基于ZigBee的無人船的應(yīng)用與研究

桂林電子科技大學(xué)電子工程與自動化學(xué)院 信息科技學(xué)院電子工程系　黃　東

桂林電子科技大學(xué)信息科技學(xué)院電子工程系　陳樂庚

0　引言

經(jīng)過多年的改革開放，我國的水產(chǎn)養(yǎng)殖大幅增長，已是世界水產(chǎn)品養(yǎng)殖大國。但在水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)測高科技投入還是有很大的不足，特別是在水質(zhì)檢測方面，還停留在傳統(tǒng)的人工取樣方式，傳統(tǒng)人工方式實時性差，耗時費力，成本也高。本文設(shè)計了一款小型無人駕駛雙體船，依托船體裝載GPS定位、檢測傳感器與控制投放設(shè)備，結(jié)合無線傳輸技術(shù)，用戶可以在遠(yuǎn)程操控船體，到達(dá)指定區(qū)域投放飼料，采集水樣。進(jìn)而實現(xiàn)近海養(yǎng)殖和大面積水產(chǎn)養(yǎng)殖的遠(yuǎn)程在線監(jiān)控。

1　總體設(shè)計

無人駕駛船主要分為遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)和船載系統(tǒng)兩部分，采用無線通信方式實現(xiàn)遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)和船載系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.1　船載系統(tǒng)和遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)的硬件設(shè)計

船載系統(tǒng)主要以STM32F407ZGT6單片機(jī)為核心，使用12V鋰電池供電，其他元件的供電主要靠XL4016與LM2596-adj芯片降壓后得到，使PWM與控制信號輸出靠單片機(jī)產(chǎn)生，信號輸出到BTN7970大功率驅(qū)動器，BTN7970大功率驅(qū)動器用于驅(qū)動無人船上的動力電機(jī)，GPS模塊用的是NEO-6M-UBLOX，這款高性能的GPS模塊用于接收地理位置信息。采集信號方面，選用DS18B20溫度傳感器來檢測水溫，機(jī)械式風(fēng)速計檢測風(fēng)速。無人船還可以自動投放飼料或設(shè)備，為此專門設(shè)計了一個步進(jìn)電機(jī)與絲桿組合結(jié)構(gòu)。

遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)主要以IAP15F2K61S2單片機(jī)作為核心。遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)顯示界面采用串口HMI顯示屏，通過ZigBee無線傳輸方式傳輸，在遠(yuǎn)程終端顯示屏可以顯示船載系統(tǒng)傳感器采集的數(shù)據(jù)，以及GPS接收地理位置數(shù)據(jù)，便于很好控制無人船的航行。在用戶管理方面，通過RFID射頻識別無線通訊技術(shù)對用戶進(jìn)行分級授權(quán)，使不同用戶獲得相應(yīng)操作權(quán)限。船載系統(tǒng)和遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)采用ZigBee無線傳輸方式實現(xiàn)遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸。船載系統(tǒng)和遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)的硬件設(shè)計原理框圖如圖2所示。

圖2　船載系統(tǒng)和遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)的硬件設(shè)計原理框圖

1.2　電源電路

電源電路設(shè)計采用LM2596芯片，LM2596是降壓型電源管理單片集成電路的開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器，能夠輸出3A的驅(qū)動電流，同時具有很好的線性和負(fù)載調(diào)節(jié)特性。并具有完善的保護(hù)電路、電流限制、熱關(guān)斷電路等。利用該器件只需極少的外圍器件便可構(gòu)成高效穩(wěn)壓電路。本設(shè)計電源電路輸出5V電壓給單片機(jī)提供電源，電源電路設(shè)計電路如圖3所示。

圖3　電源電路設(shè)計電路

1.3　電機(jī)驅(qū)動電路

電機(jī)驅(qū)動電路的設(shè)計采用L298N芯片控制電機(jī)，電機(jī)正反轉(zhuǎn)、快慢速調(diào)節(jié)由單片機(jī)的控制信號來控制，電機(jī)驅(qū)動電路原理圖見圖4所示。

圖4　電機(jī)驅(qū)動電路

1.4　ZigBee通訊模塊

ZigBee是一種低功耗、低速率、低成本、低復(fù)雜度的無線通信技術(shù)，此技術(shù)可以有不同的工作頻段，而且傳輸速率較低，傳輸數(shù)據(jù)量小。而在非工作模式下，ZigBee 節(jié)點即會處于休眠狀態(tài)，這樣功耗也很低，完全適合控制信號傳輸。無疑設(shè)計上采用 ZigBee作為系統(tǒng)無線通信的方式，使系統(tǒng)的控制信號接收更迅速，抗干擾能力更強(qiáng)。設(shè)計選用的CC2530+CC2591（PA功率放大）方案的傳輸距離可以達(dá)到1000m以上，為了使得節(jié)點能夠在開闊水域傳輸更遠(yuǎn)距離的信號，引入了二級放大，二級放大使用SKY65135芯片。原理圖見圖5所示。

圖5　CC2530+CC2591方案原理圖

2　軟件設(shè)計

2.1　無線通訊網(wǎng)的建立

如圖6是無線通訊網(wǎng)建立的總體流程圖，圖中描述了遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)是如何與無人駕駛船進(jìn)行信息的無線交互傳輸?shù)摹?/p>

圖6　控制終端與船體數(shù)據(jù)傳輸流程

2.2　電機(jī)調(diào)速信號產(chǎn)生

電機(jī)調(diào)速信號是通過脈沖寬度調(diào)制來實現(xiàn)的，如圖7所示是PWM程序流程圖。

圖7　PWM程序流程圖

2.3　GPS信號數(shù)據(jù)解析

STM32F407ZGT6單片機(jī)需要先初始化I/O口后，通過串口開始接收GPS的NMEA-0183協(xié)議回傳的$GPRMC推薦定位信息，然后解析該定位信息，最終將信息整合并進(jìn)行無線傳輸。GPS地理位置數(shù)據(jù)傳輸流程如圖8所示。

圖8　GPS數(shù)據(jù)傳輸流程圖

3　下水測試

在湖面進(jìn)行測試，將雙體小船放入水中，利用搖桿電位器控制小船前進(jìn)，后退和轉(zhuǎn)方向運(yùn)動，直線駛?cè)胫付▍^(qū)域后，進(jìn)行風(fēng)力監(jiān)測、水溫等檢測，測量參數(shù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程操控系統(tǒng)，遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)也觀察到GPS地理位置數(shù)據(jù)。小船繼續(xù)行駛，達(dá)到另一個指定區(qū)域后，進(jìn)行模擬投放飼料，順利完成，全部達(dá)到設(shè)計目標(biāo)。

4　結(jié)束語

這次無人小船體設(shè)計制作主要參照雙體船的設(shè)計辦法實現(xiàn)，雙體船在行駛的時候阻力小，速度快，其中穩(wěn)定性是雙體船最大的優(yōu)點。雙體船下水測試后，動力充足轉(zhuǎn)向靈活，能夠穩(wěn)定運(yùn)行于水面，整體性能優(yōu)良，整體性能達(dá)到設(shè)計之初的規(guī)劃。當(dāng)然無人船系統(tǒng)具有相當(dāng)大的改進(jìn)空間，今后還要進(jìn)一步完善本系統(tǒng)，使之成為功能更好、更穩(wěn)定的產(chǎn)品。

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