一種基于北斗和STM32的無人水生植物種植機器設計

摘要：該文設計了一款基于STM32和北斗導航定位技術的種植機器，該機器能對水下環境進行多數據實時監測，并利用北斗短時報通信功能將數據返回終端，算出最佳種植區域和種植點后再傳輸給機器，進行無人自動定位種植。

關鍵詞：北斗定位；短時報通信；STM32；水生植物種植機器

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2024.05.001

中圖分類號：S 776.2；TN 96" " " " " 文獻標志碼：B" " " " " " 文章編碼：1672-7274（2024）05-000-03

Design of an Unmanned Aquatic Plant Planting Machine based on Beidou and STM32

XU Jingyue， LI Gang

（Hunan University of Foreign Economics， Changsha 410205， China）

Abstract： This paper designs a planting machine based on STM32 and Beidou navigation positioning technology. The machine can monitor the underwater environment in real-time with multiple data， and use Beidou's short time communication function to return the data to the terminal， calculate the optimal planting area and planting point， and then transmit it to the machine， perform unmanned automatic positioning planting.

Keywords： Beidou positioning; short report communication; STM32; aquatic plant planting machine

水生植物的種植無疑需要消耗大量的人力，且如何選擇最佳的水生植物及種植點，使觀賞性、空間性、種植密度、光照強度最佳也是一大難題。因此本文利用多傳感器裝置和北斗導航定位技術設計了一套水生植物種植機器系統，可以快速、自動選擇最佳種植的水生植物及定位最適宜種植位置，進行無人工化種植[1]。

1" "相關技術原理

1.1 北斗導航定位功能

北斗一代定位系統使用信號集中處理的方式，傳輸給終端具體的地理位置。其流程如下。

（1）地面控制中心發射一定頻率的連續電波信號，該信號通過兩顆地球同步導航衛星傳廣播給地面覆蓋區的定位物[2]。

（2）定位物設備接收到衛星發射的信號后，以該接收時刻為初始時刻向衛星發射相應的入站電波信號。

（3）地面中心收到北斗一代的入站信息之后，根據進展時刻算出來回時差，將這個時間差除以2即求得從北斗衛星至定位物的時間差，由此求得相應的距離。該時間差需經過必要的對流層修正、電離層修正和設備延時修正等。地面控制中心根據上面求出的距離，通過三球交會原理求得定位物的地理位置，再反饋給設備終端。

偽距差：L=[（X1-X2）2+（Y1-Y2）2+

（Z1-Z2）2]+C×Vt" " " " " "（1）

式中，X1表示衛星在X軸的坐標；X2表示定位物在X軸的坐標；Y1表示衛星在Y軸的坐標；Y2表示定位物在Y軸的坐標；Z1表示衛星在Z軸的坐標；Z2表示定位物在Z軸的坐標；C為光速；Vt為定位物到基準站的鐘差[3]。

1.2 北斗短報文通信功能

短報文通信功能是北斗導航系統所獨有的，可為用戶提供通信功能，一次最多能傳輸120個字符。短報文通信采用一戶一密的方式，通過地面控制中心轉發。其流程如下：

（1）將需要發送的短報文信息和需要通信的終端ID號加密，轉發給地面控制中心。

（2）地面控制中心通過衛星接收到通信申請后，通過北斗導航衛星發射至接收終端。

（3）接收方接收到出站電文信息后，解調出電文信息，然后解密出當前的電文信息，從而完成該次短報文通信[4]。

1.3 STM32主控芯片

系列產品基于超低功耗的ARM Cortex-M4處理器內核，采用兩大節能技術：130 nm專用低泄漏電流制造工藝和優化的節能架構，具有業界領先的節能性能，并且具有優異的兼容性[5]。

1.4 多數據傳感器

（1）多數據傳感器：可以檢測到水下環境的多種數據，為判斷水體是否富營養化、選擇合適的水生植物，以及為水生植物種植機器確定最佳的種植地點提供了強有力的數據支撐。

（2）日照強度傳感器：使用光敏電阻傳感器測量水面上的日照強度，為選擇種植合適的水生植物提供數據支撐。

（3）HC-SR04超聲波傳感器：用于測量湖泊、溪流的水深，不同的水生植物適合種植在不同的水深環境，且利用超聲波測出岸邊離種植點的距離，可選擇觀賞性和空間性最佳的種植區域。

（4）水質渾濁度傳感器：測量水體渾濁度，渾濁度越高，說明水體中的有機物、病毒、細菌的含量越高，且越應該對種植的植物進行及時換水的處理。

（5）水質氮氨傳感器：測量水體中的氮氨含量，富營養化的水體含氮量大于0.03 mg/L。

（6）水質溶氧傳感器：測量水體中的溶氧含量，富營養化的水體生化需氧量大于10 mg/L。

（7）水質pH值傳感器：測量水體中的pH值，通常水體富營養化的pH值為7～9。

2" "基于北斗的水生植物種植機器系統設計方案

2.1 硬件設計

通過主控板STM32F103連接TTL串口，獲取各傳感器實時數據后，保存在數據存儲器內，同時調用串行接口連接著的北斗短時報通信模塊，將數據信息傳送給控制終端，控制終端接收到數據后，判斷出最適合種植的水生植物并運用公式計算出水生植物的最佳種植區域，同時將信息利用北斗短時報通信功能返回給STM32F103主控板，調用串行接口連接著的北斗智能導航定位模塊，操控無人水生植物種植機器進行種植[6]。

2.2 軟件設計

內部系統如圖2所示，開機感知水下環境的一切數據，一旦數據異常發出警報，便會自動上浮出水面，如果數據一切正常，會將數據通過北斗導航短時報通信模塊傳送回控制終端，判斷出需種植的水生植物，并通過最佳區域算法，確定區域根據定位進行智能種植水生植物幼苗與施肥的操作，直到終端顯示器發出終止設備水下作業的命令，水下無人水生植物種植機器才會慢慢重新浮出水面[7]。

表1列舉了部分祛水體富營養化效果較好的水生植物，其中水生植物的種植方式、種植密度、適合的水深等數據，都會影響到種植機器對其位置的判斷。

而如何選擇最佳的水生植物種植點，使觀賞性、空間性、種植密度、光照強度最佳也是一大難題。因為人眼水平位置上對植物最佳的觀賞距離是0～200 m左右，且角度為左側的60°至右側的60°左右，健康湖泊的水生植物，占湖泊的總面積小于6.43%。

當水域長度L1遠大于岸邊行人觀賞步道L2，最佳觀賞區面積為：

S1=200（L2+66.7π）" " " " " " " " " " " " " " " " " " （2）

否則：

最佳觀賞區面積為：S1=6.43（L2+66.7π）" " " " " （3）

最佳觀賞區面積和為：ΣS1≤6.43%S2" " " " "（4）

最佳種植棵數為：N=S1×ρ" " " " " " " " " " " "（5）

式中，S1為最佳觀賞區的面積；S2為湖泊總面積；N為最佳觀賞區內植物種植棵數；ρ為種植密度。

2.3 機械設計

圖3為水下無人水生植物種植機器的裝置設計，該裝置內配備兩個儲存箱，分別在④和⑩所標注位置，放置所需投放的水生植物幼苗和水生植物生長所需的化肥。圖3中，①是北斗導航探測器的放置區域，用于定位和短時報通信；②是電磁閥，閘門開啟，水涌入機體實現下浮；③內存放機身自帶的排水裝置、抽氣泵、沉浮氣囊，底座用于穩定機身，同時存放著多數據傳感器檢測水質；⑤為主控芯片STM32的放置區域；⑥是抓夾，用于種植水生植物；⑦為抓夾方向控制器，直流電機的運轉可帶動抓夾方向；⑧是水下警報裝置；⑨是機體也是電機裝置。

3" "實驗結果

2023年10月15日，在長沙市洋湖濕地公園進行了基于北斗和STM32的無人水生植物種植機器作業試驗，對最佳種植區域進行了定位。選擇了靠近洋湖濕地博物館的那片水域，在水域范圍內選擇了靠近岸邊觀賞區的不同的區塊，進行了5組數據監測，計算出了所在水域區塊面積，獲取到如表2所示數據。

根據最佳種植區域的面積，計算出該區域內最適宜種植的水生植物的株數，根據種植密度，按照固定的距離進行播種，驗證了基于北斗和STM32的無人水生植物種植機器的作業效果。

4" "結束語

本文設計了一種基于北斗和STM32的無人水生植物種植機器，該機器利用STM32主控芯片外接傳感器，進行水下數據采集，并利用北斗短時報通信功能進行信息發送，確定最佳位置之后進行下潛種植，且終端可實時監測水下數據變化并控制機器，實現無人自動上浮下潛。該機器解決了在富營養化的水體中人工種植水生植物危險性和效率低下等問題，具有良好的應用和推廣價值。■

參考文獻

[1] 陳昊．基于北斗定位及通信的船載導航設計[D]．杭州：杭州電子科技大學，2014．

[2] 周晶，車宇超，高健，趙黎明．基于水下移動平臺的多傳感器水質監測系統研制[J]．實驗室研究與探索，2022（7）：76-79．

[3] 劉雨青，陳澤華，曹守啟．基于物聯網的水質傳感器監控及自清洗裝置設計[J]．漁業現代化，2019（4）：42-48.

[4] 曹桂枝．基于北斗導航系統的高速鐵路列車定位技術研究[J]．鐵道建筑技術，2023（9）：69-73．

[5] 何泓稼，劉培培，蔣艷麗，江智威．基于STM32的北斗導航接收系統的設計[J]．計算機技術與發展，2021（11）：165-169．

[6] 佟霽坤，趙建國，董麗，等．白洋淀生態環境修復保護路徑研究[J]．資源節約與環保，2023（9）：128-131．

[7] 葉平一，郭佳樑，張津璟．行人視線影響因素調研與分析[J]．交通與運輸，2023（S01）：275-279．