智能太陽能池塘巡檢機器人

王 倩，張浩奇，趙文鈺

（河北農業大學 機電工程學院 河北 保定 071000）

1 項目背景及意義

中國是水產養殖第一大國，養殖總量占世界的70%以上[1]。

在養殖期間，經常會用到水體的PH值、含氧量等數據，通過這些數據對水體進行處理，使水體適于魚類生長，而現如今，若想得到這些數據，基本都需要進行樣本采集，在對樣本進行檢測，或將傳感器放入水中進行檢測，十分不便。

針對以上問題，本項目提出了對基于太陽能供電的魚塘智能管理系統的研究，通過此系統可以做到實時監測水體狀況。

2 方案設計

2.1 外觀結構設計

外殼所用的材料主要有亞克力板、鋁塑板和角鋼等材料。在保證強度的條件下，使用5毫米厚的鋁塑板作為底面，側面及頂面則使用透明度較高的亞克力板。板材之間通過角鋼進行連接，在能起到防水的前提下，還能起到加固外殼的作用。

在外觀結構設計中，使外殼在保證防水性好、強度高等必要條件下，還具有外型美觀、可觀賞性強的特點。

2.2 動力系統設計

動力系統采用螺旋槳轉動產生推力作為動力。相較于通過風力作為動力，此方案則產生的推力更大，使系統的航速更快。

電機采用直流高速旋轉電機。通過多次實驗，在直流12v供電的條件下，電機空載轉速可達每分鐘15000轉。本系統在左、右、后方向安裝三個電機，分別產生與之相反方向的動力，相較于傳統通方式過舵來控制方向，此方案則使系統更加靈活。

同時，為了方便用戶，我們設計了一款APP。用戶只需要下載APP，連接到機器人上的藍牙，即可通過手機控制機器人。經過實測，在室外空曠無遮擋、距離地面1.5米的情況下，有效控制距離可達250米，超過250米的范圍，信號就會逐漸減弱。

2.3 數據采集與傳送系統設計

此系統通過PH值采集傳感器和不銹鋼水溫傳感器分別采集池塘內的PH值、空氣中的溫度和池塘內水中的溫度，再通過AD轉換將數據傳送到單片機內[2]。在數據傳輸方面，本系統改變以往有線傳輸的方式，而采用GPRS通信的方式將數據通過互聯網傳送到特定的網站[3]。相較于有線傳輸，此方案在實際應用中更方便、更靈活。

當然，有時客戶只是為了檢測水體樣本的水質，這就不需要將機器人放入池塘。因此，為了方便客戶快速得到樣本數據，我們設計了另外一種顯示方式，只需要將水體樣本放到傳感器內，就可通過與單片機連接的顯示屏讀取數據。

2.4 能源系統設計

能源是智能太陽能池塘巡檢機器人的動力，機器人在水中的行走和數據的采集與傳輸都需要能源。

為了能夠使系統做到不間斷監測，盡可能減少電源更換次數，我們為系統置入了12伏高能直流電池作為源動力，并利用太陽能板將太陽能轉換為電能儲存在電池中。

在電池儲存能量低于15%的情況下，單片機會通過GPRS模塊向用戶發送警報。在連續陰雨天太陽能板不能使用并且電池儲能較低的情況下，我們還可以通過充電器為電池快速充電或者直接更換電池的方式，使能源得到快速補充，盡可能使機器人進入工作狀態。

2.5 定位系統

定位系統使用ATK-S1216F8-BD模塊，該模塊是一款高性能GPS/北斗雙定位模塊。定位精度為2.5mCEP，冷啟動時間可達29s，捕獲追蹤靈敏度為-165dBm，可以實時精準的測出精度、維度、海拔、速度、用于定位的衛星數、可見衛星數等信息[4]。

相較于NEO-6M模塊，S1216采用GPS和北斗雙定位，而NEO-6只采用GPS進行定位，因此，使用S1216得到的數據更精準，并且S1216雙定位模塊啟動時間更短、最快更新速率更快[5]。

3 水上實驗

經過多次試驗，取得良好效果。智能太陽能池塘巡檢機器人可以在人遙控下快速反應，并實時檢測、發送數據，各項指標均達到了設計要求。如圖1所示。

圖1

4 技術參數

總體重量：6～7kg

電機：12V 1.27A 200g 15000r/min

電源：直流12V

螺旋槳大小：44mm

螺旋槳轉速：15000r/min

排開水的體積：約6.5L

[1]劉世祿.關于推進我國水產養殖業穩步、可持續發展的戰略思考[A].中國水產學會、四川省水產學會.2016年中國水產學會學術年會論文摘要集.

[2]宋鳳娟，付侃，薛雅麗.STC12C5A60S2單片機高速A/D轉換方法[J].煤礦機械，2010，31(06):219-221.

[3]張正平，夏斌，劉橋.基于單片機的GPRS無線數據采集與傳輸系統的設計[J].四川理工學院學報(自然科學版)，2007，(05):18-22.

[4]王杰雷，秦棟澤，裴水源，趙田麗.基于STM32的地震動信號檢測識別系統設計[J].國外電子測量技術，2017，36(07):48-51.

[5]趙燕，李煒.基于STC單片機的GPS定位顯示系統設計[J].南京工業職業技術學院學報，2014，14(04):25-28.