智能太阳能池塘巡检机器人

王 倩，张浩奇，赵文钰

（河北农业大学 机电工程学院 河北 保定 071000）

1 项目背景及意义

中国是水产养殖第一大国，养殖总量占世界的70%以上[1]。

在养殖期间，经常会用到水体的PH值、含氧量等数据，通过这些数据对水体进行处理，使水体适于鱼类生长，而现如今，若想得到这些数据，基本都需要进行样本采集，在对样本进行检测，或将传感器放入水中进行检测，十分不便。

针对以上问题，本项目提出了对基于太阳能供电的鱼塘智能管理系统的研究，通过此系统可以做到实时监测水体状况。

2 方案设计

2.1 外观结构设计

外壳所用的材料主要有亚克力板、铝塑板和角钢等材料。在保证强度的条件下，使用5毫米厚的铝塑板作为底面，侧面及顶面则使用透明度较高的亚克力板。板材之间通过角钢进行连接，在能起到防水的前提下，还能起到加固外壳的作用。

在外观结构设计中，使外壳在保证防水性好、强度高等必要条件下，还具有外型美观、可观赏性强的特点。

2.2 动力系统设计

动力系统采用螺旋桨转动产生推力作为动力。相较于通过风力作为动力，此方案则产生的推力更大，使系统的航速更快。

电机采用直流高速旋转电机。通过多次实验，在直流12v供电的条件下，电机空载转速可达每分钟15000转。本系统在左、右、后方向安装三个电机，分别产生与之相反方向的动力，相较于传统通方式过舵来控制方向，此方案则使系统更加灵活。

同时，为了方便用户，我们设计了一款APP。用户只需要下载APP，连接到机器人上的蓝牙，即可通过手机控制机器人。经过实测，在室外空旷无遮挡、距离地面1.5米的情况下，有效控制距离可达250米，超过250米的范围，信号就会逐渐减弱。

2.3 数据采集与传送系统设计

此系统通过PH值采集传感器和不锈钢水温传感器分别采集池塘内的PH值、空气中的温度和池塘内水中的温度，再通过AD转换将数据传送到单片机内[2]。在数据传输方面，本系统改变以往有线传输的方式，而采用GPRS通信的方式将数据通过互联网传送到特定的网站[3]。相较于有线传输，此方案在实际应用中更方便、更灵活。

当然，有时客户只是为了检测水体样本的水质，这就不需要将机器人放入池塘。因此，为了方便客户快速得到样本数据，我们设计了另外一种显示方式，只需要将水体样本放到传感器内，就可通过与单片机连接的显示屏读取数据。

2.4 能源系统设计

能源是智能太阳能池塘巡检机器人的动力，机器人在水中的行走和数据的采集与传输都需要能源。

为了能够使系统做到不间断监测，尽可能减少电源更换次数，我们为系统置入了12伏高能直流电池作为源动力，并利用太阳能板将太阳能转换为电能储存在电池中。

在电池储存能量低于15%的情况下，单片机会通过GPRS模块向用户发送警报。在连续阴雨天太阳能板不能使用并且电池储能较低的情况下，我们还可以通过充电器为电池快速充电或者直接更换电池的方式，使能源得到快速补充，尽可能使机器人进入工作状态。

2.5 定位系统

定位系统使用ATK-S1216F8-BD模块，该模块是一款高性能GPS/北斗双定位模块。定位精度为2.5mCEP，冷启动时间可达29s，捕获追踪灵敏度为-165dBm，可以实时精准的测出精度、维度、海拔、速度、用于定位的卫星数、可见卫星数等信息[4]。

相较于NEO-6M模块，S1216采用GPS和北斗双定位，而NEO-6只采用GPS进行定位，因此，使用S1216得到的数据更精准，并且S1216双定位模块启动时间更短、最快更新速率更快[5]。

3 水上实验

经过多次试验，取得良好效果。智能太阳能池塘巡检机器人可以在人遥控下快速反应，并实时检测、发送数据，各项指标均达到了设计要求。如图1所示。

图1

4 技术参数

总体重量：6～7kg

电机：12V 1.27A 200g 15000r/min

电源：直流12V

螺旋桨大小：44mm

螺旋桨转速：15000r/min

排开水的体积：约6.5L

[1]刘世禄.关于推进我国水产养殖业稳步、可持续发展的战略思考[A].中国水产学会、四川省水产学会.2016年中国水产学会学术年会论文摘要集.

[2]宋凤娟，付侃，薛雅丽.STC12C5A60S2单片机高速A/D转换方法[J].煤矿机械，2010，31(06):219-221.

[3]张正平，夏斌，刘桥.基于单片机的GPRS无线数据采集与传输系统的设计[J].四川理工学院学报(自然科学版)，2007，(05):18-22.

[4]王杰雷，秦栋泽，裴水源，赵田丽.基于STM32的地震动信号检测识别系统设计[J].国外电子测量技术，2017，36(07):48-51.

[5]赵燕，李炜.基于STC单片机的GPS定位显示系统设计[J].南京工业职业技术学院学报，2014，14(04):25-28.