用STM32做了一艘小船，拿下了5000元奖金！可以自主巡航

今天推荐的开源项目，来历很有意思。

本项目的作者三人，因参加了某个比赛获得了一等奖，而“留下了一身做船的好手艺，却难得再一展身手”。

一是因为平时不需要你做船，二是就算作者自己研究学习，花出去的成本，谁给报销呢？毕竟还只是在读学生呀！

事情往往就是这么凑巧。

他们看到立创开源硬件平台有个类似的外包项目正在悬赏……

这不就能“一展身手”了？这不就有人“报销”了？遂火速报名！

项目说明

本团队基于NB-IOT设计了无人水质监测小船，并成功拿下了5000元奖金。

小船旨在通过自主巡航等技术，解决水质监测作业环境恶劣、重复性强、采样时间长的作业特点和任务需求。

本文主要记录小船的——项目功能、设计图、规格参数、船体组装与改造、微信小程序上位机说明、MQTT服务器搭建、图传软件安装、成本说明。

相信看完后，你会对于“做一个小船”有一个基础的理解！

项目功能

在STM32F4 系列的MPU芯片上搭载FreeRTOS，具有——水质监测、自主巡航、双重运动遥控、数据云传输、微信小程序等功能。

本章节会详细说明一下各个功能。

小编视角：能自主巡航？小船成精了！

作者视角：

以无人小船为监测平台，能够通过GPS和北斗双模模块的定位，通过电子罗盘和GPS配合PID算法和贪心算法实现自主巡航。（具体操作方式，见“微信小程序上位机说明”章节）
能够监测多种水质气象信息，包括：水温，pH值，浊度，TDS，气压，海拔，环境湿度温度，光照强度等。
能够通过NB-IOT模块实现数据的远程传输。
通过距离传输的433M模组进行远程控制，无限制距离控制采用微信小程序，二者可随意切换。通过mqtt服务器与微信小程序通信，实时显示船体位置和运动轨迹以及下达船体运动命令，完成地图寻路。
采用水泵监测水质，可装上清洁网通过规划湖面地图点位进行多点巡航。
小程序上带有电量显示，船体当前状态提示，低电量报警值等功能。

设计图

小船的硬件系统主要分为4个部分：

船体框架和动力螺旋桨电机。
主电路和外围传感器器件等组成的电路驱动系统。
4G调制解调器和UVC摄像头组成的图传系统。
遥控器。

这是小船的电路设计图：

原理图

PCB图

无人船设计历程

值得注意的是：

为了保证船体行驶稳定，我们将图传模块和主电路分开。

船体的控制信息和数据通过NB-IOT模块传输给云服务器，而图像信息通过4G调制解调器直接传输给上位机，网络传输部分使用了两条链路同时工作，从而避免图传线路异常时，船体失联。

虽然会增加整体系统的功耗，但我们认为这是必要的取舍。

规格参数

尺寸：60x20cm

重量：1.3KG

巡航速度：1m/s-3m/s

最大航行时间：≥ 30分钟

搭载传感器类型：pH，TDS，水温，光照，海拔，环境湿度，环境温度

通信方式：2.4GHz, NB-IOT, 4GLTE

电池容量：5400mAh

工作温度范围：0~+70℃

船体组装与改造

1.船体组装

将购买后的散件组装完成即可。

螺旋桨的安装图：

2.船体钻孔

为了让船体具备水质采集与检测能力，必须在现有的船体框架上进行钻孔并安放传感器和采样装置。

上图可以看出，我们在船的盖板上安装了一个亚克力平台，平台上放置了一个密封的采样盒，并将传感器放入采样盒进行水质采样。

当然，你也可以直接将传感器外置进行采样，不过必须做好相应的放水措施。

注意：pH传感器比较脆弱，浸泡时间过长可能导致测量数据不准或损坏。

3.添置浮力棒

船体内部放有各种器件，使得船体质量变大，在无人船航行的过程中可能会因为速度过快引起沉船风险。

需要在船体两侧加装浮力棒增加船体浮力。

4.电路组装

按照项目的电路原理图进行焊接。

将电路板放入船仓内并连接上电源和各种线缆，船体上方的盖子一定要盖好再下水。

电子罗盘建议将它的接线出来，安装到船体尾部中间。

传感器需要放置在抽水系统盒子里面，打孔后采用防水胶704将其粘好，不会漏水即可。

抽水系统由两个水泵组成的：

一个是抽水进盒子的水泵。
一个是盒子里排水的水泵。

盒子里面不能完全封闭，所以在盒子上方开了两个孔连接管道用于空气流通，防止难以抽水。

抽水泵电机方向的正负极需要注意一下不能接反，否则也无法抽水进来。

抽取水面上的那个水泵的水管需要做一下处理，以防湖水的渣质抽到水泵里卡住水泵，无法工作。

如果堵住了，需要拆卸下面的螺丝，将头拿去用水冲洗薄膜。

电源的开关在船体尾部。

船体上方的盖子一定要盖好后再下水。

小心不要让水溅到主控板上，或者电路线上，建议是准备好纸张擦一下船壳上方的水。

5.图传模块安装

相较于传统的图传模块，这个4G图传可以在任何4G信号覆盖到的地方工作。

真正摆脱了对于距离的限制。

项目中使用的4G调制解调器，使用了UFI设备改造而成。

这类设备通常是用来作为便携上网设备使用，其内部运行的是安卓系统。我们将设备改成常规的Linux系统，再搭载通用的摄像头即可实现图像获取功能。

改装方式如下：

①刷入armbian系统。

②连接UVC摄像头，这里有两种方法：

使用USBhub1拖4电路拓展主板的USB口。将设备插入usb口并从核心板上的摄像头接口拉电源线接上，并把UVC摄像头插上即可。
直接使用USB母对母转接头接入UVC摄像头。

这样虽然不方便后期的功能拓展，但无需焊接转接板，只要焊两根电源线。

微信小程序上位机说明

打开小程序列表搜索：“IOT太阳能水质船”，即可找到无人水质检测船的微信小程序上位机。

小程序上可切换船体控制模式：遥控器模式、自主航行模式。

1.遥控器模式

使用2.4G遥控器控制船体。

在小程序上点击手动监测控制，直接驱动抽水泵将水槽灌满，进行水质监测，将传感器数据上传小程序。

2.自主航行模式

用该模式采样往地图上设置坐标点，控制船体自主航行到坐标点自动进行水质检测，完成检测完后无需人为控制，自主返回出发点。

自主航行步骤：

①点击航行矫正按钮。注意：罗盘矫正成功，小程序上会提示Compass_Successful。

如果是Compass_error请重新矫正，直到看到Compass_Successful，不然无法进行下一步。

②点击设置路径点按钮，在地图上设置坐标点。

③点击开始任务，船体开始自主航行。

④状态提示。

 ship_Idel 空闲提示
   ship_forward app手动控制提示
   ship_rotate 航行矫正提示
   ship_Gps 设置点位提示
   ship_run 自主导航提示
   ship_check_water 监测水质提示
   ship_error_stop 错误停止提示
   ship_back 自主返航提示
   ship_Please_Compass_Check!请进行航行矫正
   ship_Compass_Successful 电子罗盘矫正成功
   ship_Compass_error 电子罗盘矫正失败
   ship_hight_temp_warning 高温警告
   ship_powerlose_Warning 低电量警告
   ship_pumping 抽水中
   ship_release 放水中