一種WiFi智能捕蚊小車的設計

摘 要：針對蚊蟲滋生易傳播疾病又難以實現有效捕殺的問題，設計了一款基于WiFi控制的高效、便捷的智能捕蚊蟲小車，該小車通過ESP8266與用戶手機端建立聯系，實現對捕蚊小車的遠程控制。捕蚊模塊內置信息素，通過釋放信息素吸引蚊蟲靠近，并利用負壓吸入效應實現蚊蟲捕捉。智能捕蚊小車結合信息素引誘蚊蟲，進行物理捕蚊，并通過WiFi實現手機端的遠程控制，不僅無毒無污染，解決了蚊蟲的抗藥性問題，更使捕蚊過程更加自動化、智能化。該設計適用于辦公室、家庭等場景，具有良好的社會效益與經濟效益。

關鍵詞：WiFi；智能捕蚊；遠程控制；ESP8266；信息素；紅外避障

中圖分類號：TP39；TN929.5 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2025）06-0-06

DOI：10.16667/j.issn.2095-1302.2025.06.026

0 引 言

隨著全球變暖和城市化進程的加快，蚊蟲帶來的健康威脅日益嚴重[1]，蚊蟲傳播的疾病，如瘧疾、登革熱和寨卡病毒等，嚴重危害著人類的健康、影響著人們的生活質量。傳統的蚊蟲捕殺方法，如使用電蚊拍、蚊香和化學藥物噴灑[2-3]等，以及近幾年出現的一些智能滅蚊方法，如將手機APP與藍牙相結合，遠程控制藍光引誘燈[4]、太陽能滅蚊燈[5]、物聯網智能捕蚊系統[6]、太陽能蚊蟲誘捕機器人[7]等設備實現蚊蟲捕殺，均取得了一定的效果，但在效率、安全性以及環境污染等方面尚有不足。此外，蚊蟲對殺蟲劑的抗藥性[8]也越來越強。目前，針對辦公、居家等場所使用信息素捕蚊的研究較少，因此，本文設計了一款基于51單片機的WiFi智能捕蚊小車，該小車結合了信息素[9]引誘與物理捕蚊功能，并通過WiFi通信實現手機端遠程控制，不僅無毒無污染，更解決了蚊蟲的抗藥性問題，使捕蚊更自動化、智能化；同時，用戶可以通過手機端小程序實現對捕蚊小車的遠程控制。

智能捕蚊小車為人們提供了一種高效、便捷、環保的蚊蟲解決方案，減少了蚊蟲對人們生活造成的困擾；降低了蚊蟲傳播疾病的風險，提升了人們的生活質量。該設計適用于辦公室、家庭等場景，未來可以進一步完善小車的功能，使其能夠適用于更多的應用場景。

1 硬件設計

該智能小車系統共有五個模塊：單片機控制模塊、電機驅動模塊、紅外避障模塊、WiFi模塊、捕蚊控制模塊。主控芯片選用STC89C52，系統主要結構如圖1所示。

初次使用時，用戶需要將捕蚊小車與家中的WiFi配網連接，完成第一次配網連接后，捕蚊小車會在每次通電時自動連接WiFi；捕蚊小車聯網后，用戶可在任何地點通過手機對其實現啟動、關閉、定時等操作；用戶在手機小程序界面發出指令，ESP8266接收指令并傳送給單片機，單片機控制電機驅動捕蚊小車和捕蚊模塊工作。工作時，捕蚊小車呈“弓”[10]字形走向，當避障傳感器檢測到前方的障礙物時，將信號傳送給單片機，由單片機控制電機轉向。

1.1 主控模塊

捕蚊小車主控模塊采用STC89C52芯片，通過串行通信接口直接將控制代碼燒錄進單片機，P3口控制捕蚊小車的行進、轉向以及行駛速度；RXD串行輸入口、TXD串行輸出口與ESP8266的RXD、TXD串行接口交叉連接實現遠程數據交互，串口中斷接收用戶界面指令，同時控制捕蚊小車執行相應指令，并反饋執行情況；P2口用于接收障礙物信號以實現及時避障；定時器0中斷用于捕蚊小車的PWM調速控制。

1.2 電機驅動模塊

通過利用L298N芯片內部包含的兩個H橋驅動器，實現兩個電機的獨立控制，包括電機的驅動和電機的正反轉。單片機P32、P37分別連接模塊的ENA、ENB，用于收發PWM信號；P33～P36分別與輸入引腳IN1、IN2、IN3、IN4連接，通過為IN1、IN2、IN3、IN4發送相應的邏輯信號以達到控制兩側電機正反轉的目的。此外，L298N的驅動功率較大，能夠根據輸入電壓的大小輸出不同的電壓和功率，解決了負載能力不足的問題。電機驅動電路連接如圖2所示。

1.3 避障傳感模塊

采用紅外傳感避障模塊進行自動避障，發射管發射紅外線光束，當光束遇到障礙物時反射紅外光束并被紅外接收管接收。如圖3所示，A2為LM393比較器，當引腳3電壓高于引腳2時，引腳1輸出高電平，表示有障礙物；當引腳2電壓高于引腳3時，引腳1輸出低電平，表示無障礙物。引腳2（輸入端）接電位器，引腳1接單片機的P32，以接收高低電平信號。

1.4 WiFi模塊

本模塊使用ESP8266實現數據傳輸[11]。該芯片采用了高度集成的系統級芯片設計，集成了WiFi無線網絡功能和微控制器單元，可通過WiFi進行遠程通信和數據傳輸。ESP8266的TX和RX引腳分別接一個100～200 Ω的電阻后與STC89C52的TX和RX引腳交叉連接。配置ESP8266連接使用范圍內的WiFi網絡，通過MQTT庫配置ESP8266作為相應協議的服務器端；在手機微信小程序中，使用MQTT的JavaScript庫連接到該協議的服務器端，以實現智能捕蚊小車與手機端的數據傳輸和實時通信。

1.5 捕蚊模塊

捕蚊模塊利用信息素引誘蚊蟲并利用負壓吸入效應實現蚊蟲捕捉。捕蚊模塊內置信息素，隨著仿生信息素的散發形成濃度梯度，隨著濃度的增大，蚊蟲逐漸被捕蚊小車所吸引。與此同時，捕蚊模塊中的電動機持續驅動葉片旋轉，葉片會產生一個高速旋轉的氣流，該氣流形成了一個低氣壓區域，由于周圍空氣的壓力高于負壓區域內的壓力，空氣自然朝著較低壓力的區域移動，便出現了負壓吸入效應。周圍的蚊蟲將隨著空氣被吸入儲蚊盒中。

2 軟件設計

軟件部分由PWM調速部分、ESP8266串口通信部分、紅外避障部分和小程序構成。紅外避障部分用于使捕蚊小車在工作時避開行駛過程中遇到的障礙物；PWM調速部分用于將捕蚊小車的行駛速度控制在合適的范圍內；ESP8266串口通信部分作為用戶端與捕蚊小車的智能交互中轉站，實現對捕蚊小車的控制；小程序用于用戶對捕蚊小車的智能化、可視化控制。

2.1 主程序設計

系統開機后，定時器0初始化，并中斷控制PWM調速，每100 μs中斷一次；接著串口通信中斷初始化，串口中斷用于接收手機發出的指令并將指令通過單片機傳給智能小車；隨后循環執行紅外避障函數，檢測障礙物，確保小車及時避障。主程序流程如圖4所示。

2.2 PWM控制調速程序設計

PWM[12]在控制電機轉速時，通過調節輸出信號的脈沖寬度來實現對電機的控制。即控制器會以一定的頻率向電機發送脈沖信號，脈沖的高電平代表了電機工作的占空比，即高電平時間越長，電機的工作電壓就越高，電機的轉速也就越快。

捕蚊小車通過單片機定時/計數器輸出頻率100 Hz的PWM信號，一個周期為10 ms。該周期內，高電平持續2.3 ms，電機在此周期內的工作占空比為23%，所以電機的工作電壓是額定電壓的23%，電機的轉速也為正常速度的23%。通過測試，該速度為智能捕蚊小車工作的最佳速度。 PWM控制調速程序流程如圖5所示。

2.3 串口通信程序設計

單片機串口通信部分接收到手機通過ESP8266發來的指令，接收到指令若為“O”，則捕蚊小車啟動；接收到指令若為“F”，則捕蚊小車停止工作。串口通信程序流程如圖6所示。

2.4 避障程序設計

避障部分通過傳感器返回的信號來判斷一定距離內是否存在障礙物，并設計程序控制小車避開障礙物。系統啟動后，捕蚊小車前進，當前方有障礙物時，小車右轉并直行，當前進距離達到1 m或者遇到障礙物，右轉繼續前進，當前方第三次遇到障礙物時，左轉并直行，當前進距離達到1 m或者遇到障礙物，左轉并繼續前進，如此循環執行程序以實現“弓”字形運動和避障。通過中斷實現其他情況的避障，即當右前方有障礙物時，左轉直到右前方無障礙物后恢復直行；當左前方有障礙物時，右轉直到左前方無障礙物后恢復直行；如此循環執行程序以實現一般避障。避障系統工作流程如圖7所示。

2.5 手機小程序設計

微信小程序是一種在微信平臺上運行的應用程序。該設計所用的小程序主要功能是控制捕蚊小車各模塊正常工作。系統開始時，定義一個名為timer的變量（初始值為1）和一個名為api的函數，用于接收參數data；api函數內部使用wx.request方法向指定的URL發送POST請求，請求的數據包括設備ID和需要發送的數據；如果請求成功，打印“ACHIEVE：”，服務器返回數據；點擊“開啟小車”按鈕，調用api函數并傳入“O”作為參數，表示開啟小車；點擊“關閉小車”按鈕，調用api函數并傳入“F”作為參數，表示關閉小車；在setTimer函數中啟動定時控制功能，定時時間結束后，調用api函數傳入“O”或“F”實現捕蚊小車的啟動或關閉；最后清除定時器以避免內存泄漏。功能實現流程如圖8所示。小程序用戶操作界面如圖9所示。

該小程序通過物聯網技術利用HTTP POST[13]通信與云平臺建立數據通信，進而與捕蚊小車相連，實現數據交互。小程序功能模塊主要包括用戶登錄、設備控制等，以實現設備的智能化遠程控制。

3 數據測試與結果分析

3.1 速度測試

根據實際測試，當捕蚊小車的速度占空比為70%時，速度過快，無法實現有效避障，并且由于速度太快給蚊蟲帶來的沖擊過大，蚊蟲不會靠近；當捕蚊小車的速度占空比為50%時，速度仍較快，避障效果和吸引蚊蟲的效果不佳；當占空比為23%時，捕蚊小車的速度適中，避障傳感器反應靈敏，蚊蟲捕捉效果較好。PWM調試波形如圖10所示。調速測試數據見表1。

3.2 避障測試

根據實際測量，紅外避障模塊檢測障礙物的有效范圍為1～32 cm。本系統以約20 cm為檢測距離，在不同環境中對捕蚊小車對障礙物的避障情況進行檢測，檢測結果見表2。

由分析結果可知，在不同的室內外環境下，紅外避障模塊功能正常，且避障成功率較高。但由于室外環境中障礙物復雜，加之可能存在其他紅外源，或者雨霧天氣以及溫濕度的變化，都可能對紅外避障傳感器造成干擾，所以在室外夜間條件下，小車的避障成功率略有降低。

3.3 WiFi遠程控制測試

根據實際測試，當用戶與捕蚊小車的距離小于100 m時，捕蚊小車執行相應任務的反應速度很快且成功率高；當用戶與捕蚊小車的距離大于等于100 m且小于5 km時，捕蚊小車執行相應任務的成功率高且反應速度很快；當用戶與捕蚊小車的距離大于等于5 km且小于30 km時，捕蚊小車執行相應任務的成功率高且反應速度很快。對捕蚊小車的WiFi遠程控制部分的檢測數據見表3。

測試距離 測試次數/次 成功次數/次 成功率/% 反應時間/slt;100 m 100 100 100 lt;1≥100 m且lt;5 km 100 99 99 lt;1≥5 km且lt;30 km 100 100 100 lt;1由數據可知，捕蚊小車連上WiFi后能夠實現手機遠程控制功能，且反應速度很快。

3.4 捕蚊小車整體測試

根據現場及實際需要，考慮所使用的仿生信息素濃度、擴散情況，以及蚊蟲感知的距離等，將引誘蚊蟲的距離設置在0.5 m半徑范圍內，因此設計捕蚊小車每行駛1 m制動2 min。

將小車放在室內任意地方進行實際運行測試。在手機小程序上對小車進行啟動控制，設置定時關閉時間為10 min，小車啟動后直行，遇到障礙物后轉向躲避障礙物，行駛1 m后制動，2 min后繼續行駛，如此循環直至定時結束，捕蚊小車停止工作。捕蚊小車整體運行測試數據見表4。

由測試結果可知，小程序控制捕蚊小車啟動/關閉功能正常；小程序實現對捕蚊小車的定時啟動/關閉功能還需優化；捕蚊小車自動避障功能稍待提高；捕蚊小車行駛制動功能正常。

4 結 語

本文設計的WiFi智能捕蚊小車，用戶可通過微信小程序操作，向捕蚊小車下發啟動、關閉、定時指令，實現捕蚊小車的啟動、關閉、定時啟動、定時關閉功能；捕蚊小車啟動后呈“弓”字形走向，若前方有障礙物，單片機根據避障模塊反饋的信息控制電機，通過改變其方向避開障礙物；捕蚊小車工作時每行駛1 m，制動2 min，但捕蚊部分持續工作，以此保證周圍的蚊蟲被散發的信息素吸引、靠近，并被吸入儲蚊盒。小車裝配試驗完成后，經調試運行，系統功能均可正常實現，小車運行狀態良好，可以較好地實現對捕蚊小車的遠程控制。

注：本文通訊作者為吳再群。

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作者簡介：黃中鮮（2003—），女，研究方向為信號處理與無線通信。

吳再群（1982—），男，碩士，副教授，研究方向為信號檢測與信號處理。

覃煥昌（1967—），男，教授，研究方向為人工智能、大數據。

吳道潤（2001—），女，研究方向為電路與系統設計。

馮嬌榮（2004—），女，研究方向為微電子技術和通信網絡。

劉玉蘭（2001—），女，研究方向為嵌入式技術。

韋筆帥（1999—），男，研究方向為人工智能和數據分析。

收稿日期：2024-03-20 修回日期：2024-04-30

基金項目：2022年廣西壯族自治區大學生創新創業訓練計劃立項項目：智能捕蚊蟲小車（S202210609075）