CN108845571A - 一种基于stm32单片机的新型曝气处理船控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于STM32单片机的新型曝气处理船控制系统，用于对景观水体的曝气处理船进行控制，该控制系统包括控制器和功能模块，且所述功能模块包括：执行模块，用于驱动船体执行加速、减速和转向，并同时曝气充氧的功能；检测模块，用于检测水体含氧量，并反馈至控制器；路径规划模块，用于根据所处水域地形实时调整船体的前行轨迹；智能避障模块，用于在船体前行过程中回避水域中的建筑和障碍地形；人机通讯模块，用于监控船体的实时位置；能量模块，用于向执行模块供能。本发明所述的曝气处理船控制系统具有智能化程度高、能耗低和移动性强的优点。

Description

一种基于STM32单片机的新型曝气处理船控制系统

技术领域

本发明涉及水体智能净化技术领域，尤其涉及一种基于STM32单片机的新型曝气处理船控制系统。

背景技术

我国城市河道约80%已受不同程度污染，表面漂浮垃圾污染严重，景观效果差，造成严重的城市生态环境问题。国家环保局污染控制司对城市河段进行了调查统计，约87%的河段受不同程度的污染，其中11%重度污染，16%严重污染，15%中度污染，33%轻度污染，仅23%的城市河段水质较好。基于污染现状，国务院于2015年发布了《水污染防治行动计划》（简称“水十条”），其中对黑臭水体问题提出明确要求，到2020年，我国地级及以上城市建成区黑臭水体均控制在10%以内；到2030年，城市建成区黑臭水体总体得到消除，城市水体污染治理形势紧迫。污水中的有机物在水体微生物的作用下氧化分解需要消耗水中的溶解氧，有机物的分解产物如氨，氧化成亚硝酸盐和硝酸盐也要消耗溶解氧，水底的淤泥分解也需要从水中吸取氧，水生植物夜间的呼吸也需要消耗溶解氧。因此，国内外的实际运行经验表明，在水体中进行充氧不但能有效地消减水体黑臭，能在较短时间内降低水体有机物含量，提高水体DO浓度，增强水体的自净作用，改善水生态。

目前广泛应用于水净化处理中的曝气方式有固定曝气和移动曝气，固定曝气机以曝气器为中心，依靠氧分子的浓度差进行扩散，具有充氧速度缓慢的缺点，且会造成中心处的DO值过高，而远处DO值偏低的现象，虽然这样会使氧的传质推动力增大，但中心点过高的DO值却严重阻碍了大气复氧的传质速度，从而降低了曝气器的充氧速率；而移动式曝气机是以曝气器的移动路线上的各点为中心，即相当于有多个固定曝气机同时运转，显著缩短了氧分子传递的距离和消耗的时间，同时含氧水随曝气机的移动而迁移，也不存在大气复氧困难的问题。目前的移动式曝气机如射流曝气机，依托于浮体且自身重量较重，能耗较高，且受能耗的限制，无法增加曝气机其他的耗能的功能。

因此，现有的移动式曝气机具有明显的缺点：一是能耗过高，消耗大量的电能；二是功能简单、智能化程度低；三是可移动性差，覆盖面积小。所以有必要提出一种新型曝气处理船控制系统，从而使得移动式曝气摆脱传统的能耗高、功能简单及可移动性差的缺点。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于克服上述现有技术的缺陷，提供一种基于STM32单片机的新型曝气处理船控制系统，具有功能强大，智能化程度高，且可移动性高的优点，从而能够给水体进行更均匀充分的曝气，更能够全天候进行工作，解决了能耗不足的缺点。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

本发明提供了一种基于STM32单片机的新型曝气处理船控制系统，用于对景观水体的曝气处理船进行控制，该控制系统的功能模块包括：

执行模块，用于驱动船体执行加速、减速和转向，并同时曝气充氧的功能；

检测模块，用于检测水体含氧量，并反馈至控制器；

路径规划模块，用于根据所处水域地形实时调整船体的前行轨迹；

智能避障模块，用于在船体前行过程中回避水域中的建筑和障碍地形；

人机通讯模块，用于监控船体的实时位置；

能量模块，用于向执行模块供能；

控制器，与上述执行模块、检测模块、路径规划模块、智能避障模块、人机通讯模块和能量模块连接；并用于实现对执行模块、检测模块、路径规划模块、智能避障模块、人机通讯模块和能量模块的控制和信号接收。

作为本发明对上述方案的优选，所述控制器采用STM32单片机。

作为本发明对上述方案的优选，所述执行模块包括驱动耦合射流曝气机，所述驱动耦合射流曝气机包括一对对称固定于船体上的射流曝气器，所述射流曝气器包括电机、泵、空滤器、进水口、混气室和扩散管，所述泵由电机驱动，并将水体从进水口泵入混气室，所述空滤器通过管道连通混气室，所述扩散管前端连通混气室，且扩散管末端指向船体后方。

作为本发明对上述方案的优选，执行模块通过控制射流曝气器的电机转速大小调整船体的前行速度，通过控制对称的两个射流曝气器的转速差异大小控制船体转向。

作为本发明对上述方案的优选，所述检测模块包括氧浓度传感器，所述氧浓度传感器获取水体氧含量并反馈到控制器，控制器根据设置的氧含量阀值对比后判断是否继续控制船体的行进和执行模块的曝气充氧。

作为本发明对上述方案的优选，所述路径规划模块通过高清摄像头实时捕捉建立水域地形图，并通过控制器将水域地形图转化为数学模型进行网格划分计算距离，根据前一步捕捉的水域地形生成的数学模型与当前捕捉地形生成的数学模型进行比较，确定船体的实时位置，同时路径规划模块还包括图传发射模块，用于将实时数学模型发送至人机通讯模块。

作为本发明对上述方案的优选，所述智能避障模块通过水下雷达将障碍定位并反馈至控制器，控制器根据路径规划模块确定的船体实时位置和障碍定位位置，调整执行模块速度和方向完成避障过程。

作为本发明对上述方案的优选，所述人机通讯模块包括图传接收模块，用于接收实时数学模型，并通过连接显示屏进行展示，所述人机通讯模块还包括电池和遥控器，所述遥控器通过无线收发模块向控制器发送控制信号控制船体的轨迹，所述电池向遥控器和显示屏供电。

作为本发明对上述方案的优选，所述能量模块包括太阳能电池板和蓄电池，所述太阳能电池板通过光伏控制器连接蓄电池。

作为本发明对上述方案的优选，所述控制器STM32单片机通过其存储器将船体轨迹信息记录整合后通过GPRS网络上传至云端。

本发明的有益效果在于：本发明中的环保船以STM32单片机为中心控制器，结合水下雷达、氧浓度传感器感知水体的氧气浓度和附近的障碍物位置，结合高清摄像头对水质和空间信息进行数据收集建立水域地形图，并通过图传装置和GPRS发送到地面控制台，同时能够通过中心控制器进行路径规划，还可以通过无线收发模块和遥控器进行远程控制等功能。

本发明中执行模块中包括驱动耦合射流曝气机，其通过一对射流曝气器的喷射的流量和流速的不同，导致水体给与环保船的反作用力也不同来调节曝气处理船的移动和转向。进一步地，是通过调节电机转速控制流量和流速，从而能控制船体速度。左右两个射流曝气机独立驱动，当喷射量不同时，两边的推力具有差异，从而实现了转向的目的，曝气流量差异越大，转向角度越大。通过传统曝气技术和船体驱动相结合，摒弃传统螺旋浆驱动设计思路，使船在作业前进的同时，也能达到传统曝气的效果，不但简化了曝气清洁船的功能系统，节省了建造成本，还降低了能量需求，减少能耗。

本发明中利用太阳能电池板收集太阳能转化为电能储存在蓄电池中，进而保障系统的电能供应，存储的能量能够保障夜间的使用，从而满足全天候的工作需求。

因此，本发明所述的曝气处理船控制系统具有智能化程度高、能耗低和移动性强的优点。

附图说明

图1为本发明所述的一种新型曝气处理船控制系统的智能控制拓扑图；

图2为本发明所述的射流曝气器的结构示意图；

其中，1—执行模块，2—检测模块，3—路径规划模块，4—智能避障模块，5—人机通讯模块，6—能量模块，7—控制器，8-驱动耦合射流曝气机，9—电机，10—泵，11—空滤器，12—进水口，13—混气室，14—扩散管，15—氧浓度传感器，16—高清摄像头，17—图传发射模块，18—水下雷达，19—图传接收模块，20—显示屏，21—遥控器，22—电池，23—无线收发模块，24—太阳能电池板，25—蓄电池，26—光伏控制器，27—电动云台，28—稳压模块。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的附图标记表示相同或具有相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是直接连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接。可以是机械连接，也可以是电连接。可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1所示的一种基于STM32单片机的新型曝气处理船控制系统，用于对景观水体的曝气处理船进行控制，该控制系统的功能模块包括：

执行模块1，用于驱动船体执行加速、减速和转向，并同时曝气充氧的功能；

检测模块2，用于检测水体含氧量，并反馈至控制器；

路径规划模块3，用于根据所处水域地形实时调整船体的前行轨迹；

智能避障模块4，用于在船体前行过程中回避水域中的建筑和障碍地形；

人机通讯模块5，用于监控船体的实时位置；

能量模块6，用于向执行模块供能；

控制器7，与上述执行模块1、检测模块2、路径规划模块3、智能避障模块4、人机通讯模块5和能量模块6连接；并用于实现对执行模块1、检测模块2、路径规划模块3、智能避障模块4、人机通讯模块5和能量模块6的控制和信号接收。

在本实例中，所述控制器7采用STM32单片机。

在本实例中，所述执行模块1包括驱动耦合射流曝气机8，所述驱动耦合射流曝气机8包括一对对称固定于船体上的射流曝气器，所述射流曝气器包括电机9、泵10、空滤器11、进水口12、混气室13和扩散管14，所述泵10由电机9驱动，并将水体从进水口12泵入混气室13，所述空滤器11通过管道连通混气室13，所述扩散管14前端连通混气室13，且扩散管14末端指向船体后方。

在本实例中，执行模块1通过控制射流曝气器的电机9转速大小调整船体的前行速度，通过控制对称的两个射流曝气器的转速差异大小控制船体转向。

在本实例中，所述检测模块2包括氧浓度传感器15，所述氧浓度传感器15获取水体氧含量并反馈到控制器7，控制器7根据设置的氧含量阀值对比后判断是否继续控制船体的行进和执行模块1的曝气充氧。

在本实例中，所述路径规划模块3通过高清摄像头16实时捕捉建立水域地形图，并通过控制器7将水域地形图转化为数学模型进行网格划分计算距离，根据前一步捕捉的水域地形生成的数学模型与当前捕捉地形生成的数学模型进行比较，确定船体的实时位置，所述高清摄像头16通过电动云台27固定在船体上，同时路径规划模块3还包括图传发射模块17，用于将实时数学模型发送至人机通讯模块5。

在本实例中，所述智能避障模块4通过水下雷达18将障碍定位并反馈至控制器7，控制器7根据路径规划模块3确定的船体实时位置和障碍定位位置，调整执行模块1速度和方向完成避障过程。

在本实例中，所述人机通讯模块5包括图传接收模块19，用于接收实时数学模型，并通过连接显示屏20进行展示，所述人机通讯模块5还包括电池22和遥控器21，所述遥控器21通过无线收发模块23向控制器7发送控制信号控制船体的轨迹，所述电池22向遥控器21和显示屏20供电。

在本实例中，所述能量模块6包括太阳能电池板24和蓄电池25，所述太阳能电池板24通过光伏控制器26连接蓄电池25，且蓄电池连接有稳压模块28。

在本实例中，所述控制器7即STM32单片机通过其存储器将船体轨迹信息记录整合后通过GPRS网络上传至云端。

基于上述的新型曝气处理船控制系统以STM32单片机为核心，结合各个辅助模块进行水域曝气和清洁工作（如图1所示）。其中执行模块1为曝气处理船的核心部件，该部件完成曝气船的加减速、转向及充氧等主要功能，具体地，是通过控制器7控制驱动耦合射流曝气机8中的两个独立的电机9来完成加减速、转向和充氧等功能。放置于水域中的氧浓度传感器15获得水体氧气含量后根据设置的阈值经过逻辑判断是否启动曝气处理船，当判断为启动曝气处理船时，STM32控制器7接收到跳变信号，此信号充当系统开关按钮启动整个执行模块1，STM32控制器7高级定时器发出6路PWM波控制电机9转动.此过程工作同时检测模块2不断检测水域中氧气浓度并反馈给STM32控制器7，以备随时停机，速度调节等。路径规划模块3利用目前最新的环境建模技术，用高清摄像头16获得整个水域地形图，然后将地形图转化为数学模型进行网格划分计算每步距离，进行路径规划。在曝气处理船行走过程中实时检测船体是否偏离预定路径，该过程要用到高清摄像头的实时捕捉功能，将前一步捕捉图像生成的数学模型与当前捕捉图像生成的数学模型比较确定位置。智能避障模块4和路径规划模块3共同作用，依靠于高精度水下雷达18将障碍定位并反馈至控制器7，控制器7根据路径规划模块3确定的船体实时位置和障碍定位位置，调整执行模块1速度和方向完成避障过程。能量模块6保障系统可以稳定工作，太阳能电池板24及光伏控制器26可以将太阳能转换为电能并储存在蓄电池25中；利用STM32控制器7的存储器可将每步的信息记录并整合，通过GPRS网络间隔固定的时间上传到专用云端，使用者可以通过终端下载数据分析，以实现远程监控。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求范围内。

Claims (10)

1.一种基于STM32单片机的新型曝气处理船控制系统，用于对景观水体的曝气处理船进行控制，其特征在于：该控制系统的功能模块包括：

执行模块，用于驱动船体执行加速、减速和转向，并同时曝气充氧的功能；

检测模块，用于检测水体含氧量，并反馈至控制器；

路径规划模块，用于根据所处水域地形实时调整船体的前行轨迹；

智能避障模块，用于在船体前行过程中回避水域中的建筑和障碍地形；

人机通讯模块，用于监控船体的实时位置；

能量模块，用于向执行模块供能；

控制器，与上述执行模块、检测模块、路径规划模块、智能避障模块、人机通讯模块和能量模块连接；并用于实现对执行模块、检测模块、路径规划模块、智能避障模块、人机通讯模块和能量模块的控制和信号接收。

2.根据权利要求1所述的一种基于STM32单片机的新型曝气处理船控制系统，其特征在于，所述控制器采用STM32单片机。

3.根据权利要求1所述的一种基于STM32单片机的新型曝气处理船控制系统，其特征在于，所述执行模块包括驱动耦合射流曝气机，所述驱动耦合射流曝气机包括一对对称固定于船体上的射流曝气器，所述射流曝气器包括电机、泵、空滤器、进水口、混气室和扩散管，所述泵由电机驱动，并将水体从进水口泵入混气室，所述空滤器通过管道连通混气室，所述扩散管前端连通混气室，且扩散管末端指向船体后方。

4.根据权利要求3所述的一种基于STM32单片机的新型曝气处理船控制系统，其特征在于，执行模块通过控制射流曝气器的电机转速大小调整船体的前行速度，通过控制对称的两个射流曝气器的转速差异大小控制船体转向。

5.根据权利要求1所述的一种基于STM32单片机的新型曝气处理船控制系统，其特征在于，所述检测模块包括氧浓度传感器，所述氧浓度传感器获取水体氧含量并反馈到控制器，控制器根据设置的氧含量阀值对比后判断是否继续控制船体的行进和执行模块的曝气充氧。

6.根据权利要求1所述的一种基于STM32单片机的新型曝气处理船控制系统，其特征在于，所述路径规划模块通过高清摄像头实时捕捉建立水域地形图，并通过控制器将水域地形图转化为数学模型进行网格划分计算距离，根据前一步捕捉的水域地形生成的数学模型与当前捕捉地形生成的数学模型进行比较，确定船体的实时位置，同时路径规划模块还包括图传发射模块，用于将实时数学模型发送至人机通讯模块。

7.根据权利要求6所述的一种基于STM32单片机的新型曝气处理船控制系统，其特征在于，所述智能避障模块通过水下雷达将障碍定位并反馈至控制器，控制器根据路径规划模块确定的船体实时位置和障碍定位位置，调整执行模块速度和方向完成避障过程。

8.根据权利要求6所述的一种基于STM32单片机的新型曝气处理船控制系统，其特征在于，所述人机通讯模块包括图传接收模块，用于接收实时数学模型，并通过连接显示屏进行展示，所述人机通讯模块还包括电池和遥控器，所述遥控器通过无线收发模块向控制器发送控制信号控制船体的轨迹，所述电池向遥控器和显示屏供电。

9.根据权利要求1所述的一种基于STM32单片机的新型曝气处理船控制系统，其特征在于，所述能量模块包括太阳能电池板和蓄电池，所述太阳能电池板通过光伏控制器连接蓄电池。

10.根据权利要求2所述的一种基于STM32单片机的新型曝气处理船控制系统，其特征在于，所述控制器吧通过其存储器将船体轨迹信息记录整合后通过GPRS网络上传至云端。