摘 要：針對(duì)蚊蟲滋生易傳播疾病又難以實(shí)現(xiàn)有效捕殺的問題，設(shè)計(jì)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(jī)端建立聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)對(duì)捕蚊小車的遠(yuǎn)程控制。捕蚊模塊內(nèi)置信息素，通過釋放信息素吸引蚊蟲靠近，并利用負(fù)壓吸入效應(yīng)實(shí)現(xiàn)蚊蟲捕捉。智能捕蚊小車結(jié)合信息素引誘蚊蟲，進(jìn)行物理捕蚊，并通過WiFi實(shí)現(xiàn)手機(jī)端的遠(yuǎn)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(dòng)化、智能化。該設(shè)計(jì)適用于辦公室、家庭等場景，具有良好的社會(huì)效益與經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：WiFi；智能捕蚊；遠(yuǎn)程控制；ESP8266；信息素；紅外避障

中圖分類號(hào)：TP39；TN929.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(jìn)程的加快，蚊蟲帶來的健康威脅日益嚴(yán)重[1]，蚊蟲傳播的疾病，如瘧疾、登革熱和寨卡病毒等，嚴(yán)重危害著人類的健康、影響著人們的生活質(zhì)量。傳統(tǒng)的蚊蟲捕殺方法，如使用電蚊拍、蚊香和化學(xué)藥物噴灑[2-3]等，以及近幾年出現(xiàn)的一些智能滅蚊方法，如將手機(jī)APP與藍(lán)牙相結(jié)合，遠(yuǎn)程控制藍(lán)光引誘燈[4]、太陽能滅蚊燈[5]、物聯(lián)網(wǎng)智能捕蚊系統(tǒng)[6]、太陽能蚊蟲誘捕機(jī)器人[7]等設(shè)備實(shí)現(xiàn)蚊蟲捕殺，均取得了一定的效果，但在效率、安全性以及環(huán)境污染等方面尚有不足。此外，蚊蟲對(duì)殺蟲劑的抗藥性[8]也越來越強(qiáng)。目前，針對(duì)辦公、居家等場所使用信息素捕蚊的研究較少，因此，本文設(shè)計(jì)了一款基于51單片機(jī)的WiFi智能捕蚊小車，該小車結(jié)合了信息素[9]引誘與物理捕蚊功能，并通過WiFi通信實(shí)現(xiàn)手機(jī)端遠(yuǎn)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(dòng)化、智能化；同時(shí)，用戶可以通過手機(jī)端小程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)捕蚊小車的遠(yuǎn)程控制。

智能捕蚊小車為人們提供了一種高效、便捷、環(huán)保的蚊蟲解決方案，減少了蚊蟲對(duì)人們生活造成的困擾；降低了蚊蟲傳播疾病的風(fēng)險(xiǎn)，提升了人們的生活質(zhì)量。該設(shè)計(jì)適用于辦公室、家庭等場景，未來可以進(jìn)一步完善小車的功能，使其能夠適用于更多的應(yīng)用場景。

1 硬件設(shè)計(jì)

該智能小車系統(tǒng)共有五個(gè)模塊：單片機(jī)控制模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(tǒng)主要結(jié)構(gòu)如圖1所示。

初次使用時(shí)，用戶需要將捕蚊小車與家中的WiFi配網(wǎng)連接，完成第一次配網(wǎng)連接后，捕蚊小車會(huì)在每次通電時(shí)自動(dòng)連接WiFi；捕蚊小車聯(lián)網(wǎng)后，用戶可在任何地點(diǎn)通過手機(jī)對(duì)其實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)、關(guān)閉、定時(shí)等操作；用戶在手機(jī)小程序界面發(fā)出指令，ESP8266接收指令并傳送給單片機(jī)，單片機(jī)控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)捕蚊小車和捕蚊模塊工作。工作時(shí)，捕蚊小車呈“弓”[10]字形走向，當(dāng)避障傳感器檢測到前方的障礙物時(shí)，將信號(hào)傳送給單片機(jī)，由單片機(jī)控制電機(jī)轉(zhuǎn)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(jìn)單片機(jī)，P3口控制捕蚊小車的行進(jìn)、轉(zhuǎn)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(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)交互，串口中斷接收用戶界面指令，同時(shí)控制捕蚊小車執(zhí)行相應(yīng)指令，并反饋執(zhí)行情況；P2口用于接收障礙物信號(hào)以實(shí)現(xiàn)及時(shí)避障；定時(shí)器0中斷用于捕蚊小車的PWM調(diào)速控制。

1.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

通過利用L298N芯片內(nèi)部包含的兩個(gè)H橋驅(qū)動(dòng)器，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)電機(jī)的獨(dú)立控制，包括電機(jī)的驅(qū)動(dòng)和電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。單片機(jī)P32、P37分別連接模塊的ENA、ENB，用于收發(fā)PWM信號(hào)；P33～P36分別與輸入引腳IN1、IN2、IN3、IN4連接，通過為IN1、IN2、IN3、IN4發(fā)送相應(yīng)的邏輯信號(hào)以達(dá)到控制兩側(cè)電機(jī)正反轉(zhuǎn)的目的。此外，L298N的驅(qū)動(dòng)功率較大，能夠根據(jù)輸入電壓的大小輸出不同的電壓和功率，解決了負(fù)載能力不足的問題。電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(jìn)行自動(dòng)避障，發(fā)射管發(fā)射紅外線光束，當(dāng)光束遇到障礙物時(shí)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(dāng)引腳3電壓高于引腳2時(shí)，引腳1輸出高電平，表示有障礙物；當(dāng)引腳2電壓高于引腳3時(shí)，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(jī)的P32，以接收高低電平信號(hào)。

1.4 WiFi模塊

本模塊使用ESP8266實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸[11]。該芯片采用了高度集成的系統(tǒng)級(jí)芯片設(shè)計(jì)，集成了WiFi無線網(wǎng)絡(luò)功能和微控制器單元，可通過WiFi進(jìn)行遠(yuǎn)程通信和數(shù)據(jù)傳輸。ESP8266的TX和RX引腳分別接一個(gè)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(nèi)的WiFi網(wǎng)絡(luò)，通過MQTT庫配置ESP8266作為相應(yīng)協(xié)議的服務(wù)器端；在手機(jī)微信小程序中，使用MQTT的JavaScript庫連接到該協(xié)議的服務(wù)器端，以實(shí)現(xiàn)智能捕蚊小車與手機(jī)端的數(shù)據(jù)傳輸和實(shí)時(shí)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(fù)壓吸入效應(yīng)實(shí)現(xiàn)蚊蟲捕捉。捕蚊模塊內(nèi)置信息素，隨著仿生信息素的散發(fā)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(shí)，捕蚊模塊中的電動(dòng)機(jī)持續(xù)驅(qū)動(dòng)葉片旋轉(zhuǎn)，葉片會(huì)產(chǎn)生一個(gè)高速旋轉(zhuǎn)的氣流，該氣流形成了一個(gè)低氣壓區(qū)域，由于周圍空氣的壓力高于負(fù)壓區(qū)域內(nèi)的壓力，空氣自然朝著較低壓力的區(qū)域移動(dòng)，便出現(xiàn)了負(fù)壓吸入效應(yīng)。周圍的蚊蟲將隨著空氣被吸入儲(chǔ)蚊盒中。

2 軟件設(shè)計(jì)

軟件部分由PWM調(diào)速部分、ESP8266串口通信部分、紅外避障部分和小程序構(gòu)成。紅外避障部分用于使捕蚊小車在工作時(shí)避開行駛過程中遇到的障礙物；PWM調(diào)速部分用于將捕蚊小車的行駛速度控制在合適的范圍內(nèi)；ESP8266串口通信部分作為用戶端與捕蚊小車的智能交互中轉(zhuǎn)站，實(shí)現(xiàn)對(duì)捕蚊小車的控制；小程序用于用戶對(duì)捕蚊小車的智能化、可視化控制。

2.1 主程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)開機(jī)后，定時(shí)器0初始化，并中斷控制PWM調(diào)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(jī)發(fā)出的指令并將指令通過單片機(jī)傳給智能小車；隨后循環(huán)執(zhí)行紅外避障函數(shù)，檢測障礙物，確保小車及時(shí)避障。主程序流程如圖4所示。

2.2 PWM控制調(diào)速程序設(shè)計(jì)

PWM[12]在控制電機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)，通過調(diào)節(jié)輸出信號(hào)的脈沖寬度來實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制。即控制器會(huì)以一定的頻率向電機(jī)發(fā)送脈沖信號(hào)，脈沖的高電平代表了電機(jī)工作的占空比，即高電平時(shí)間越長，電機(jī)的工作電壓就越高，電機(jī)的轉(zhuǎn)速也就越快。

捕蚊小車通過單片機(jī)定時(shí)/計(jì)數(shù)器輸出頻率100 Hz的PWM信號(hào)，一個(gè)周期為10 ms。該周期內(nèi)，高電平持續(xù)2.3 ms，電機(jī)在此周期內(nèi)的工作占空比為23%，所以電機(jī)的工作電壓是額定電壓的23%，電機(jī)的轉(zhuǎn)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(diào)速程序流程如圖5所示。

2.3 串口通信程序設(shè)計(jì)

單片機(jī)串口通信部分接收到手機(jī)通過ESP8266發(fā)來的指令，接收到指令若為“O”，則捕蚊小車啟動(dòng)；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(shè)計(jì)

避障部分通過傳感器返回的信號(hào)來判斷一定距離內(nèi)是否存在障礙物，并設(shè)計(jì)程序控制小車避開障礙物。系統(tǒng)啟動(dòng)后，捕蚊小車前進(jìn)，當(dāng)前方有障礙物時(shí)，小車右轉(zhuǎn)并直行，當(dāng)前進(jìn)距離達(dá)到1 m或者遇到障礙物，右轉(zhuǎn)繼續(xù)前進(jìn)，當(dāng)前方第三次遇到障礙物時(shí)，左轉(zhuǎn)并直行，當(dāng)前進(jìn)距離達(dá)到1 m或者遇到障礙物，左轉(zhuǎn)并繼續(xù)前進(jìn)，如此循環(huán)執(zhí)行程序以實(shí)現(xiàn)“弓”字形運(yùn)動(dòng)和避障。通過中斷實(shí)現(xiàn)其他情況的避障，即當(dāng)右前方有障礙物時(shí)，左轉(zhuǎn)直到右前方無障礙物后恢復(fù)直行；當(dāng)左前方有障礙物時(shí)，右轉(zhuǎn)直到左前方無障礙物后恢復(fù)直行；如此循環(huán)執(zhí)行程序以實(shí)現(xiàn)一般避障。避障系統(tǒng)工作流程如圖7所示。

2.5 手機(jī)小程序設(shè)計(jì)

微信小程序是一種在微信平臺(tái)上運(yùn)行的應(yīng)用程序。該設(shè)計(jì)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(tǒng)開始時(shí)，定義一個(gè)名為timer的變量（初始值為1）和一個(gè)名為api的函數(shù)，用于接收參數(shù)data；api函數(shù)內(nèi)部使用wx.request方法向指定的URL發(fā)送POST請(qǐng)求，請(qǐng)求的數(shù)據(jù)包括設(shè)備ID和需要發(fā)送的數(shù)據(jù)；如果請(qǐng)求成功，打印“ACHIEVE：”，服務(wù)器返回?cái)?shù)據(jù)；點(diǎn)擊“開啟小車”按鈕，調(diào)用api函數(shù)并傳入“O”作為參數(shù)，表示開啟小車；點(diǎn)擊“關(guān)閉小車”按鈕，調(diào)用api函數(shù)并傳入“F”作為參數(shù)，表示關(guān)閉小車；在setTimer函數(shù)中啟動(dòng)定時(shí)控制功能，定時(shí)時(shí)間結(jié)束后，調(diào)用api函數(shù)傳入“O”或“F”實(shí)現(xiàn)捕蚊小車的啟動(dòng)或關(guān)閉；最后清除定時(shí)器以避免內(nèi)存泄漏。功能實(shí)現(xiàn)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(lián)網(wǎng)技術(shù)利用HTTP POST[13]通信與云平臺(tái)建立數(shù)據(jù)通信，進(jìn)而與捕蚊小車相連，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。小程序功能模塊主要包括用戶登錄、設(shè)備控制等，以實(shí)現(xiàn)設(shè)備的智能化遠(yuǎn)程控制。

3 數(shù)據(jù)測試與結(jié)果分析

3.1 速度測試

根據(jù)實(shí)際測試，當(dāng)捕蚊小車的速度占空比為70%時(shí)，速度過快，無法實(shí)現(xiàn)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(huì)靠近；當(dāng)捕蚊小車的速度占空比為50%時(shí)，速度仍較快，避障效果和吸引蚊蟲的效果不佳；當(dāng)占空比為23%時(shí)，捕蚊小車的速度適中，避障傳感器反應(yīng)靈敏，蚊蟲捕捉效果較好。PWM調(diào)試波形如圖10所示。調(diào)速測試數(shù)據(jù)見表1。

3.2 避障測試

根據(jù)實(shí)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(tǒng)以約20 cm為檢測距離，在不同環(huán)境中對(duì)捕蚊小車對(duì)障礙物的避障情況進(jìn)行檢測，檢測結(jié)果見表2。

由分析結(jié)果可知，在不同的室內(nèi)外環(huán)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(huán)境中障礙物復(fù)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(duì)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(yuǎn)程控制測試

根據(jù)實(shí)際測試，當(dāng)用戶與捕蚊小車的距離小于100 m時(shí)，捕蚊小車執(zhí)行相應(yīng)任務(wù)的反應(yīng)速度很快且成功率高；當(dāng)用戶與捕蚊小車的距離大于等于100 m且小于5 km時(shí)，捕蚊小車執(zhí)行相應(yīng)任務(wù)的成功率高且反應(yīng)速度很快；當(dāng)用戶與捕蚊小車的距離大于等于5 km且小于30 km時(shí)，捕蚊小車執(zhí)行相應(yīng)任務(wù)的成功率高且反應(yīng)速度很快。對(duì)捕蚊小車的WiFi遠(yuǎn)程控制部分的檢測數(shù)據(jù)見表3。

測試距離 測試次數(shù)/次 成功次數(shù)/次 成功率/% 反應(yīng)時(shí)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(shù)據(jù)可知，捕蚊小車連上WiFi后能夠?qū)崿F(xiàn)手機(jī)遠(yuǎn)程控制功能，且反應(yīng)速度很快。

3.4 捕蚊小車整體測試

根據(jù)現(xiàn)場及實(shí)際需要，考慮所使用的仿生信息素濃度、擴(kuò)散情況，以及蚊蟲感知的距離等，將引誘蚊蟲的距離設(shè)置在0.5 m半徑范圍內(nèi)，因此設(shè)計(jì)捕蚊小車每行駛1 m制動(dòng)2 min。

將小車放在室內(nèi)任意地方進(jìn)行實(shí)際運(yùn)行測試。在手機(jī)小程序上對(duì)小車進(jìn)行啟動(dòng)控制，設(shè)置定時(shí)關(guān)閉時(shí)間為10 min，小車啟動(dòng)后直行，遇到障礙物后轉(zhuǎn)向躲避障礙物，行駛1 m后制動(dòng)，2 min后繼續(xù)行駛，如此循環(huán)直至定時(shí)結(jié)束，捕蚊小車停止工作。捕蚊小車整體運(yùn)行測試數(shù)據(jù)見表4。

由測試結(jié)果可知，小程序控制捕蚊小車啟動(dòng)/關(guān)閉功能正常；小程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)捕蚊小車的定時(shí)啟動(dòng)/關(guān)閉功能還需優(yōu)化；捕蚊小車自動(dòng)避障功能稍待提高；捕蚊小車行駛制動(dòng)功能正常。

4 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)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(fā)啟動(dòng)、關(guān)閉、定時(shí)指令，實(shí)現(xiàn)捕蚊小車的啟動(dòng)、關(guān)閉、定時(shí)啟動(dòng)、定時(shí)關(guān)閉功能；捕蚊小車啟動(dòng)后呈“弓”字形走向，若前方有障礙物，單片機(jī)根據(jù)避障模塊反饋的信息控制電機(jī)，通過改變其方向避開障礙物；捕蚊小車工作時(shí)每行駛1 m，制動(dòng)2 min，但捕蚊部分持續(xù)工作，以此保證周圍的蚊蟲被散發(fā)的信息素吸引、靠近，并被吸入儲(chǔ)蚊盒。小車裝配試驗(yàn)完成后，經(jīng)調(diào)試運(yùn)行，系統(tǒng)功能均可正常實(shí)現(xiàn)，小車運(yùn)行狀態(tài)良好，可以較好地實(shí)現(xiàn)對(duì)捕蚊小車的遠(yuǎn)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?yàn)樾盘?hào)處理與無線通信。

吳再群（1982—），男，碩士，副教授，研究方向?yàn)樾盘?hào)檢測與信號(hào)處理。

覃煥昌（1967—），男，教授，研究方向?yàn)槿斯ぶ悄?、大?shù)據(jù)。

吳道潤（2001—），女，研究方向?yàn)殡娐放c系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

馮嬌榮（2004—），女，研究方向?yàn)槲㈦娮蛹夹g(shù)和通信網(wǎng)絡(luò)。

劉玉蘭（2001—），女，研究方向?yàn)榍度胧郊夹g(shù)。

韋筆帥（1999—），男，研究方向?yàn)槿斯ぶ悄芎蛿?shù)據(jù)分析。

收稿日期：2024-03-20 修回日期：2024-04-30

基金項(xiàng)目：2022年廣西壯族自治區(qū)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃立項(xiàng)項(xiàng)目：智能捕蚊蟲小車（S202210609075）