小型水域垃圾清理自動調節裝置的設計與實現

劉小燕 白克強 倪一寧 曾明山 張皓 胡旭林

摘要：根據小型水域特點，針對現有垃圾清理裝置存在的體積大、成本高等問題，設計了一款可自動調節深度的水面垃圾清理收集裝置。該裝置主要由esp8266控制的無線通信模塊、基于紅外傳感的檢測模塊、以STM32為主的控制模塊、以水泵為主的垃圾收集模塊、云端服務器以及安卓客戶端組成。水泵吸水形成渦流將垃圾卷入垃圾收集倉，傳感器檢測垃圾收集狀態，無線通信模塊將裝置工作狀態實時傳送到客戶端，實現遠程監控。

關鍵詞：STM32;esp8266;安卓客戶端;深度調節;遠程監控

0 引言

我國經濟飛速發展的同時，水資源問題日益嚴重，河道、湖泊等水域經常可見大量的水面垃圾，污染環境，對附近居民的日常生活造成了巨大影響。這種環境污染問題在各小型水域尤為明顯，因此，解決水面垃圾問題迫在眉睫。

對于小型水域的水面垃圾清理問題，目前主要以人工打撈方式為主，這種方式耗費勞動力大，周期較長，實際效果與付出不呈正比。目前雖然出現了多種水面垃圾清理機，一定程度上提高了水面垃圾清理效率，但其結構復雜，成本較高，體積偏大，適用范圍有限。為此，本文針對現有清理裝置存在的不足，結合小型水域特點，設計了一款能自動調節深度的水面垃圾清理收集裝置，通過水泵和傳感器控制垃圾的收集;通過STM32控制調節裝置位置;通過手機APP獲取裝置工作狀態，進行遠程監控，也可通過APP對裝置進行控制。該裝置具有結構簡單、操作方便、工作效率高、成本低且針對性強的特點，具有良好的應用前景及推廣價值。

1 整體方案設計

本設計包括清理裝置和客戶端兩部分。其中，清理裝置的主要模塊包括無線通信模塊、檢測模塊、深度控制模塊、垃圾收集模塊;客戶端包括手機APP和云端服務器。清理裝置整體架構與客戶端架構如圖1所示。

收集裝置浮于水面，控制部分沉于水底，兩部分用繩子相連，通過控制繩子長度來調節收集裝置的深度。收集垃圾時，清理裝置通過水泵抽水形成漩渦，將水面垃圾從上端口收入垃圾網，水從裝置底部排出。傳感器位于垃圾收集倉內，用于檢測垃圾收集狀態，以控制收集裝置的深度和開啟狀態。裝置的工作狀態等通過無線傳輸模塊上傳至云端，可在手機APP查看裝置的工作狀態，也可通過APP控制裝置開關。

2 硬軟件設計

2.1 ? ?步進電機轉動控制

本設計采用57步進電機控制清理裝置上浮下沉，驅動器連接步進電機的對應端口。其中，PUL+、PUL-是脈沖信號輸入正負端口;DIR+、DIR-是控制電機正反轉正負端口;EN+、EN-是電機脫機控制正負端口;PUL+、DIR+、ENA+ 3個端口共陽極，控制系統設置的3個端口脈沖信號、方向信號、脫機信號分別連接PUL-、DIR-、ENA-。驅動器提供24 V的直流電壓（24 V為最適工作電壓）供電。根據以下公式控制繩子變化長度L，進而控制清理裝置的深度。

L=nπr/180

式中，r為電機轉動承軸的半徑;n為用單片機控制電機轉動的度數。

2.2 ? ?垃圾收集與監測

2.2.1 ? ?垃圾收集原理

垃圾收集通過水泵抽水形成漩渦，同時使收集裝置與水面形成一定的液位差，將水面垃圾隨水吸入到裝置，然后將水從裝置底部排出，此時吸入的水面垃圾全部吸附在垃圾收集倉底部。當垃圾堆積滿后，需要向上位機APP發送信號，從而人為進行垃圾收集倉的清理。

2.2.2 ? ?垃圾收集監測

通過傳感器對垃圾收集倉內垃圾量進行測算，從而達到監測的目的，當垃圾集滿后給上位機APP發送相應的信號，從而對垃圾收集倉進行實時監控。考慮到水位對垃圾測量的影響，采用GP2D12紅外測距傳感器對垃圾高度進行測量，傳感器由一個紅外發射管和一個PSD（位置敏感檢測裝置）以及相應的計算電路構成，可以檢測到光點落在它上面的微小位移，分辨率達到微米級別。其工作原理是通過紅外發射管發出紅外線光束，發射角度由發射管確定，遇到障礙物反射回來，落在PSD上，構成了一個等腰三角形，借助PSD可直接得到三角形的底，此時可通過底邊推算出高，也就是測距的實際距離，即垃圾收集倉剩余空間高度。因為傳感器不是連續測量，因此得到底邊長度后，必須經過計算才能得到距離值，而后轉換為模擬信號輸出。

2.3 ? ?收集控制硬件連接設計

清理裝置的收集控制原理如圖2所示，裝有紅外傳感器的水泵通過步進電機和繩子連接湖底的配重物，步進電機和esp8266以及紅外傳感器通過導線與STM32單片機連接。當水泵啟動，步進電機開始初始化，使繩子收縮5 cm左右，收集裝置下降同等距離，紅外傳感器實時監測垃圾收集高度。若傳感器監測到垃圾收集滿，則控制電機正轉，使繩子上升5 cm左右;反之，則持續工作。在整個過程中，STM32把采集到的信息經esp8266實時傳送到云端，用戶可在移動端實時監測水泵的工作狀態。

3 軟件設計

3.1 ? ?深度控制的實現

本裝置通過步進電機軸承旋轉改變繩子的長度，通過配重物將上浮的裝置拉緊，從而改變裝置深度并維持懸浮。當裝置剛放入水中，通過移動端將裝置進行初始化，裝置收集口恰好位于水面，配重物位于水底;然后步進電機正轉使裝置下降5 cm，收集裝置開始收集垃圾;此時位于收集倉壁上的傳感器開始工作，檢測垃圾是否收集滿，若集滿，則步進電機反轉，使裝置上升5 cm上浮至水面，傳感器和收集裝置停止工作，并將信息發送至移動端;反之，則繼續收集。

3.2 ? ?通信的實現

本裝置控制部分由STM32單片機和esp8266 Wi-Fi芯片組成，兩個芯片共同處理信息，其中STM32單片機負責水位控制和收集狀態的監控，esp8266負責信息收發和收集裝置控制。STM32單片機和esp8266芯片之間采用通信簡單且適合距離較近的串口通信。

esp8266芯片和云端服務器通信采用MQTT協議。該協議基于TCP/IP協議專為大量計算能力有限且工作在低帶寬的物聯網設備開發。本設計中裝置和云端為雙向通信鏈路，MQTT使用發布/訂閱消息模式，發布者發布話題，所有訂閱該話題的訂閱者均能接受話題信息。

服務器和移動端采用http協議建立連接，裝置、服務器、移動端通信采用JSON格式進行通信，具體格式如下：

{"0001"：[

{"temperature"，"21"："humidity"，"24"}，

{"state"，"1"}，

{"depth"，"1"}，

]}

其中，0001為設備序列號，由四位整數組成，不同的序列號代表不同的設備;temperature和humidity代表溫度和濕度值為0～100的數;state表示垃圾是否裝滿，值為0和1，0代表沒滿，1代表滿了;depth代表距離水面深度，由0～100的整數組成。

3.3 ? ?服務器結構設計

服務器主要負責MQTT協議報文的轉發，并且控制用戶的名稱和密碼。硬件裝置和云端服務器通過MQTT協議建立雙向通信鏈路，移動端和云端服務器通過http協議建立雙向通信鏈路。移動端和云端服務器進行通信時，通過http協議發送JSON格式的數據進行通信。硬件裝置和云服務器通信時，相關信息直接被放在MQTT報文中。

3.4 ? ?移動端軟件設計

由于手機具有普及性、便捷性及軟件開發的豐富性等優勢，本設計采用安卓系統作為移動端，移動端界面主要包括登錄和裝置的監控界面，如圖3所示。

用戶登錄界面用于用戶的登錄管理，監控界面是移動端的核心且支持多設備同時監控。裝置序列號與注冊的賬號綁定，登錄后自動與云端服務器匹配，將該賬號下的所有設備信息顯示在移動端，實現一機多用。

4 結語

本文介紹了一種自動調節深度的水面垃圾清理裝置的設計與實現，詳細敘述了裝置的構成、原理以及各部分功能。該裝置結構簡單，成本低廉，客戶端可實現多裝置同時監控。測試表明，該裝置能夠較好適應小型水域特點，對水面垃圾進行有效清理，對水面垃圾清理裝置的研發有一定的實用價值。

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收稿日期：2020-05-07

作者簡介：劉小燕（1998—），女，四川瀘州人，研究方向：仿真機器人。

通信作者：白克強（1979—），甘肅慶陽人，男，博士，講師，研究方向：仿生機器人。