陈栋 陈岁生 张奕超

摘 要：为了能在外出时照顾家中的绿植，文章设计了一种可视化浇灌小车。该小车配备有WiFi模块和摄像头模块。利用摄像头模块，可以对室内环境进行观察，实时察看室内绿植。利用wifi模块，可以无线远程操控浇灌小车，移动小车对室内不同位置的绿植进行浇水。

关键词：WiFi；可视化；浇灌

中图分类号：TP273 文献标志码：A 文章编号：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

随着经济的发展，城镇化建设的推进，现在城市居民或者农村住户生活富裕，每家都会有种植花卉盆栽或者蔬菜，既美化生活环境，又增添文化气息。只要住户在家，都会亲自浇灌养护，但是如果出去几天旅行或者探亲访客，就不能实时照顾这些绿意盎然的花卉盆栽。那么这时候就需要一台能进行移动浇灌的设备，完成照顾室内各类花卉的任务。

2 研究现状

目前已有不少学者提出了室内自动浇灌系统的设计。2013年，熊亮等人利用555时基集成电路，设计了家用自动浇花设备，用于实现水泵及电磁阀的开启与关闭自动控制。当土壤中的含水量低于设定值时该系统可进行灌溉，可以根据设计好的土壤湿度分别对多种花卉自动进行浇灌，实现家庭花卉种植自动浇水的功能[1]。2014年，周程等人设计了可以自动浇花的装置，以Atmega128单片机为主控单元，以干电池作为电源，设置9个定时器，可以设置浇花时间和灌溉时间，到达定时时间后，控制继电器打开水泵来浇花[2]。陈永斌等人利用土壤湿度传感器进行花盆土壤的湿度检测，进行反馈控制，实现家庭花卉自动浇水，当湿度传感器检测的湿度低于设定湿度时，打开阀门进行自动浇水，当花盆土壤达到设定的湿度时就停止浇水[3]。2015年王安娜等人设计了一种装置可以通过土壤湿度传感器对土壤的湿度进行实时监测，该装置安装有摄像头，可以通过手机客户端进行图像传输，实时观看植物的生长状况，进行远程操作浇灌装置的开关，也可以设定自动状态，装置自动调节土壤的湿度[4]。张鹏、张樱凡等选用ARM核芯片LPC1768作为控制核心，采用NRF24L01模块作为无线通信手段，以线性CCD、摄像头组成图像采集单元，土壤湿度传感器和MSP430等构成土壤湿度检测系统，提出了一种智能浇花机器人的硬件接口方案和软件设计思路，但是没有提出实际产品[5]。2016年，王林生等人提出采用HT66F0185单片机、SHT-11湿度传感器和ZXGM18无线模块组成的智能盆栽浇花机。针对不同的盆栽，不同的人群，设计了手动浇花模式、自动浇花模式、利用GPRS网络远程控制浇花模式三种[6]。2017年，佟金锴等人设计了一种自动浇花控制系统，采用了STC89C52单片机、ADC0832转换芯片、LCD1602显示芯片和YL-69湿度传感器等器件，实现自动浇水的启动或者停止[7]。

在自动浇灌系统的设计中，不少系统具有温度控制、湿度控制、定时控制等功能，也有加入摄像头视频观察功能，但很少有家用可视化移动式浇灌机。可视化移动式浇灌机是可以在室内移动的小车，并且可以通过小车上的摄像头观察家中绿植。

3 整体设计

本浇灌机的整体硬件框架设计如图1所示，包含控制单元STC89核心板、摄像头模块、洒水管道、水泵、储水箱、直流电机、WiFi模块和手机等硬件。

控制单元采用STC89单片机最小核心板，体积小，控制精准。控制单元通过光耦元件控制5V继电器对水泵进行开关操作。水泵从储水箱里抽水，利用洒水管道对室内植物浇水。控制单元还可以利用PWM波，使直流电机驱动模塊驱动四个直流电机，让四个橡胶车轮跑起来。摄像头模块与WiFi模块连接，可以通过WiFi模块向手机传输图像，让手机上能显示室内植物的图像。手机可以连接WiFi模块发出的WiFi信号，并且通过WiFi模块遥控控制单元。使用人员可以在手机上控制浇灌小车前进、后退、左转、右转以及浇水。

4 硬件介绍

控制单元选用的是STC89C52单片机最小核心板，如图2所示。该STC89C52RC单片机拥有8KFLASH程序存储空间，512字节SRAM内存空间，4KEEPROM存储空间，36个IO口，3个16位定时器，1个通讯串口等。该单片机供电电压为3.3V到5.5V，功耗低，资源丰富，编程简单，满足设计需求。

电源模块采用的是输出12V直流电压的锂电池组，如图3（a）所示。小车总共有五个锂电池，其中四个为四个直流电机供电，一个为控制单元、水泵、WiFi模块等供电。因为锂电池输出的是12V直流电压，不能直接为单片机、WiFi模块等器件供电，所以需要增加一个DCDC电压转换模块，如图3（b）所示。电压转换模块将12V直流电压转换成5V直流电压，采用的是LM2596S电压转换芯片。LM2596系列是德州仪器（TI）生产的3A电流输出降压开关型集成稳压芯片，它内含固定频率振荡器（150KHZ）和基准稳压器（1.23v），并具有完善的保护电路、电流限制、热关断电路等。利用该器件只需极少的外围器件便可构成高效稳压电路。

直流电机驱动器选用的是H桥30A双路电机驱动模块，如图4所示。该驱动模块有两路输出，可以驱动两个直流电机，每路最大输出电流为30A。

继电器模块如图5所示，一个模块有四路带光耦隔离的继电器。支持高、低电平触发，每一路可单独选择触发方式，用于控制水泵等器件。

直流减速电机及轮胎如图6所示。该电机扭矩可达20Kg·cm，转速可达125转每分钟，消耗功率为20w，供电电压为12V，是一个大功率大扭矩的直流减速电机。

水泵采用的是12V直流电压供电4分口径的小水泵，静音无噪声，如图7所示。

5 单片机软件结构

单片机软件结构如图8所示。

单片机STC89C52在上电后，首先对使用到的GPIO口进行初始化，普通输入输出功能不需要特意配置，而串口通讯引脚的定义，波特率的设定，PWM输出引脚，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，如果收到来给予手机的指令，则继续分析指令。如果是移动指令，则分析指令内容，确定让小车执行前进、后退、左转、右转中的一种移动方式。如果是水泵指令，则分析指令内容，确定是打开水泵还是关闭水泵。

6 测试结果

小车操作界面如图9所示。

在图9中，可以看到摄像头传来得画面，并且界面右侧为操控浇水小车的按钮，可以实现前进、左转、后退、右转、停车、开水泵和关水泵的简单实用操作。经过测试，手机对小车的操作无误，可以实现小车灵活移动，并且能准确浇水。存在的问题是，图像画面略有延迟，仍需改进。

参考文献：

[1]熊亮，祝爱萍.家用自动浇花机的设计[J].宁夏工程技术，2013，12（1）：18-19.

[2]周程，朱兆优，刘雪枫.基于ATmega128的智能浇花机的设计[J].电子质量，2014（4）：41-43.

[3]陈永斌，杨文 ，邵恩乐，等.家用智能浇花装置的研制[J].硅谷，2014（21）.

[4]王安娜，王顺利，梁卓，等.可远程控制的智能浇灌装置设计和工作原理[J].企业技术开发旬刊，2015（6）：1-1.

[5]张鹏，张樱凡，倪俊超，等.基于LPC1768的智能浇花机器人设计[J].自动化与仪器仪表，2015（3）：86-87.

[6]王林生，王臻卓.基于单片机的盆栽浇花机的设计与实现[J].软件工程，2016，19（5）：45-46.

[7]佟金鍇，肖朋.基于STC89C52单片机的自动浇花控制系统设计[J].辽宁师专学报（自然科学版），2017（3）.