基于WiFi的可視化澆灌小車設計制作

陳棟 陳歲生 張奕超

摘 要：為了能在外出時照顧家中的綠植，文章設計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，可以對室內環境進行觀察，實時察看室內綠植。利用wifi模塊，可以無線遠程操控澆灌小車，移動小車對室內不同位置的綠植進行澆水。

關鍵詞：WiFi；可視化；澆灌

中圖分類號：TP273 文獻標志碼：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

隨著經濟的發展，城鎮化建設的推進，現在城市居民或者農村住戶生活富裕，每家都會有種植花卉盆栽或者蔬菜，既美化生活環境，又增添文化氣息。只要住戶在家，都會親自澆灌養護，但是如果出去幾天旅行或者探親訪客，就不能實時照顧這些綠意盎然的花卉盆栽。那么這時候就需要一臺能進行移動澆灌的設備，完成照顧室內各類花卉的任務。

2 研究現狀

目前已有不少學者提出了室內自動澆灌系統的設計。2013年，熊亮等人利用555時基集成電路，設計了家用自動澆花設備，用于實現水泵及電磁閥的開啟與關閉自動控制。當土壤中的含水量低于設定值時該系統可進行灌溉，可以根據設計好的土壤濕度分別對多種花卉自動進行澆灌，實現家庭花卉種植自動澆水的功能[1]。2014年，周程等人設計了可以自動澆花的裝置，以Atmega128單片機為主控單元，以干電池作為電源，設置9個定時器，可以設置澆花時間和灌溉時間，到達定時時間后，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行花盆土壤的濕度檢測，進行反饋控制，實現家庭花卉自動澆水，當濕度傳感器檢測的濕度低于設定濕度時，打開閥門進行自動澆水，當花盆土壤達到設定的濕度時就停止澆水[3]。2015年王安娜等人設計了一種裝置可以通過土壤濕度傳感器對土壤的濕度進行實時監測，該裝置安裝有攝像頭，可以通過手機客戶端進行圖像傳輸，實時觀看植物的生長狀況，進行遠程操作澆灌裝置的開關，也可以設定自動狀態，裝置自動調節土壤的濕度[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等構成土壤濕度檢測系統，提出了一種智能澆花機器人的硬件接口方案和軟件設計思路，但是沒有提出實際產品[5]。2016年，王林生等人提出采用HT66F0185單片機、SHT-11濕度傳感器和ZXGM18無線模塊組成的智能盆栽澆花機。針對不同的盆栽，不同的人群，設計了手動澆花模式、自動澆花模式、利用GPRS網絡遠程控制澆花模式三種[6]。2017年，佟金鍇等人設計了一種自動澆花控制系統，采用了STC89C52單片機、ADC0832轉換芯片、LCD1602顯示芯片和YL-69濕度傳感器等器件，實現自動澆水的啟動或者停止[7]。

在自動澆灌系統的設計中，不少系統具有溫度控制、濕度控制、定時控制等功能，也有加入攝像頭視頻觀察功能，但很少有家用可視化移動式澆灌機。可視化移動式澆灌機是可以在室內移動的小車，并且可以通過小車上的攝像頭觀察家中綠植。

3 整體設計

本澆灌機的整體硬件框架設計如圖1所示，包含控制單元STC89核心板、攝像頭模塊、灑水管道、水泵、儲水箱、直流電機、WiFi模塊和手機等硬件。

控制單元采用STC89單片機最小核心板，體積小，控制精準。控制單元通過光耦元件控制5V繼電器對水泵進行開關操作。水泵從儲水箱里抽水，利用灑水管道對室內植物澆水。控制單元還可以利用PWM波，使直流電機驅動模塊驅動四個直流電機，讓四個橡膠車輪跑起來。攝像頭模塊與WiFi模塊連接，可以通過WiFi模塊向手機傳輸圖像，讓手機上能顯示室內植物的圖像。手機可以連接WiFi模塊發出的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上控制澆灌小車前進、后退、左轉、右轉以及澆水。

4 硬件介紹

控制單元選用的是STC89C52單片機最小核心板，如圖2所示。該STC89C52RC單片機擁有8KFLASH程序存儲空間，512字節SRAM內存空間，4KEEPROM存儲空間，36個IO口，3個16位定時器，1個通訊串口等。該單片機供電電壓為3.3V到5.5V，功耗低，資源豐富，編程簡單，滿足設計需求。

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。小車總共有五個鋰電池，其中四個為四個直流電機供電，一個為控制單元、水泵、WiFi模塊等供電。因為鋰電池輸出的是12V直流電壓，不能直接為單片機、WiFi模塊等器件供電，所以需要增加一個DCDC電壓轉換模塊，如圖3（b）所示。電壓轉換模塊將12V直流電壓轉換成5V直流電壓，采用的是LM2596S電壓轉換芯片。LM2596系列是德州儀器（TI）生產的3A電流輸出降壓開關型集成穩壓芯片，它內含固定頻率振蕩器（150KHZ）和基準穩壓器（1.23v），并具有完善的保護電路、電流限制、熱關斷電路等。利用該器件只需極少的外圍器件便可構成高效穩壓電路。

直流電機驅動器選用的是H橋30A雙路電機驅動模塊，如圖4所示。該驅動模塊有兩路輸出，可以驅動兩個直流電機，每路最大輸出電流為30A。

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

直流減速電機及輪胎如圖6所示。該電機扭矩可達20Kg·cm，轉速可達125轉每分鐘，消耗功率為20w，供電電壓為12V，是一個大功率大扭矩的直流減速電機。

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 單片機軟件結構

單片機軟件結構如圖8所示。

單片機STC89C52在上電后，首先對使用到的GPIO口進行初始化，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的指令，則繼續分析指令。如果是移動指令，則分析指令內容，確定讓小車執行前進、后退、左轉、右轉中的一種移動方式。如果是水泵指令，則分析指令內容，確定是打開水泵還是關閉水泵。

6 測試結果

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，并且界面右側為操控澆水小車的按鈕，可以實現前進、左轉、后退、右轉、停車、開水泵和關水泵的簡單實用操作。經過測試，手機對小車的操作無誤，可以實現小車靈活移動，并且能準確澆水。存在的問題是，圖像畫面略有延遲，仍需改進。

參考文獻：

[1]熊亮，祝愛萍.家用自動澆花機的設計[J].寧夏工程技術，2013，12（1）：18-19.

[2]周程，朱兆優，劉雪楓.基于ATmega128的智能澆花機的設計[J].電子質量，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.可遠程控制的智能澆灌裝置設計和工作原理[J].企業技術開發旬刊，2015（6）：1-1.

[5]張鵬，張櫻凡，倪俊超，等.基于LPC1768的智能澆花機器人設計[J].自動化與儀器儀表，2015（3）：86-87.

[6]王林生，王臻卓.基于單片機的盆栽澆花機的設計與實現[J].軟件工程，2016，19（5）：45-46.

[7]佟金鍇，肖朋.基于STC89C52單片機的自動澆花控制系統設計[J].遼寧師專學報（自然科學版），2017（3）.