智能水质检测机器鱼方案.doc

智能水质检测机器鱼方案作者:李吉鹏 (信息管理与信息系统)冯智伟 (计算机科学与技术)吴青峰(计算机科学与技术) 指导老师：孔祥洪学校：上海水产大学信息学院学校地址：上海南汇学海路100号 邮编：201300通讯地址：上海南汇科教园区30幢一单元605B邮编：201300email:B tel能水质检测机器鱼方案一 引言：如今海洋开发的进展，一般的潜水技术已无法时应现代高深度综合考察和研究，完成各种作业的需求。例如，对海洋生物的追踪，对微小洞穴裂缝的探查都对海洋机器类提出了新的挑战。随着嵌入式技术的发展，也越来越多地应用于海洋资源的开发上。我们设计的智能水质监测机器鱼就是把嵌入式技术应用在海洋的开发中去。创新特点：本设计方案在仿生机器鱼的基础上加入对水体环境以及水下生物生活环境的监测，应用各种传感器以及摄像头将水下复杂的环境反映到上位机，可以远程监视水下生物的活动，对于水产养殖及海洋水质检测都有积极的作用。关键词：机器鱼 传感器 图像二功能简介：我们模拟一个养鱼池的环境，利用机器鱼来实现对鱼池水质的检测以及一些其他的功能。首先是解决鱼的游动问题,我们利用鱼的尾部左右的摆动来实现鱼体的前进、后退、左转、右转.在鱼体内设置了水泵及水箱,去实现鱼的上浮、下沉问题.利用各种传感器来实现对水质的检测,测试水中的悬浮物来提供适量喂养的具体数据,从摄像头采集的图象分析鱼群的活动,检测是否有外界刺激.通过鱼尾的摆动幅度来估计鱼的重量,利用采集红外发射接受、定义标尺来测量鱼的长度.信息保存功能和传输功能。实现功能：a)能实现机器鱼在水下前进、后退、左转、右转.b)能实现在水下上浮、下沉.c)能检测水体水质d)能反馈出鱼受刺激的反应e)测量出鱼的长度及重量f)信息的保存和传送总体方框图：（图1）图总体框图STR710FZ2T6发射模块接受模块电源部分电机部分传感器部分三 硬件设计：1）机器鱼身为3大部分：a：机器鱼的头部：机器鱼的头部主要由诸多传感器组成，用于判断前方障碍物，检测方向、水压、深度，采集水质污染数据以及电源是否充足等。b：机器鱼的身体：机器鱼的身体由控制芯片以及外围电路组成，其一是用于把传感器的模拟信号转换为数字信号，并通过芯片内部判断进行合适的控制，其二是把布封数字信号转化无线电波发射至控制台，由上位机对信号进行分析然后进行报警等功能。并在机器鱼的前下部分装一个水槽，由芯片控制对其充水及放水协助机器鱼来完成上浮以及上升工作。c：机器鱼的尾部：机器鱼的尾部主要由多个关节组成，其活动原理与鱼尾相类似，通过电机的操作使尾部关节象游鱼摆尾一样，使机器鱼在不影响生态的环境下能在水中前进，并通过摆动鱼尾的角度不同使机器鱼进行自由地转弯。并在尾部装有尾鳍来配合鱼尾进行上升下降和前进。2）机械构造：在鱼尾采用电机转动带动齿轮通过轴承的左右拉伸使鱼尾左右摆动。为了使鱼在摆动鱼尾时候的振幅不是很强烈特别用弹簧来缓解一些缓冲。右转：只向左摆动鱼尾。左转：只向右摆动鱼尾。前进：向左向右快速摆动一次鱼尾。同时通过左右尾鳍进行平衡。上升：水箱出水，尾鳍向下摆动。下降：水箱出水，尾鳍向上摆动。机械结构图：（图2） 图2 机械结构电机弹簧齿轮轴承水箱控制系统水泵传感器马达+齿轮轴承水箱控制系统水泵传感器尾鳍鱼尾3）电路原理：图3为控制电机部分电路图。通过对电机的控制来控制鱼在水下的活动。 图3 电机部分电路3） 传感器信号模块，图像及定位结构：在这部分我们要监测的是那些水质的指标，这些指标的检测是通过各种传感器采集各种数据，然后传给机器鱼中的处理器，在处理器中对这些信息的处理比对来判断水体的各种指标，并保存相应的信息指标。当发现有水体污染时发出信号上传给上位机。 如图是传感器与系统的联系图：（图4）传感器数据采集信号放大数据处理中心摄像头图像采集上位机信息通讯警告信号污水样本采集，并保存图4传感器系统传感器部分电路原理图：（如图5） 图5 传感器电路图四 软件流程：1 . 概述 本系统的软件设计要完成的主要功能为： PWM输出方式来控制电机、无线遥控。 ）PWM输出：通过单片机的PWM端口可以很容易的实现电机的PWM控制，当将其参数设置好以后本部分的工作就基本上不占用CPU了，因此其效率较高。 ）无线遥控：通过串口编程，通过预定的传输协议来实现对机器鱼的无线控制。 ）传感器信息采集：通过对A/D转换器把采集回来信息转换成数字信息并保存。2主程序说明 主程序首先初始化系统，设定系统的工作参数，主要包括系统总线的时钟选择，频率设定，端口的初始化设置，PWM(脉冲调制)的工作模式设置，遥控模块的初始化设置，以及进行AD采样转换设置，并进行比较计算。此外，还有定时器的参数设置，及其计数溢出中断进入其它服务子程序的设置等。程序通过接收控制信号来控制鱼的动作，当接受到要鱼要运动时系统将启动相应的电机控制模块来控制鱼的动作。当接受到采集信息信号时系统将会启动相应的传感器控制模块来采集相应的水体信息并保存。当接受到信息的传送信号时，机器鱼将会传送采集到的水体信息传送给上位机。3程序流程图：（图6）图6程序流程图系统启动复位初始信息设置是否有控制信号？是否前后？启动前进模块是否转弯？启动转弯模块是否升降？启动升降模块控制鱼运动信息采集？传感器采集信息保存信息发送信息？发送信息模块结束五 展望：研制机器鱼具有广泛的研究意义，它可以更逼真的模拟鱼的游动原理，使水下的机器人运动更符合流体力学原理，具有更好的加速和转向能力，利用它们可以探测海洋，寻找和检测海域中受污染的地方，也可以用来勘探地形；构造要比一般的水下推进器简单，制作和使用成本都较低；能源利用率高，作业时间长；当给相同的电能时，机器鱼能够比自制的潜艇游的更远；无需生命维持保障设备，可以小型化；且对人没有任何危险.等。参考文献：/st/zlxz.asp 资料下载：STR71xF microcontroller family http:/www.senso