jìn)行原油的回收與水面的凈化；當(dāng)按下“停止”按鍵時(shí)，小船停止在當(dāng)前所處位置；當(dāng)按下“駛出”按鍵時(shí)，小船結(jié)束工作，駛出集油器。在小船工作時(shí)，若其靠近集油器內(nèi)壁，避障模塊使小船自動(dòng)避開(kāi)，達(dá)到了自動(dòng)避障的目的。圖8為手機(jī)藍(lán)牙遙控界面。

圖8 手機(jī)藍(lán)牙遙控界面

系統(tǒng)整體功能測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 系統(tǒng)整體功能測(cè)試表

為保證測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性，本系統(tǒng)多次重復(fù)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表3所示。

■7.2 藍(lán)牙模塊測(cè)試

本系統(tǒng)采用的數(shù)據(jù)傳輸方式為藍(lán)牙傳輸，其有效傳輸距離較小。本系統(tǒng)的有效傳輸測(cè)試結(jié)果如表4所示。由表4可知，當(dāng)有效距離大于10m后，系統(tǒng)便無(wú)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(fù)測(cè)試表

表4 系統(tǒng)有效傳輸距離測(cè)試表

8 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)海上溢油造成的海水污染以及資源浪費(fèi)等嚴(yán)重惡性事件，設(shè)計(jì)了較為系統(tǒng)的清潔回收方案。主要介紹了其整體結(jié)構(gòu)，軟硬件組成以及工作流程等，邏輯上實(shí)現(xiàn)了海上溢油事件中對(duì)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(shí)用意義，對(duì)保護(hù)環(huán)境搶救資源具有戰(zhàn)略意義。