基于ZigBee的無人船的應用與研究

桂林電子科技大學電子工程與自動化學院 信息科技學院電子工程系　黃　東

桂林電子科技大學信息科技學院電子工程系　陳樂庚

0　引言

經過多年的改革開放，我國的水產養殖大幅增長，已是世界水產品養殖大國。但在水產養殖監測高科技投入還是有很大的不足，特別是在水質檢測方面，還停留在傳統的人工取樣方式，傳統人工方式實時性差，耗時費力，成本也高。本文設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備，結合無線傳輸技術，用戶可以在遠程操控船體，到達指定區域投放飼料，采集水樣。進而實現近海養殖和大面積水產養殖的遠程在線監控。

1　總體設計

無人駕駛船主要分為遠程操控系統和船載系統兩部分，采用無線通信方式實現遠程操控系統和船載系統的數據通信。系統結構圖如圖1所示。

圖1　系統結構圖

1.1　船載系統和遠程操控系統的硬件設計

船載系統主要以STM32F407ZGT6單片機為核心，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產生，信號輸出到BTN7970大功率驅動器，BTN7970大功率驅動器用于驅動無人船上的動力電機，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，機械式風速計檢測風速。無人船還可以自動投放飼料或設備，為此專門設計了一個步進電機與絲桿組合結構。

遠程操控系統主要以IAP15F2K61S2單片機作為核心。遠程操控系統顯示界面采用串口HMI顯示屏，通過ZigBee無線傳輸方式傳輸，在遠程終端顯示屏可以顯示船載系統傳感器采集的數據，以及GPS接收地理位置數據，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對用戶進行分級授權，使不同用戶獲得相應操作權限。船載系統和遠程操控系統采用ZigBee無線傳輸方式實現遠距離數據傳輸。船載系統和遠程操控系統的硬件設計原理框圖如圖2所示。

圖2　船載系統和遠程操控系統的硬件設計原理框圖

1.2　電源電路

電源電路設計采用LM2596芯片，LM2596是降壓型電源管理單片集成電路的開關電壓調節器，能夠輸出3A的驅動電流，同時具有很好的線性和負載調節特性。并具有完善的保護電路、電流限制、熱關斷電路等。利用該器件只需極少的外圍器件便可構成高效穩壓電路。本設計電源電路輸出5V電壓給單片機提供電源，電源電路設計電路如圖3所示。

圖3　電源電路設計電路

1.3　電機驅動電路

電機驅動電路的設計采用L298N芯片控制電機，電機正反轉、快慢速調節由單片機的控制信號來控制，電機驅動電路原理圖見圖4所示。

圖4　電機驅動電路

1.4　ZigBee通訊模塊

ZigBee是一種低功耗、低速率、低成本、低復雜度的無線通信技術，此技術可以有不同的工作頻段，而且傳輸速率較低，傳輸數據量小。而在非工作模式下，ZigBee 節點即會處于休眠狀態，這樣功耗也很低，完全適合控制信號傳輸。無疑設計上采用 ZigBee作為系統無線通信的方式，使系統的控制信號接收更迅速，抗干擾能力更強。設計選用的CC2530+CC2591（PA功率放大）方案的傳輸距離可以達到1000m以上，為了使得節點能夠在開闊水域傳輸更遠距離的信號，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　軟件設計

2.1　無線通訊網的建立

如圖6是無線通訊網建立的總體流程圖，圖中描述了遠程操控系統是如何與無人駕駛船進行信息的無線交互傳輸的。

圖6　控制終端與船體數據傳輸流程

2.2　電機調速信號產生

電機調速信號是通過脈沖寬度調制來實現的，如圖7所示是PWM程序流程圖。

圖7　PWM程序流程圖

2.3　GPS信號數據解析

STM32F407ZGT6單片機需要先初始化I/O口后，通過串口開始接收GPS的NMEA-0183協議回傳的$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行無線傳輸。GPS地理位置數據傳輸流程如圖8所示。

圖8　GPS數據傳輸流程圖

3　下水測試

在湖面進行測試，將雙體小船放入水中，利用搖桿電位器控制小船前進，后退和轉方向運動，直線駛入指定區域后，進行風力監測、水溫等檢測，測量參數傳輸到遠程操控系統，遠程操控系統也觀察到GPS地理位置數據。小船繼續行駛，達到另一個指定區域后，進行模擬投放飼料，順利完成，全部達到設計目標。

4　結束語

這次無人小船體設計制作主要參照雙體船的設計辦法實現，雙體船在行駛的時候阻力小，速度快，其中穩定性是雙體船最大的優點。雙體船下水測試后，動力充足轉向靈活，能夠穩定運行于水面，整體性能優良，整體性能達到設計之初的規劃。當然無人船系統具有相當大的改進空間，今后還要進一步完善本系統，使之成為功能更好、更穩定的產品。

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