陳棟 陳歲生 張奕超

摘 要：為了能在外出時(shí)照顧家中的綠植，文章設(shè)計(jì)了一種可視化澆灌小車。該小車配備有WiFi模塊和攝像頭模塊。利用攝像頭模塊，可以對室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行觀察，實(shí)時(shí)察看室內(nèi)綠植。利用wifi模塊，可以無線遠(yuǎn)程操控澆灌小車，移動(dòng)小車對室內(nèi)不同位置的綠植進(jìn)行澆水。

關(guān)鍵詞：WiFi；可視化；澆灌

中圖分類號：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）34-0102-03

Abstract： In order to take care of the green plants at home， a visual watering cart is designed in this paper. The car is equipped with a WiFi module and a camera module. Using the camera module， the indoor environment can be observed， and the indoor green plants can be observed in real time. Using the WiFi module， wireless remote control can be implemented to the watering car， thus moving the car to water the indoor green plants at different locations.

Keywords： WiFi； visualization； irrigation

1 背景

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城鎮(zhèn)化建設(shè)的推進(jìn)，現(xiàn)在城市居民或者農(nóng)村住戶生活富裕，每家都會(huì)有種植花卉盆栽或者蔬菜，既美化生活環(huán)境，又增添文化氣息。只要住戶在家，都會(huì)親自澆灌養(yǎng)護(hù)，但是如果出去幾天旅行或者探親訪客，就不能實(shí)時(shí)照顧這些綠意盎然的花卉盆栽。那么這時(shí)候就需要一臺(tái)能進(jìn)行移動(dòng)澆灌的設(shè)備，完成照顧室內(nèi)各類花卉的任務(wù)。

2 研究現(xiàn)狀

目前已有不少學(xué)者提出了室內(nèi)自動(dòng)澆灌系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。2013年，熊亮等人利用555時(shí)基集成電路，設(shè)計(jì)了家用自動(dòng)澆花設(shè)備，用于實(shí)現(xiàn)水泵及電磁閥的開啟與關(guān)閉自動(dòng)控制。當(dāng)土壤中的含水量低于設(shè)定值時(shí)該系統(tǒng)可進(jìn)行灌溉，可以根據(jù)設(shè)計(jì)好的土壤濕度分別對多種花卉自動(dòng)進(jìn)行澆灌，實(shí)現(xiàn)家庭花卉種植自動(dòng)澆水的功能[1]。2014年，周程等人設(shè)計(jì)了可以自動(dòng)澆花的裝置，以Atmega128單片機(jī)為主控單元，以干電池作為電源，設(shè)置9個(gè)定時(shí)器，可以設(shè)置澆花時(shí)間和灌溉時(shí)間，到達(dá)定時(shí)時(shí)間后，控制繼電器打開水泵來澆花[2]。陳永斌等人利用土壤濕度傳感器進(jìn)行花盆土壤的濕度檢測，進(jìn)行反饋控制，實(shí)現(xiàn)家庭花卉自動(dòng)澆水，當(dāng)濕度傳感器檢測的濕度低于設(shè)定濕度時(shí)，打開閥門進(jìn)行自動(dòng)澆水，當(dāng)花盆土壤達(dá)到設(shè)定的濕度時(shí)就停止?jié)菜甗3]。2015年王安娜等人設(shè)計(jì)了一種裝置可以通過土壤濕度傳感器對土壤的濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，該裝置安裝有攝像頭，可以通過手機(jī)客戶端進(jìn)行圖像傳輸，實(shí)時(shí)觀看植物的生長狀況，進(jìn)行遠(yuǎn)程操作澆灌裝置的開關(guān)，也可以設(shè)定自動(dòng)狀態(tài)，裝置自動(dòng)調(diào)節(jié)土壤的濕度[4]。張鵬、張櫻凡等選用ARM核芯片LPC1768作為控制核心，采用NRF24L01模塊作為無線通信手段，以線性CCD、攝像頭組成圖像采集單元，土壤濕度傳感器和MSP430等構(gòu)成土壤濕度檢測系統(tǒng)，提出了一種智能澆花機(jī)器人的硬件接口方案和軟件設(shè)計(jì)思路，但是沒有提出實(shí)際產(chǎn)品[5]。2016年，王林生等人提出采用HT66F0185單片機(jī)、SHT-11濕度傳感器和ZXGM18無線模塊組成的智能盆栽澆花機(jī)。針對不同的盆栽，不同的人群，設(shè)計(jì)了手動(dòng)澆花模式、自動(dòng)澆花模式、利用GPRS網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制澆花模式三種[6]。2017年，佟金鍇等人設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)澆花控制系統(tǒng)，采用了STC89C52單片機(jī)、ADC0832轉(zhuǎn)換芯片、LCD1602顯示芯片和YL-69濕度傳感器等器件，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)澆水的啟動(dòng)或者停止[7]。

在自動(dòng)澆灌系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，不少系統(tǒng)具有溫度控制、濕度控制、定時(shí)控制等功能，也有加入攝像頭視頻觀察功能，但很少有家用可視化移動(dòng)式澆灌機(jī)?？梢暬苿?dòng)式澆灌機(jī)是可以在室內(nèi)移動(dòng)的小車，并且可以通過小車上的攝像頭觀察家中綠植。

3 整體設(shè)計(jì)

本澆灌機(jī)的整體硬件框架設(shè)計(jì)如圖1所示，包含控制單元STC89核心板、攝像頭模塊、灑水管道、水泵、儲(chǔ)水箱、直流電機(jī)、WiFi模塊和手機(jī)等硬件。

控制單元采用STC89單片機(jī)最小核心板，體積小，控制精準(zhǔn)。控制單元通過光耦元件控制5V繼電器對水泵進(jìn)行開關(guān)操作。水泵從儲(chǔ)水箱里抽水，利用灑水管道對室內(nèi)植物澆水?？刂茊卧€可以利用PWM波，使直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)四個(gè)直流電機(jī)，讓四個(gè)橡膠車輪跑起來。攝像頭模塊與WiFi模塊連接，可以通過WiFi模塊向手機(jī)傳輸圖像，讓手機(jī)上能顯示室內(nèi)植物的圖像。手機(jī)可以連接WiFi模塊發(fā)出的WiFi信號，并且通過WiFi模塊遙控控制單元。使用人員可以在手機(jī)上控制澆灌小車前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)以及澆水。

4 硬件介紹

控制單元選用的是STC89C52單片機(jī)最小核心板，如圖2所示。該STC89C52RC單片機(jī)擁有8KFLASH程序存儲(chǔ)空間，512字節(jié)SRAM內(nèi)存空間，4KEEPROM存儲(chǔ)空間，36個(gè)IO口，3個(gè)16位定時(shí)器，1個(gè)通訊串口等。該單片機(jī)供電電壓為3.3V到5.5V，功耗低，資源豐富，編程簡單，滿足設(shè)計(jì)需求。

電源模塊采用的是輸出12V直流電壓的鋰電池組，如圖3（a）所示。小車總共有五個(gè)鋰電池，其中四個(gè)為四個(gè)直流電機(jī)供電，一個(gè)為控制單元、水泵、WiFi模塊等供電。因?yàn)殇囯姵剌敵龅氖?2V直流電壓，不能直接為單片機(jī)、WiFi模塊等器件供電，所以需要增加一個(gè)DCDC電壓轉(zhuǎn)換模塊，如圖3（b）所示。電壓轉(zhuǎn)換模塊將12V直流電壓轉(zhuǎn)換成5V直流電壓，采用的是LM2596S電壓轉(zhuǎn)換芯片。LM2596系列是德州儀器（TI）生產(chǎn)的3A電流輸出降壓開關(guān)型集成穩(wěn)壓芯片，它內(nèi)含固定頻率振蕩器（150KHZ）和基準(zhǔn)穩(wěn)壓器（1.23v），并具有完善的保護(hù)電路、電流限制、熱關(guān)斷電路等。利用該器件只需極少的外圍器件便可構(gòu)成高效穩(wěn)壓電路。

直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器選用的是H橋30A雙路電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，如圖4所示。該驅(qū)動(dòng)模塊有兩路輸出，可以驅(qū)動(dòng)兩個(gè)直流電機(jī)，每路最大輸出電流為30A。

繼電器模塊如圖5所示，一個(gè)模塊有四路帶光耦隔離的繼電器。支持高、低電平觸發(fā)，每一路可單獨(dú)選擇觸發(fā)方式，用于控制水泵等器件。

直流減速電機(jī)及輪胎如圖6所示。該電機(jī)扭矩可達(dá)20Kg·cm，轉(zhuǎn)速可達(dá)125轉(zhuǎn)每分鐘，消耗功率為20w，供電電壓為12V，是一個(gè)大功率大扭矩的直流減速電機(jī)。

水泵采用的是12V直流電壓供電4分口徑的小水泵，靜音無噪聲，如圖7所示。

5 單片機(jī)軟件結(jié)構(gòu)

單片機(jī)軟件結(jié)構(gòu)如圖8所示。

單片機(jī)STC89C52在上電后，首先對使用到的GPIO口進(jìn)行初始化，普通輸入輸出功能不需要特意配置，而串口通訊引腳的定義，波特率的設(shè)定，PWM輸出引腳，都需要在程序中配置。在GPIO口初始化之后，主程序就一直在等待指令，如果收到來給予手機(jī)的指令，則繼續(xù)分析指令。如果是移動(dòng)指令，則分析指令內(nèi)容，確定讓小車執(zhí)行前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)中的一種移動(dòng)方式。如果是水泵指令，則分析指令內(nèi)容，確定是打開水泵還是關(guān)閉水泵。

6 測試結(jié)果

小車操作界面如圖9所示。

在圖9中，可以看到攝像頭傳來得畫面，并且界面右側(cè)為操控澆水小車的按鈕，可以實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、左轉(zhuǎn)、后退、右轉(zhuǎn)、停車、開水泵和關(guān)水泵的簡單實(shí)用操作。經(jīng)過測試，手機(jī)對小車的操作無誤，可以實(shí)現(xiàn)小車靈活移動(dòng)，并且能準(zhǔn)確澆水。存在的問題是，圖像畫面略有延遲，仍需改進(jìn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]熊亮，祝愛萍.家用自動(dòng)澆花機(jī)的設(shè)計(jì)[J].寧夏工程技術(shù)，2013，12（1）：18-19.

[2]周程，朱兆優(yōu)，劉雪楓.基于ATmega128的智能澆花機(jī)的設(shè)計(jì)[J].電子質(zhì)量，2014（4）：41-43.

[3]陳永斌，楊文 ，邵恩樂，等.家用智能澆花裝置的研制[J].硅谷，2014（21）.

[4]王安娜，王順利，梁卓，等.可遠(yuǎn)程控制的智能澆灌裝置設(shè)計(jì)和工作原理[J].企業(yè)技術(shù)開發(fā)旬刊，2015（6）：1-1.

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[6]王林生，王臻卓.基于單片機(jī)的盆栽澆花機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].軟件工程，2016，19（5）：45-46.

[7]佟金鍇，肖朋.基于STC89C52單片機(jī)的自動(dòng)澆花控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].遼寧師專學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2017（3）.