基于視覺遙控的全方位自動綠化水炮裝置設(shè)計(jì)

劉霞　高良鵬　王廷軍

摘 要：隨著城市綠化事業(yè)的發(fā)展，綠化澆水要求節(jié)約、自動化。文章針對現(xiàn)有綠化水炮裝置的不足，研制了一款通過圖像實(shí)時(shí)遙控，實(shí)現(xiàn)澆灌噴灑均勻的新型視覺遙控自動全方位灑水車綠化水炮裝置，能夠改善工人工作環(huán)境、安全可靠、工作效率高。

關(guān)鍵詞：節(jié)水綠化；灑水車水炮；全方位；遙控

中圖分類號：TH122 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）32-0090-02

Abstract： With the development of urban greening industry， watering for greening requires economy and automation. In view of the deficiency of the existing greening water cannon device， this paper developed a new-type， visual， remotely-controlled， automatic， all-directional greening water cannon device for the sprinkler， which can realize uniform irrigation and spraying by real-time image remote control. It can improve the environment， safety， reliability and efficiency of workers.

Keywords： water-saving greening； water cannon for sprinkler； all-directional； remote control

近年來，我國的綠化事業(yè)逐步受到重視，環(huán)保問題已逐漸成為當(dāng)代的熱點(diǎn)問題。然而現(xiàn)有的澆灌技術(shù)存在一定缺陷，現(xiàn)階段的綠化水炮裝置，主要安裝在灑水車上并完成對綠化的噴淋，需要靠人力來操作，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，自動化、智能化水平不高。為改善現(xiàn)有綠化水炮的不足與缺陷，設(shè)計(jì)研究了一款能通過圖像實(shí)時(shí)遙控、澆灌噴灑均勻、能夠改善工人工作環(huán)境的新型視覺遙控自動全方位灑水車綠化水炮裝置，目的是提供一種視覺遙控自動全方位灑水車綠化水炮裝置，通過實(shí)時(shí)圖像進(jìn)行遙控，使灑水車在給綠化植物噴灑水的過程中實(shí)現(xiàn)自動、任意角度與全方位的效果，從而解決綠化水炮裝置效率低，安全系數(shù)低，不夠環(huán)保經(jīng)濟(jì)，工人會濕透全身，要依靠人力操作才能實(shí)現(xiàn)其功能的問題，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)綠化水炮裝置的自動化。從市場角度來說，提升了自動化水平以及工作效率，具有廣闊的市場應(yīng)用前景。

1 綠化水炮總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工作原理

所設(shè)計(jì)的視覺遙控自動全方位灑水車綠化水炮裝置是將水槍管和傳動部件、高度調(diào)節(jié)部件以及攝像頭實(shí)時(shí)監(jiān)控、遙控板操作結(jié)合在一起，工作人員駕駛室內(nèi)通過遙控準(zhǔn)確控制水槍管口的噴水方向，從而實(shí)現(xiàn)全方位、任意角度的自動噴灑，滿足綠化植物高低、遠(yuǎn)近等等澆水的需求，不僅極大地改善了工作人員的工作環(huán)境，自動化程度高、效率高，而且節(jié)水，安全可靠。

1.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

一種視覺遙控自動全方位灑水車綠化水炮裝置是由傳動部件、支架、高度調(diào)節(jié)部件、攝像頭、水槍管、水槍管、同步帶輪、鋼絲繩索、固定板、旋轉(zhuǎn)軸、第一電機(jī)、第二電機(jī)以及控制部分等部件組成。

如圖1所示，單片機(jī)作為綠化水炮裝置的微處理器控制器，通過無線或有線與攝像頭通訊，使裝置周邊的情況能夠?qū)崟r(shí)顯示在顯示屏上；通過搖桿開關(guān)控制第一電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，并采用傳動比為2：1的同步帶輪傳動綠化水炮裝置，從而實(shí)現(xiàn)裝置的圓周運(yùn)動；通過搖桿開關(guān)控制第二電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，拉動鋼絲繩索，使裝置實(shí)現(xiàn)俯仰運(yùn)動；通過單片機(jī)P3口外接電磁閥端口，從而實(shí)現(xiàn)水量的控制。

1.2 工作原理

本裝置通過攝像頭與遙控板在灑水車駕駛室內(nèi)進(jìn)行遙控整個(gè)綠化水炮裝置，當(dāng)操控遙控板時(shí)，與齒形帶相連接的第一電動機(jī)轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)圓周運(yùn)動，進(jìn)行圓周噴灑，因考慮到噴灑過程中，植物高低不相同的問題，故采用鋼絲繩索與第二電動機(jī)配合的方式解決，當(dāng)與鋼絲繩索相連的第二電動機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)，此時(shí)，鋼絲繩索收緊，克服重力做功，水槍向上運(yùn)動；當(dāng)與鋼絲繩索相連的第二電動機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)，鋼絲繩索處于松弛狀態(tài)，重力做正功，水槍管依靠自身以及水的重力向下運(yùn)動完成噴灑。

2 水炮裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

一種視覺遙控自動全方位灑水車綠化水炮裝置，包括傳動部件、設(shè)置于傳動部件上端的支架、設(shè)置于傳動部件上端的高度調(diào)節(jié)部件、設(shè)置于傳動部件上端的攝像頭以及設(shè)置于高度調(diào)節(jié)部件上端的水槍管等部件組成。本裝置通過同步帶輪與第一電機(jī)的配合，實(shí)現(xiàn)了水炮的圓周運(yùn)動；通過第二電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)了水炮的俯仰運(yùn)動，以滿足于不同高低、不同位置植物的澆灌。攝像頭設(shè)置于支架下端左側(cè)位置，攝像頭通過墊片固定于傳動軸側(cè)面，攝像頭采用全玻璃封閉式結(jié)構(gòu)，通過無線通信外接于顯示屏，而顯示屏安裝于灑水車的駕駛室內(nèi)部。第一電動機(jī)與第二電動機(jī)通過無線通信外接有遙控板，通過遙控板來控制第一電動機(jī)與第二電動機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，遙控板通過無線通信與水槍管內(nèi)部的電磁閥連接并控制電磁閥，以達(dá)到控制水槍管內(nèi)部水量大小的目的。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

單片機(jī)是嵌入式系統(tǒng)的獨(dú)立發(fā)展之路，向MCU階段發(fā)展的重要因素，就是尋求應(yīng)用系統(tǒng)在芯片上的最大化解決；因此，專用單片機(jī)的發(fā)展自然形成了SoC化趨勢。隨著微電子技術(shù)、IC設(shè)計(jì)、EDA工具的發(fā)展，基于SoC的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)會有較大的發(fā)展。介于單片機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，本裝置采用80SC51單片機(jī)作為控制系統(tǒng)：（1）通過單片機(jī)與攝像頭的通訊，實(shí)現(xiàn)了可按照顯示屏圖像進(jìn)行澆灌操作的目的，達(dá)到了改善工人工作環(huán)境的要求。（2）通過程序編程來控制電磁閥的通斷，從而達(dá)到了即停即用的目的，節(jié)約了水資源。（3）通過C51單片機(jī)，控制第一、第二電機(jī)，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，簡單方便。（單片機(jī)控制流程圖如圖3所示）。

3.2 電機(jī)的控制

本綠化水炮裝置是用單片機(jī)來控制步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)的，用單片機(jī)來產(chǎn)生步進(jìn)電機(jī)的脈沖信號，通過單片機(jī)的P1口輸出脈沖信號，因?yàn)樗x電機(jī)是兩相的，所以只需要P1口的低四位P1.0～P1.3分別接到步進(jìn)電機(jī)的四根線上即可。通過單片機(jī)C51的程序編程，實(shí)現(xiàn)第一電機(jī)與同步帶輪的配合轉(zhuǎn)動，從而實(shí)現(xiàn)裝置的圓周運(yùn)動；實(shí)現(xiàn)第二電機(jī)與鋼絲繩的收拉運(yùn)動，從而實(shí)現(xiàn)水槍管的俯仰運(yùn)動，以澆灌不同的植物。

4 結(jié)束語

綠化環(huán)保問題已逐漸成為當(dāng)代的時(shí)代主題，一種視覺遙控自動全方位灑水車綠化水炮裝置的出現(xiàn)，極大地改善了工人的工作環(huán)境，利用實(shí)時(shí)圖像遙控，提高了工人的工作效率，本裝置融合了無線通信技術(shù)，通過通訊連接以達(dá)到遙控的目的，可彌補(bǔ)現(xiàn)有綠化水炮的不足與缺陷，安全、可靠，具有良好的市場前景。

參考文獻(xiàn)：

[1]張永宇，陸寧主.機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)[M].清華大學(xué)出版社，2009，11.

[2]羅文廣.電機(jī)控制技術(shù)[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2010，10.

[3]石新春，楊京燕，王毅.電力電子技術(shù)[M].北京：中國電力出版社，2010.

[4]丁立軍，戴曙光，孟青云，等.基于產(chǎn)品功能分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化的機(jī)械設(shè)計(jì)方法[J].機(jī)電工程技術(shù)，2014（05）：57～60+112.