小型水域垃圾清理自动调节装置的设计与实现

刘小燕 白克强 倪一宁 曾明山 张皓 胡旭林

摘要：根据小型水域特点，针对现有垃圾清理装置存在的体积大、成本高等问题，设计了一款可自动调节深度的水面垃圾清理收集装置。该装置主要由esp8266控制的无线通信模块、基于红外传感的检测模块、以STM32为主的控制模块、以水泵为主的垃圾收集模块、云端服务器以及安卓客户端组成。水泵吸水形成涡流将垃圾卷入垃圾收集仓，传感器检测垃圾收集状态，无线通信模块将装置工作状态实时传送到客户端，实现远程监控。

关键词：STM32;esp8266;安卓客户端;深度调节;远程监控

0 引言

我国经济飞速发展的同时，水资源问题日益严重，河道、湖泊等水域经常可见大量的水面垃圾，污染环境，对附近居民的日常生活造成了巨大影响。这种环境污染问题在各小型水域尤为明显，因此，解决水面垃圾问题迫在眉睫。

对于小型水域的水面垃圾清理问题，目前主要以人工打捞方式为主，这种方式耗费劳动力大，周期较长，实际效果与付出不呈正比。目前虽然出现了多种水面垃圾清理机，一定程度上提高了水面垃圾清理效率，但其结构复杂，成本较高，体积偏大，适用范围有限。为此，本文针对现有清理装置存在的不足，结合小型水域特点，设计了一款能自动调节深度的水面垃圾清理收集装置，通过水泵和传感器控制垃圾的收集;通过STM32控制调节装置位置;通过手机APP获取装置工作状态，进行远程监控，也可通过APP对装置进行控制。该装置具有结构简单、操作方便、工作效率高、成本低且针对性强的特点，具有良好的应用前景及推广价值。

1 整体方案设计

本设计包括清理装置和客户端两部分。其中，清理装置的主要模块包括无线通信模块、检测模块、深度控制模块、垃圾收集模块;客户端包括手机APP和云端服务器。清理装置整体架构与客户端架构如图1所示。

收集装置浮于水面，控制部分沉于水底，两部分用绳子相连，通过控制绳子长度来调节收集装置的深度。收集垃圾时，清理装置通过水泵抽水形成漩涡，将水面垃圾从上端口收入垃圾网，水从装置底部排出。传感器位于垃圾收集仓内，用于检测垃圾收集状态，以控制收集装置的深度和开启状态。装置的工作状态等通过无线传输模块上传至云端，可在手机APP查看装置的工作状态，也可通过APP控制裝置开关。

2 硬软件设计

2.1    步进电机转动控制

本设计采用57步进电机控制清理装置上浮下沉，驱动器连接步进电机的对应端口。其中，PUL+、PUL-是脉冲信号输入正负端口;DIR+、DIR-是控制电机正反转正负端口;EN+、EN-是电机脱机控制正负端口;PUL+、DIR+、ENA+ 3个端口共阳极，控制系统设置的3个端口脉冲信号、方向信号、脱机信号分别连接PUL-、DIR-、ENA-。驱动器提供24 V的直流电压（24 V为最适工作电压）供电。根据以下公式控制绳子变化长度L，进而控制清理装置的深度。

L=nπr/180

式中，r为电机转动承轴的半径;n为用单片机控制电机转动的度数。

2.2    垃圾收集与监测

2.2.1    垃圾收集原理

垃圾收集通过水泵抽水形成漩涡，同时使收集装置与水面形成一定的液位差，将水面垃圾随水吸入到装置，然后将水从装置底部排出，此时吸入的水面垃圾全部吸附在垃圾收集仓底部。当垃圾堆积满后，需要向上位机APP发送信号，从而人为进行垃圾收集仓的清理。

2.2.2    垃圾收集监测

通过传感器对垃圾收集仓内垃圾量进行测算，从而达到监测的目的，当垃圾集满后给上位机APP发送相应的信号，从而对垃圾收集仓进行实时监控。考虑到水位对垃圾测量的影响，采用GP2D12红外测距传感器对垃圾高度进行测量，传感器由一个红外发射管和一个PSD（位置敏感检测装置）以及相应的计算电路构成，可以检测到光点落在它上面的微小位移，分辨率达到微米级别。其工作原理是通过红外发射管发出红外线光束，发射角度由发射管确定，遇到障碍物反射回来，落在PSD上，构成了一个等腰三角形，借助PSD可直接得到三角形的底，此时可通过底边推算出高，也就是测距的实际距离，即垃圾收集仓剩余空间高度。因为传感器不是连续测量，因此得到底边长度后，必须经过计算才能得到距离值，而后转换为模拟信号输出。

2.3    收集控制硬件连接设计

清理装置的收集控制原理如图2所示，装有红外传感器的水泵通过步进电机和绳子连接湖底的配重物，步进电机和esp8266以及红外传感器通过导线与STM32单片机连接。当水泵启动，步进电机开始初始化，使绳子收缩5 cm左右，收集装置下降同等距离，红外传感器实时监测垃圾收集高度。若传感器监测到垃圾收集满，则控制电机正转，使绳子上升5 cm左右;反之，则持续工作。在整个过程中，STM32把采集到的信息经esp8266实时传送到云端，用户可在移动端实时监测水泵的工作状态。

3 软件设计

3.1    深度控制的实现

本装置通过步进电机轴承旋转改变绳子的长度，通过配重物将上浮的装置拉紧，从而改变装置深度并维持悬浮。当装置刚放入水中，通过移动端将装置进行初始化，装置收集口恰好位于水面，配重物位于水底;然后步进电机正转使装置下降5 cm，收集装置开始收集垃圾;此时位于收集仓壁上的传感器开始工作，检测垃圾是否收集满，若集满，则步进电机反转，使装置上升5 cm上浮至水面，传感器和收集装置停止工作，并将信息发送至移动端;反之，则继续收集。

3.2    通信的实现

本装置控制部分由STM32单片机和esp8266 Wi-Fi芯片组成，两个芯片共同处理信息，其中STM32单片机负责水位控制和收集状态的监控，esp8266负责信息收发和收集装置控制。STM32单片机和esp8266芯片之间采用通信简单且适合距离较近的串口通信。

esp8266芯片和云端服务器通信采用MQTT协议。该协议基于TCP/IP协议专为大量计算能力有限且工作在低带宽的物联网设备开发。本设计中装置和云端为双向通信链路，MQTT使用发布/订阅消息模式，发布者发布话题，所有订阅该话题的订阅者均能接受话题信息。

服务器和移动端采用http协议建立连接，装置、服务器、移动端通信采用JSON格式进行通信，具体格式如下：

{"0001"：[

{"temperature"，"21"："humidity"，"24"}，

{"state"，"1"}，

{"depth"，"1"}，

]}

其中，0001为设备序列号，由四位整数组成，不同的序列号代表不同的设备;temperature和humidity代表温度和湿度值为0～100的数;state表示垃圾是否装满，值为0和1，0代表没满，1代表满了;depth代表距离水面深度，由0～100的整数组成。

3.3    服务器结构设计

服务器主要负责MQTT协议报文的转发，并且控制用户的名称和密码。硬件装置和云端服务器通过MQTT协议建立双向通信链路，移动端和云端服务器通过http协议建立双向通信链路。移动端和云端服务器进行通信时，通过http协议发送JSON格式的数据进行通信。硬件装置和云服务器通信时，相关信息直接被放在MQTT报文中。

3.4    移动端软件设计

由于手机具有普及性、便捷性及软件开发的丰富性等优势，本设计采用安卓系统作为移动端，移动端界面主要包括登录和装置的监控界面，如图3所示。

用户登录界面用于用户的登录管理，监控界面是移动端的核心且支持多设备同时监控。装置序列号与注册的账号绑定，登录后自动与云端服务器匹配，将该账号下的所有设备信息显示在移动端，实现一机多用。

4 结语

本文介绍了一种自动调节深度的水面垃圾清理装置的设计与实现，详细叙述了装置的构成、原理以及各部分功能。该装置结构简单，成本低廉，客户端可实现多装置同时监控。测试表明，该装置能够较好适应小型水域特点，对水面垃圾进行有效清理，对水面垃圾清理装置的研发有一定的实用价值。

[參考文献]

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[2] 袁斌华，高晓红，张彬，等.小型水面垃圾清理船的设计与实现[J].陇东学院学报，2017，28（1）：24-29.

[3] 傅鹏有，罗亮，吴静，等.旋涡式水面垃圾清理装置及其远程监控系统设计[J].自动化与仪表，2019，34（5）：80-84.

收稿日期：2020-05-07

作者简介：刘小燕（1998—），女，四川泸州人，研究方向：仿真机器人。

通信作者：白克强（1979—），甘肃庆阳人，男，博士，讲师，研究方向：仿生机器人。