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隨著國(guó)家的海洋戰(zhàn)略的提出與實(shí)施，海洋這片美麗而深邃的舞臺(tái)等著我們?nèi)ラ_拓。水下機(jī)器人是之中重要的一環(huán)。目前國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的的水下機(jī)器人主要應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，從事相關(guān)產(chǎn)品制作的企業(yè)相對(duì)較少。某種程度來(lái)講，“下五洋捉鱉”比“上九天攬?jiān)隆备永щy。水下機(jī)器人的防水性能至關(guān)重要，多次有線充電后對(duì)水下機(jī)器人的外部接口防水性、密封性會(huì)有破壞，對(duì)水下機(jī)器人的結(jié)構(gòu)性維護(hù)需要投入大量時(shí)間。IDT無(wú)線充電的應(yīng)用對(duì)水下機(jī)器人的這些方面（結(jié)構(gòu)密封、防水、維護(hù)）給予了極大幫助與改善，利于水下機(jī)器人行業(yè)的發(fā)展。（本項(xiàng)目采用的是IDT 15W無(wú)線充電開發(fā)套件）

2.系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

2.1概述

該水下機(jī)器人無(wú)線充電裝置基于意法半導(dǎo)體的stm32f103系列主控芯片，搭配esp8266-無(wú)線WIFI模塊，以及OneNET云服務(wù)平臺(tái)等。實(shí)現(xiàn)了水下機(jī)器人的無(wú)線充電充電時(shí)長(zhǎng)的實(shí)時(shí)顯示以及云端相關(guān)數(shù)據(jù)的監(jiān)控。在充電裝置的末端搭配了轉(zhuǎn)壓模塊和TP4056電源模塊板，對(duì)電池進(jìn)行充電的同時(shí)加以保護(hù)。

2.2硬件總體設(shè)計(jì)

2.2.1處理器

采用ST公司的STM32系列芯片做為主控。本次為了完成本次的任務(wù)要求，我們所使用的是STM32F103C8T6。由ST廠商推出的STM32系列單片機(jī)，行業(yè)的朋友都知道，這是一款性價(jià)比超高的系列單片機(jī)，應(yīng)該沒(méi)有之一，功能及其強(qiáng)大。其基于專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用專門設(shè)計(jì)的ARM Cortex-M內(nèi)核，同時(shí)具有一流的外設(shè)：1μs的雙12位ADC，4兆位/秒的UART，18兆位/秒的SPI等等，在功耗和集成度方面也有不俗的表現(xiàn)，當(dāng)然和MSP430的功耗比起來(lái)是稍微遜色的一些，但這并不影響工程師們對(duì)它的熱捧程度，由于其簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)和易用的工具再配合其強(qiáng)大的功能在行業(yè)中赫赫有名。

 

2.2.2無(wú)線充電

創(chuàng)新性地在水下機(jī)器人應(yīng)用無(wú)線充電技術(shù)。通過(guò)簡(jiǎn)單地把移動(dòng)設(shè)備放置在可用的充電臺(tái)上進(jìn)行無(wú)線充電可以為用戶提供很大的易用性和便利。但是到目前為止，無(wú)線充電系統(tǒng)還依然屬于新奇的售后市場(chǎng)項(xiàng)目，并沒(méi)有作為常規(guī)適配器和電纜的替代方案而得到認(rèn)真重視無(wú)線充電生態(tài)系統(tǒng)有兩個(gè)技術(shù)途徑：磁感應(yīng)和磁共振。這兩種技術(shù)的簡(jiǎn)單比較可以說(shuō)明它們?cè)趹?yīng)用中的主要區(qū)別：磁感應(yīng)需要緊密耦合，在X/Y方向的位置偏差達(dá)到最小時(shí)可實(shí)現(xiàn)最高效率水平；而磁共振允許更大的空間自由度，但它無(wú)法實(shí)現(xiàn)基于磁感應(yīng)技術(shù)的高峰值效率。

WPC已經(jīng)公布了Qi低功率規(guī)范，它定義了功率發(fā)射器和接收器之間非接觸式電能傳輸接口、相關(guān)的性能要求和一致性測(cè)試規(guī)范。所有攜帶Qi標(biāo)識(shí)的設(shè)備都保證與WPC規(guī)范兼容，因此彼此之間可互操作。同樣，滿足PMA標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備也會(huì)有PMA的互操作性標(biāo)識(shí)。無(wú)線充電標(biāo)準(zhǔn)不斷發(fā)展強(qiáng)大的進(jìn)一步標(biāo)志是IEEE無(wú)線電源和充電系統(tǒng)工作組（Wireless Power and Charging Systems Working Group，WPCS-WG）的成立和IEEE P2100.1無(wú)線電源和充電系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范（IEEE P2100.1 Standard Specifications for Wireless Power and Charging Systems）的制定。 IEEE P2100.1針對(duì)電源和負(fù)載設(shè)備創(chuàng)建了無(wú)線電源和充電規(guī)范。雖然IEEE P2100.1目前局限于使用磁感應(yīng)耦合技術(shù)，將來(lái)也要考慮其它技術(shù)。

借助現(xiàn)在發(fā)展中的無(wú)線充電技術(shù)，我們所設(shè)計(jì)的水下機(jī)器人將會(huì)有很好的競(jìng)爭(zhēng)力。

 

2.2.3 ESP8266-無(wú)線模塊

     ESP8266 模塊，是在 ESP8266 芯片基礎(chǔ)上，加上必要的晶振、電容、電阻、SPI Flash、WiFi 天線組成的一個(gè)最小 WiFi 系統(tǒng)，是市面流行的無(wú)線模塊。通過(guò)ESP8266無(wú)線模塊可以實(shí)現(xiàn)在WIFI網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中與云服務(wù)器的交互。

 

2.2.4 轉(zhuǎn)壓模塊

     目前無(wú)線充電接收板輸出的電壓還是不太穩(wěn)定，所以加裝LM2596電源模塊對(duì)輸出電壓進(jìn)行降壓穩(wěn)壓處理。

 

2.2.5 TP4056電源保護(hù)模塊

    TP4056電源充電保護(hù)板是一款不錯(cuò)的電源保護(hù)充電板。電池過(guò)放保護(hù)電壓為2.5V，電流過(guò)流保護(hù)電流為3A，適用于18650等聚合物鋰電池的充放電保護(hù)，且小巧適合嵌入。

3.程序及通信方式設(shè)計(jì)

3.1程序設(shè)計(jì)流程圖

3.2下位機(jī)通信方式

下位機(jī)的通信協(xié)議與ESP8266-無(wú)線模塊采用UART協(xié)議。

UART是一種通用串行數(shù)據(jù)總線，用于異步通信。該總線雙向通信，可以實(shí)現(xiàn)全雙工傳輸和接收。在嵌入式設(shè)計(jì)中，UART用來(lái)主機(jī)與輔助設(shè)備通信，如汽車音響與外接AP之間的通信，與PC機(jī)通信包括與監(jiān)控調(diào)試器和其它器件，如EEPROM通信。

UART首先將接收到的并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù)來(lái)傳輸。消息幀從一個(gè)低位起始位開始，后面是5~8個(gè)數(shù)據(jù)位，一個(gè)可用的奇偶位和一個(gè)或幾個(gè)高位停止位。接 收器發(fā)現(xiàn)開始位時(shí)它就知道數(shù)據(jù)準(zhǔn)備發(fā)送，并嘗試與發(fā)送器時(shí)鐘頻率同步。如果選擇了奇偶，UART就在數(shù)據(jù)位后面加上奇偶位。奇偶位可用來(lái)幫助錯(cuò)誤校驗(yàn)。

在接收過(guò)程中，UART從消息幀中去掉起始位和結(jié)束位，對(duì)進(jìn)來(lái)的字節(jié)進(jìn)行奇偶校驗(yàn)，并將數(shù)據(jù)字節(jié)從串行轉(zhuǎn)換成并行。UART也產(chǎn)生額外的信號(hào)來(lái)指示發(fā)送和接收的狀態(tài)。例如，如果產(chǎn)生一個(gè)奇偶錯(cuò)誤，UART就置位奇偶標(biāo)志。

UART作為異步串口通信協(xié)議的一種，工作原理是將傳輸數(shù)據(jù)的每個(gè)字符一位接一位地傳輸。

4云平臺(tái)及安卓上位機(jī)

4. 功能簡(jiǎn)介

4.1無(wú)線充電

4.2桌面臺(tái)燈 

實(shí)際使用