賴其英，冼燦嬌，何天浩，羅瀚，李甜甜，許曉云

（廣西民族師范學(xué)院，廣西崇左，532200）

0 前言

隨著市政、企業(yè)園林綠化面積的不斷擴(kuò)大，綠化灌溉面積的不斷增加以及對(duì)精細(xì)灌溉要求的逐步提高，實(shí)現(xiàn)灌溉管理的自動(dòng)化/智能化、可視化已成為園林綠化工作的重點(diǎn)。

國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)灌溉方式用水量極大，但對(duì)水的利用率卻很低，人工皮管漫灌的這種單一老式的澆灌方式會(huì)導(dǎo)致無(wú)效蒸發(fā)的水高達(dá)80%，因而致使水資源的利用率在全國(guó)范圍內(nèi)未達(dá)到40%，大量綠化用水被白白浪費(fèi)掉[1]。減少園林綠地的灌溉用工，降低維護(hù)管理成本，提高灌溉精準(zhǔn)度、完善灌溉制度，提高水資源利用率以及改變?nèi)藶椴僮鞯碾S意性等，是目前綠化灌溉工作中迫切需要解決的問(wèn)題。設(shè)計(jì)一款便攜式智能灌溉設(shè)備，能夠及時(shí)對(duì)指定環(huán)境的溫濕度進(jìn)行檢測(cè)，并根據(jù)設(shè)定的參數(shù)對(duì)目標(biāo)綠地進(jìn)行灌溉。

近年以來(lái)，日趨成熟和完善的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、嵌入式技術(shù)和視頻處理技術(shù)等核心技術(shù)，培育了智能小車的發(fā)展，如今智能控制系統(tǒng)小車具備豐富多樣的特征[2]?；谶@些核心技術(shù)，設(shè)計(jì)出一款自由移動(dòng)循跡式小車，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程查看數(shù)據(jù)并對(duì)小車發(fā)出指令，可以在手機(jī)app 上查看當(dāng)前不同位置的環(huán)境參數(shù)值，從而對(duì)小車發(fā)出指令前往指定地點(diǎn)工作。

1 設(shè)計(jì)思路

為了增加園林綠化的層次感與美感，往往采取多種需水特性不同的植物混合種植，同一片綠化中可能出現(xiàn)有草坪，花卉，樹(shù)木等，需要采用不同的灌溉方式與灌溉用水量去滿足多元化植物的生長(zhǎng)需求。人工澆灑的單一性無(wú)法同步配合植物生長(zhǎng)，就無(wú)法實(shí)現(xiàn)原定的園林設(shè)計(jì)效果。使用自動(dòng)控制設(shè)備后，還可實(shí)現(xiàn)夜間無(wú)需人工的定時(shí)定點(diǎn)自動(dòng)灌溉，減少蒸發(fā)，同時(shí)還可避開(kāi)城市用水高峰期。

根據(jù)需求設(shè)計(jì)這一系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)指定環(huán)境的土壤溫濕度，通過(guò)多點(diǎn)測(cè)量的方式對(duì)環(huán)境溫濕度參數(shù)進(jìn)行判斷，并將所獲數(shù)據(jù)傳送至阿里云平臺(tái)，控制系統(tǒng)對(duì)該植物的需水量進(jìn)行分析計(jì)算后傳送給小車進(jìn)行灌溉。設(shè)計(jì)一款手機(jī)App 讀取阿里云平臺(tái)的數(shù)據(jù)，便于用戶足不出戶實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制灌溉，當(dāng)小車搭載的儲(chǔ)水水箱中的水位傳感器監(jiān)測(cè)到水箱內(nèi)水位低于限定值時(shí)做報(bào)警處理并通知用戶及時(shí)補(bǔ)充水量。且小車具有GPS 定位功能，當(dāng)小車發(fā)生意外情況立即終止工作并將定位發(fā)送給用戶。

2 硬件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的主要模塊包含STM32 單片機(jī)主控模塊、圖傳信息模塊、舵機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、無(wú)線通信模塊、溫濕度檢測(cè)模塊、GPS 定位模塊、避障模塊等。

本設(shè)計(jì)采用STM32F407VET6 作為智能小車的主控模塊。采用LU-ASR01 作為智能語(yǔ)音識(shí)別模塊，工業(yè)級(jí)MP3-BY-F610 作為語(yǔ)音播報(bào)模塊，用于播報(bào)灌溉小車的工作狀態(tài)，當(dāng)小車發(fā)生意外情況時(shí)會(huì)發(fā)出報(bào)警信息提醒用戶。無(wú)線通信模塊采用的是ESP8266-01S WiFi 作為STM32 單片機(jī)與手機(jī)APP 通信的無(wú)線模塊，ZigBee 3.0 CC2530 作為連接阿里云平臺(tái)的模塊。傳感器模塊采用的是XH-M214 土壤溫濕度控制模塊，時(shí)刻監(jiān)測(cè)土壤溫濕度變化。避障模塊采用3 個(gè)HC-SR04 超聲波模塊，一個(gè)HLK-LD2410-24G 人體存在雷達(dá)感應(yīng)模塊，用于小車避障和物體測(cè)距，3 個(gè)MG996R舵機(jī)用來(lái)連線超聲波模塊測(cè)距離的長(zhǎng)度?；贏TGM336H-5N 的高性能BDS/GNSS 定位導(dǎo)航模塊，1 個(gè)ESP32-CAM OV7670 攝像頭模塊，2 個(gè)紅外發(fā)射接收管。

■2.1 硬件框圖設(shè)計(jì)

主控模塊接收傳感器采集各項(xiàng)的數(shù)據(jù)，在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與處理之后通過(guò)液晶顯示屏顯示給用戶，用戶可以看到各采集點(diǎn)的土壤溫濕度系數(shù)。進(jìn)行處理過(guò)的數(shù)據(jù)使用無(wú)線通信模塊上傳到阿里云平臺(tái)，而手機(jī)APP 可以同步讀取阿里云平臺(tái)的數(shù)據(jù)，保證用戶在任何地點(diǎn)不管采用手機(jī)還是電腦都能獲取當(dāng)前土壤環(huán)境的溫濕度系數(shù)，從而安排小車進(jìn)行灌溉工作。系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)框架圖

■2.2 硬件模塊介紹

2.2.1 主控模塊

單片機(jī)主控模塊選擇的是STM32F407VET6，它的內(nèi)核采用Cortex-M4 處理器，時(shí)鐘頻率高達(dá)168MHz，擁有先進(jìn)的計(jì)算性能和中斷嵌套響應(yīng)系統(tǒng)，加入?yún)R編語(yǔ)言編寫的DSP 庫(kù)更是錦上添花，很好地保證了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性[3]。需要提供的工作電壓范圍在1.8～3.6V 之間，供電常采用的是3.3V。其采用SMT 工藝，具有較小的尺寸和更少的元件，成本較低，擁有高性能、低功耗和豐富的外設(shè)資源等優(yōu)點(diǎn)。STM32F407VET6 最小系統(tǒng)板具有豐富的I/O接口，可以輕松連接傳感器、LED 和其他設(shè)備。該芯片負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)收集、信息處理和電機(jī)控制等。STM32 主控芯片電路圖如圖2 所示。

圖2 STM32 主控芯片電路圖

2.2.2 圖傳信息模塊

圖傳信息模塊采用的是ESP32-CAM 和OV7670攝 像 頭 模 塊，ESP32 是一款高度集成的低功耗WiFi 和藍(lán)牙解決方案，而OV7670 是一款低成本的圖像傳感器。ESP32 與OV7670 可以實(shí)現(xiàn)相互配合，提供圖像傳輸和處理的能力。ESP32 可以通過(guò)SPI 或I2C 接口與OV7670 進(jìn)行通信，獲取OV7670 捕獲的圖像數(shù)據(jù)。ESP32 可以對(duì)這些圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列處理，其中包括壓縮、編碼、濾波等，以提高圖像質(zhì)量和傳輸效率?？梢允褂肊SP32 連接阿里云服務(wù)器，查看當(dāng)前攝像頭采集的圖像，實(shí)現(xiàn)智能識(shí)別、監(jiān)控等功能。搭載的攝像頭可以查看小車所處的環(huán)境，以及植物生長(zhǎng)情況。ESP32-CAM 最小系統(tǒng)圖如圖3 所示。

孔子天命觀包含兩方面的內(nèi)容：一是將“天”“帝”作為具有超越性信仰的宗教神學(xué)內(nèi)容，二是將天去殷周時(shí)期人格神化上升到人學(xué)的內(nèi)容。簡(jiǎn)而言之，孔子本人對(duì)前者存有敬畏之心，但更傾向于后者?！墩撜Z(yǔ)·季氏》中說(shuō)道：“君子有三畏：畏天命，畏大人，畏圣人之言?！笨鬃訉?duì)天命本持體認(rèn)、敬畏、持守的態(tài)度。

圖3 ESP32-CAM 最小系統(tǒng)圖

液晶顯示主要采用的是低功耗、響應(yīng)速度快、擁有較寬視角的OLED，主要功能是給用戶顯示傳感器獲取的當(dāng)前土壤環(huán)境的溫濕度數(shù)據(jù)或攝像頭采集的圖像，可以讓用戶實(shí)時(shí)觀察土壤的溫濕度變化和小車的狀態(tài)信息，從而對(duì)小車下達(dá)恰當(dāng)?shù)闹噶罟ぷ鳌?/p>

2.2.3 語(yǔ)音報(bào)警模塊

采用LU-ASR01 作為智能語(yǔ)音識(shí)別模塊，可以自定義喚醒詞，最多定義5 個(gè)喚醒詞，至少2 個(gè)字，具有高識(shí)別率，10 米內(nèi)識(shí)別率達(dá)到98%。其中DHT 接口接DHT11 模塊，配置對(duì)應(yīng)的識(shí)別詞條即可進(jìn)行溫濕度播報(bào)。工業(yè)級(jí)MP3-BY-F610作為語(yǔ)音播報(bào)模塊，用于播報(bào)灌溉小車的工作狀態(tài)，當(dāng)水箱中的傳感器檢測(cè)到水位低于限定值時(shí)觸發(fā)報(bào)警，提醒用戶及時(shí)補(bǔ)充水量。若小車發(fā)生意外情況時(shí)會(huì)發(fā)出報(bào)警信息提醒用戶。

2.2.4 無(wú)線通信模塊

本設(shè)計(jì)選擇的通信模塊是ESP8266 串口轉(zhuǎn)WiFi 模塊。ESP8266 模塊采用32 位的Tensilica 處理器構(gòu)架，它集成了WiFi 功能和TCP/IP 協(xié)議棧，具有可靠的數(shù)據(jù)傳輸能力，并可以通過(guò)串口與控制器進(jìn)行通信。ESP8266 可作為WiFi客戶端或者WiFi 接入運(yùn)行，作為客戶端，ESP8266 可以連接到現(xiàn)有的WiFi 網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)與互聯(lián)網(wǎng)的通信，作為AP 它可以創(chuàng)建自己的WiFi 網(wǎng)絡(luò)，允許其他設(shè)備連接到它并進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。ESP8266 通過(guò)串口與主控器進(jìn)行通信，使用AT指令集作為通信協(xié)議，主控制器可以通過(guò)發(fā)送AT 指令給ESP8266 來(lái)控制WiFi 連接、數(shù)據(jù)傳輸和網(wǎng)絡(luò)配置，除此之外ESP8266 還可以通過(guò)SPI 和I2C 等接口與其他外部設(shè)備進(jìn)行通信。WiFi 與其他通信模塊相比，不僅具有更寬的帶寬、更高的射頻信號(hào)，而且功耗低和成本都較低。在本設(shè)計(jì)中ESP8266 是通過(guò)MQTT 協(xié)議實(shí)現(xiàn)與平臺(tái)連接。

2.2.5 舵機(jī)模塊

SG90 舵機(jī)通過(guò)PWM 信號(hào)的占空比轉(zhuǎn)動(dòng)角度，本設(shè)計(jì)舵機(jī)1通過(guò)左轉(zhuǎn)90°、右轉(zhuǎn)90°來(lái)輔助用戶轉(zhuǎn)動(dòng)攝像頭查看小車周圍環(huán)境；舵機(jī)2 通過(guò)左轉(zhuǎn)90°、右轉(zhuǎn)90°，探測(cè)小車周圍是否存在障礙物，以便小車選擇行進(jìn)方向；舵機(jī)3為360°旋轉(zhuǎn)，保證噴灑角度的全面性。本設(shè)計(jì)舵機(jī)的控制方式為閉環(huán)控制，閉環(huán)控制在開(kāi)環(huán)控制的基礎(chǔ)上增加了位置反饋裝置，這種控制方式精度高、穩(wěn)定性好。此外，三個(gè)舵機(jī)分別接在單片機(jī)自帶的PWM 接口：PA1、PA2 和PA3 中，由單片機(jī)的定時(shí)器自帶的PWM 驅(qū)動(dòng)。

2.2.6 溫濕度檢測(cè)模塊

2.2.7 噴灑模塊與水位檢測(cè)

本設(shè)計(jì)的噴灑裝置采用了噴灑噴頭、電機(jī)與繼電器的組合，單片機(jī)通過(guò)輸出高低電平來(lái)控制噴頭的噴灑，該噴灑裝置靜音無(wú)噪聲、水霧均勻細(xì)膩且水量較大，對(duì)待植物更為友好。通過(guò)噴灑裝置與水位傳感器DAC、蜂鳴器結(jié)合，實(shí)現(xiàn)小車的灌溉工作。容器內(nèi)的水位傳感器，將感受到的水位信號(hào)傳送到STM32，控制器內(nèi)的計(jì)算機(jī)將實(shí)測(cè)的水位信號(hào)與設(shè)定信號(hào)進(jìn)行比較，若出現(xiàn)偏差，則說(shuō)明水箱水位不足，單片機(jī)將做出反應(yīng)，引發(fā)蜂鳴器發(fā)出警報(bào)，并關(guān)閉噴灑裝置，隨小車返回。

2.2.8 GPS 定位模塊

GPS 模塊是集成了RF 射頻芯片、基帶芯片和核心CPU，并加上相關(guān)外圍電路而組成的一個(gè)集成電路。模塊支持多種衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，包括中國(guó)的北斗二號(hào)和北斗三號(hào)全部衛(wèi)星、美國(guó)的GPS、俄羅斯的GLONASS、日本的QZSS，可以同時(shí)接收以上衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的衛(wèi)星信號(hào)，并且實(shí)現(xiàn)聯(lián)合定位、導(dǎo)航與授時(shí)，模塊具有高靈敏度、低功耗、低成本等優(yōu)勢(shì)是目前最常用的室外導(dǎo)航系統(tǒng)?？梢詫?shí)時(shí)傳送小車位置信息，避免小車丟失，保證小車安全。

2.2.9 循跡、避障模塊

本設(shè)計(jì)通過(guò)搭載HC-SR505 人體感應(yīng)模塊、超聲波和TCR5000 紅外傳感器模塊保證小車能避開(kāi)障礙物順利行進(jìn)。HC-SR505 能夠探測(cè)人體的紅外輻射，并將這些信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)人體活動(dòng)的監(jiān)測(cè)。本設(shè)計(jì)的HCSR505 模塊為全自動(dòng)感應(yīng)，當(dāng)檢測(cè)到有人進(jìn)入感應(yīng)范圍，則輸出高電平，人離開(kāi)后感應(yīng)范圍自動(dòng)延時(shí)，輸出低電平。TCRT5000 具有測(cè)距和感知物體存在的功能，紅外傳感器連續(xù)產(chǎn)生紅外信號(hào)，通過(guò)障礙物反射，紅外接收器檢測(cè)，以此判斷障礙物的位置距離。HC-SR505、超聲波和 TCR5000將識(shí)別到障礙物的信號(hào)傳送至STM32 單片機(jī)，經(jīng)控制系統(tǒng)分析判斷后控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)實(shí)現(xiàn)小車?yán)@開(kāi)障礙物，保證小車的順利行進(jìn)。除此之外，小車在行駛過(guò)程中，還會(huì)利用自動(dòng)導(dǎo)航技術(shù)進(jìn)行路徑規(guī)劃，并通過(guò)視覺(jué)傳感器等感知周圍環(huán)境，確保安全行駛。

3 軟件設(shè)計(jì)

■3.1 系統(tǒng)軟件的總體設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)使用Keil 進(jìn)行軟件編程、Proteus 進(jìn)行仿真。美國(guó)Keil Software 公司出品的兼容單片機(jī)C 語(yǔ)言軟件的開(kāi)發(fā)系統(tǒng)Keil，為單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)提供了豐富的庫(kù)函數(shù)和功能強(qiáng)大的集成開(kāi)發(fā)調(diào)試工具；而Proteus 嵌入式系統(tǒng)仿真與開(kāi)發(fā)平臺(tái)是可將PCB 設(shè)計(jì)軟件、虛擬模型仿真和電路仿真軟件相結(jié)合的設(shè)計(jì)平臺(tái)，能夠?qū)崿F(xiàn)代碼調(diào)試、原理圖設(shè)計(jì)以及單片機(jī)與外圍電路協(xié)同仿真，并能輕松切換到PCB 圖版設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了從理論到產(chǎn)品的完整設(shè)計(jì)，便于上手[5]。且虛擬仿真技術(shù)弱化了系統(tǒng)對(duì)于硬件的依賴，降低實(shí)驗(yàn)成本[6]。在系統(tǒng)進(jìn)行初始化后，等待上機(jī)指令，啟動(dòng)小車的控制程序，在連接成功后小車執(zhí)行其所對(duì)應(yīng)的控制子程序，單片機(jī)讀取ESP8266 模塊的數(shù)據(jù)信息并將信息通過(guò)OneNet 平臺(tái)發(fā)送至手機(jī)端，經(jīng)過(guò)系統(tǒng)分析是否需要灌溉、灌溉水量， 而后制定灌溉方案，小車在接收到灌溉信號(hào)后啟動(dòng)前往指定地點(diǎn)進(jìn)行灌溉工作。若遇到障礙物，噴灑裝置立即停止工作，小車自動(dòng)選擇行進(jìn)路徑，路徑選擇完畢繼續(xù)噴灑若水位低于預(yù)設(shè)水位，報(bào)警裝置發(fā)出警報(bào)，小車停止噴灑，小車返回。

系統(tǒng)軟件總體設(shè)計(jì)流程圖如圖4 所示。

圖4 系統(tǒng)軟件總體設(shè)計(jì)流程圖

■3.2 手機(jī)APP 的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)會(huì)不斷地收集數(shù)據(jù)，并通過(guò)云端服務(wù)器進(jìn)行分析和處理。通過(guò)數(shù)據(jù)分析，系統(tǒng)可以自動(dòng)調(diào)整灌溉策略，如根據(jù)植物的生長(zhǎng)情況調(diào)整灌溉量、灌溉時(shí)間等，從而實(shí)現(xiàn)更高效的灌溉效果，這款A(yù)PP 由 MIT App Inventor 網(wǎng)頁(yè)版設(shè)計(jì)。

基于STM32 的智能灌溉小車軟件主要圍繞幾大功能：

（1）小車位置信息的實(shí)時(shí)監(jiān)控；

（2）規(guī)劃小車的運(yùn)行路徑控制小車工作；

（3）記錄土壤溫濕度數(shù)據(jù)信息；

（4）工作人員可以通過(guò)搭載的攝像頭查看小車所處的環(huán)境，以及植物生長(zhǎng)情況；

（5）監(jiān)控水箱的水位狀態(tài)和電池的電量。水位和電量不足時(shí)，手機(jī)將彈出警告信息，提醒工作人員及時(shí)添加水箱或更換電池；

（6）切換小車工作模式。通過(guò)APP 可以改變小車的控制方式，工作人員可選擇自動(dòng)控制模式或手動(dòng)控制模式。

4 系統(tǒng)實(shí)物及測(cè)試結(jié)果

■4.1 實(shí)物

灌溉小車實(shí)物如圖5 所示，智能灌溉小車外殼由金屬框架、亞克力板組成，底盤為鋁合金履帶式底盤搭配四個(gè)CGM-25-370 電機(jī)，可載重15kg，全車長(zhǎng)約545mm，寬355mm，裝載12V，8Ah 的直流鋰電瓶，通過(guò)控制一枚12V 直流電壓的水泵和噴頭來(lái)實(shí)現(xiàn)澆灌功能。

圖5 灌溉小車

■4.2 測(cè)試結(jié)果

通過(guò)Arduino IDE 開(kāi)發(fā)環(huán)境編寫程序代碼，上傳至ESP32 CAM 模塊并將ESP32 CAM 模與HW-95 L298N 電機(jī)驅(qū)動(dòng)板模塊連接，使用時(shí)需用手機(jī)連接ESP32 CAM 設(shè)置好的WiFi，輸入IP 地址即可打開(kāi)操作界面，通過(guò)手機(jī)來(lái)控制小車的前進(jìn)、后退和左右轉(zhuǎn)彎。

小車水箱容量為5.5L，噴桶可以進(jìn)行360°轉(zhuǎn)動(dòng)，噴頭可以實(shí)現(xiàn)條狀灌溉和霧狀灌溉，條狀灌溉的半徑為4.2m，霧狀灌溉的半徑為2.8m。

5 結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)完成了一個(gè)智能灌溉小車，這款灌溉小車可以通過(guò)土壤的溫濕度信息，輔助工作人員制定灌溉方案，并下達(dá)命令使小車前往灌溉。相比于市面上的一些智能灌溉設(shè)備，本設(shè)計(jì)小巧輕便，有多種控制方式用戶可根據(jù)需求靈活切換選擇其一。還可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，不管用戶是想要足不出戶就可對(duì)戶外植物進(jìn)行灌溉還是出差在外也依然可以對(duì)家中植物進(jìn)行灌溉，時(shí)刻保證植物的正常生長(zhǎng)。系統(tǒng)對(duì)土壤濕度、作物需水量等數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)采集和處理，而后根據(jù)各作物的不同需水要求來(lái)科學(xué)有效地控制灌溉。除此之外，智能灌溉小車具備靈敏的避障功能，有較強(qiáng)的穩(wěn)定性、實(shí)用性、高效性且有利于節(jié)省水資源、緩解水資源的日益緊張等優(yōu)點(diǎn)。本設(shè)計(jì)主要面向家庭院落、社區(qū)等小型綠化，灌溉工作更為精細(xì)，采用全自動(dòng)化的操作模式，徹底解放種植管理人員的雙手，節(jié)省了大量人力物力，可實(shí)時(shí)工作確保土壤濕度。APP 操作簡(jiǎn)單容易上手，適用于大部分人群，具備圖傳功能，且APP 頁(yè)面會(huì)實(shí)時(shí)顯示土壤及小車信息，方便用戶隨時(shí)隨地實(shí)時(shí)監(jiān)控植物的生長(zhǎng)發(fā)育狀態(tài)以及查看小車的工作狀態(tài)。