基于物聯(lián)網(wǎng)深度集成的新型市區(qū)道路自動灑水裝置

左安峰 謝雨欣 李麗欣 韓祥森 徐光龍

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2024.01.015

收稿日期：2023-05-30

基金項目：2022年山東省大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練項目（S202213857017）

摘? 要：設計了一款基于物聯(lián)網(wǎng)深度集成的新型的市區(qū)道路自動灑水裝置。其采用以STM32為核心的控制裝置，通過人工智能技術實現(xiàn)道路自動灑水降塵。裝置還搭載了多種環(huán)境監(jiān)測模塊（如PM2.5檢測模塊、光照檢測模塊、溫濕度檢測模塊），可檢測不同環(huán)境變量，并將環(huán)境信息映射到串口屏上面，實現(xiàn)多方監(jiān)控，保證了作業(yè)效果和效率，能夠很好地協(xié)助相關人員開展灑水降塵工作。

關鍵詞：STM32；人工智能；串口屏；自動灑水；環(huán)境變量

中圖分類號：TP273；TP391.4 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2024）01-0071-06

A New Type of Urban Road Automatic Sprinkler Based on Deep Integration of the Internet of Things

ZUO Anfeng， XIE Yuxin， LI Lixin， HAN Xiangsen， XU Guanglong

（Shandong Huayu University of Technology， Dezhou? 253034， China）

Abstract： A new type of urban road automatic sprinkler based on deep integration of the Internet of Things has been designed. It adopts a control device with STM32 as the core， and achieves automatic road watering and dust reduction through artificial intelligence technology. The sprinkler is also equipped with various environmental monitoring modules （such as PM2.5 detection module， lighting detection module， temperature and humidity detection module）， which can detect different environmental variables and map environmental information to the serial port screen， achieving multi-party monitoring， ensuring the effectiveness and efficiency of the operation， and can effectively assist relevant personnel in carrying out watering and dust reduction work.

Keywords： STM32; Artificial Intelligence; serial port screen; automatic watering; environment variable

0? 引? 言

目前城市大氣顆粒物污染十分普遍，特別是PM2.5、PM10污染已成為影響我國大部分城市大氣環(huán)境質(zhì)量的首要污染物[1]。傳統(tǒng)的道路降塵是依靠環(huán)衛(wèi)灑水車定時噴水作業(yè)。但調(diào)配車輛、人員不僅程序煩瑣、應急情況響應滯后，而且作業(yè)機制不容易靈活調(diào)整，可能導致人力和水資源的浪費以及作業(yè)效率、效果難以保證，甚至出現(xiàn)灑水結冰引起交通事故的現(xiàn)象。

所以文章基于本校山東省大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練項目，提出一種基于物聯(lián)網(wǎng)深度集成的新型市區(qū)道路自動灑水裝置，旨在解決部分灑水地區(qū)過度灑水、浪費資源等問題，為我國環(huán)保綠化發(fā)展貢獻一分力量[3-5]。

1? 裝置總體設計方案

該裝置主要功能是代替道路灑水車對城市中的街道進行適時的、適量的灑水、除塵、降溫、澆灌綠化帶等工作。其主要由STM32嵌入式單片機為核心的控制裝置，雨滴檢測模塊、溫濕度檢測模塊、紅外檢測模塊、PM2.5檢測模塊、光照檢測模塊的環(huán)境檢測裝置和將道路灑水實時投放在串口顯示屏的監(jiān)控裝置構成[6]。裝置整體框架如圖1所示。

本裝置接電之后，首先由環(huán)境檢測裝置將道路動態(tài)模擬情況反饋，通過計算得出智能預警方案，分別向監(jiān)控裝置和以STM32嵌入式單片機為核心的控制裝置發(fā)出指令，監(jiān)控裝置將各項數(shù)據(jù)投放在串口顯示屏上，控制裝置通過對所接收的道路有無車輛情況、道路干濕狀況、PM2.5濃度、溫濕度，以及天氣狀況等影響道路情況的要素進行分析，并結合數(shù)據(jù)計算結果和道路相關護理要求，可實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)各個執(zhí)行部件，從而實現(xiàn)自動調(diào)控道路灑水，用最少的水資源覆蓋最全面的道路，達到降塵、清潔路面以及空氣凈化等效果。且工作人員可以隨時查看各個區(qū)域的道路清潔狀態(tài)和實時環(huán)境，節(jié)約了人力資源[7]。

2? 理論分析與計算

2.1? 串口通信

串口通信是一種基于串行傳輸技術的通信方式，通過串行數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞竭M行信息傳遞。串口通信使用一對相互獨立運作的發(fā)送和接收線路，其中一個線路用于發(fā)送數(shù)據(jù)，另一個線路用于接收數(shù)據(jù)。

串口通信的原理是將數(shù)據(jù)分段逐位傳輸，然后在接收端將數(shù)據(jù)重新組合成完整的信息。在數(shù)據(jù)傳輸過程中，數(shù)據(jù)被分成一段一段的字節(jié)或字符，并通過串口傳輸線路逐位傳送。在數(shù)據(jù)傳輸結束后，接收端通過解析這些字節(jié)或字符，并根據(jù)約定的規(guī)則將其拼接成為完整的數(shù)據(jù)。

本裝置通過對串口通信協(xié)議的建立和約定，使通信雙方在進行串口通信前，需要先確定通信協(xié)議和數(shù)據(jù)格式等約定，以保證數(shù)據(jù)的正確解析和傳輸。通過串口屏和控制核心進行直接連接來傳輸數(shù)據(jù)，通過所設計的頁面控制設備的運行狀態(tài)和裝置的參數(shù)等。

2.2? ADC原理

ADC的原理是將模擬信號轉換為數(shù)字信號。在本裝置中，很多傳感器輸出的是模擬信號（如振動、聲音等），而數(shù)字電路處理的是數(shù)字信號。因此，需要將模擬信號轉換為數(shù)字信號，這就是ADC的作用。

本裝置的程序多根據(jù)AD轉換來編寫。其中各個檢測模塊都使用ADC通過取樣和量化兩個過程將模擬信號轉換為數(shù)字信號。取樣是指在一段時間內(nèi)對模擬信號進行抽樣，量化是指將抽樣后的信號轉換為數(shù)字。量化的過程中，將模擬信號幅度分成一個一個的固定量，并將每個小量轉換成對應的數(shù)字。

ADC的主要工作原理包括參考電壓選取、采樣保持、量化和編碼。參考電壓選取是指選取一個合適的電壓作為基準，將模擬信號與其進行比較，采樣保持是指把模擬信號保持在采樣保持電路中一段時間，使采樣信號在量化和編碼期間不會發(fā)生改變，量化是指將保持好的信號進行量化操作，生成數(shù)字信號，編碼是指將量化的數(shù)字信號轉換成相應的編碼形式。

3? 硬件電路與軟件設計

3.1? 總體電路設計和裝置功能實現(xiàn)流程

總體電路設計如圖2所示。裝置功能實現(xiàn)流程圖如圖3所示。

3.2? 溫濕度傳感器電路

溫濕度傳感器電路一般會涉及傳感器、放大器模塊、微處理器模塊等。溫濕度傳感器電路如圖2中溫/濕度檢測模塊電路圖所示。

其中，R1是一個上拉電阻，R2和R3是分別連接到DHT溫濕度傳感器的Data和Vcc引腳的電阻，C1和C2分別是一組供電濾波電容，OUT是模擬輸出信號引腳。

可以使用一個放大器模塊（比如基于運放的電路）來將DHT傳感器提供的微弱模擬信號放大，增強信號強度，從而避免由于信號衰減引起的失真或降噪等問題。

接下來，將模擬信號輸入到微型處理器模塊，比如常用的Arduino、Raspberry Pi等，進行數(shù)字轉換和計算，并通過串口或Wi-Fi等方式，將測量到的溫度和濕度值傳輸出去。

需要注意的是，不同的溫濕度傳感器使用的引腳和電路連接方式可能存在差異，具體需要按照具體的傳感器型號和說明進行電路設計。此外，電路的參數(shù)和電路元件的選型也需要仔細斟酌，以保證電路的可靠性和精度。

3.3? 電機驅動電路

電機驅動電路通常用以控制直流電機的旋轉方向和速度，常用的電機驅動器包括MOSFET、H橋等。基于H橋的電機驅動電路如圖2中電機驅動模塊電路圖所示。

在這個驅動電路中，IN1和IN2是兩個數(shù)字輸入端，用以控制電機的旋轉方向和速度；OUT1和OUT2則連接到電機繞組；VCC和GND則為電路供電。

通過控制IN1和IN2的電平狀態(tài)，可以實現(xiàn)以下的電機控制模式：

-? IN1=HIGH， IN2=LOW： 電機正轉

-? IN1=LOW， IN2=HIGH： 電機反轉

-? IN1=HIGH， IN2=HIGH： 電機剎車或停止

-? IN1=LOW， IN2=LOW： 電機剎車或停止

其中，在電機剎車或停止的模式下，電機會被短路，使電機轉子立即停止。

需要注意的是，在使用電機驅動器時，應該根據(jù)實際情況選用合適的電機驅動器類型和型號，并參考其說明書或相關資料，進行正確的電路設計和參數(shù)配置。在實際應用中，也需要充分考慮驅動電路對電機和裝置的影響，確保電機能夠安全、平穩(wěn)地運轉。

3.4? 土壤濕度檢測電路

土壤濕度檢測電路通常使用熱敏電阻來作為溫度傳感器，同時需要一個合適的電路來將溫度轉換為電壓信號進行處理。如圖2中土壤濕度檢測模塊電路圖所示。

在這個電路中，THERMISTOR是一個熱敏電阻，其阻值會隨著環(huán)境溫度的變化而變化；R1和R2是兩個電阻，用以形成一個電壓分壓器，將THERMISTOR的阻值轉換為一個與溫度成比例的電壓信號；OUT是輸出信號引腳；+5 V和GND則是電路的供電引腳。

需要注意的是，熱敏電阻的特性具有一定的非線性，因此在處理電壓信號時可能需要進行一定的校準和調(diào)整，以保證測量的準確性和精度。同時，電路中的電阻和供電電壓等參數(shù)也需要根據(jù)具體情況進行合適的選型，以保證電路的穩(wěn)定性和可靠性。

此外，在實際應用中，為了防止電路因為潮濕等因素而產(chǎn)生短路等問題，還需要考慮對電路進行一定的防水和防潮措施。對于需要在戶外使用的土壤濕度檢測電路，應該采取更加嚴格的保護措施，以確保電路能夠長期穩(wěn)定地工作。

3.5? PM2.5檢測電路

PM2.5檢測電路是一種用于檢測室內(nèi)或室外大氣污染的電路，可以測量空氣中的微塵顆粒濃度。如圖2中PM2.5檢測模塊電路圖所示。

在這個電路中，GP2Y1010AU0F是一種射狀光學氣敏檢測傳感器，利用靜電吸附原理測量空氣中PM2.5等細小塵埃顆粒的濃度水平。電路中的LM358N是一個雙路運放，用于增益和濾波信號，從而得到更精確的測量結果。

電路中的R1是上拉電阻；R2和R3是一個電阻分壓器電路，用以將GP2Y1010AU0F輸出的模擬信號轉換為一個與PM2.5濃度成比例的電壓信號；OUT1和OUT2則是運放增益模塊的輸出信號端，用以輸出轉換后的電壓信號。

電路中的C1和C2是濾波電容，用于濾除傳感器輸出端的高頻噪聲和對電路的穩(wěn)定性提升。此外，電路中的電容、電阻等元件的參數(shù)也需要根據(jù)實際情況進行合適的調(diào)整和選型。

需要注意的是，GP2Y1010AU0F傳感器本身具有一定的靈敏度范圍和響應速度，因此在電路設計和使用過程中需要考慮這些因素的影響。此外，需要定期進行傳感器和電路的校準和維護，以保證其檢測結果的準確性和穩(wěn)定性。

3.6? 雨滴檢測電路

雨滴檢測電路是一種用于檢測下雨情況的電路，可以應用于智能家居、智能花園等領域。常用的雨滴檢測電路使用電極加電法，即利用兩根電極并聯(lián)來檢測降雨情況，并通過比較兩電極之間的電阻值來判斷雨滴是否落在了電極之間。如圖2中雨滴檢測模塊電路圖所示。

在這個電路中，RAIN SENSOR是一個雨滴感應器，其內(nèi)部含有一個觸發(fā)靈敏的電極。當感應到雨滴時，電極之間就會產(chǎn)生一定的電阻，從而改變電路的狀態(tài)，從而檢測到是否下雨。電路中的D1～D4是四個二極管，用于保護電路不被倒流和過電壓等問題所損壞。IN1是一個輸入信號引腳，用以控制電路開關狀態(tài)，OUT1和OUT2是輸出信號引腳，用以輸出檢測結果。

需要注意的是，電路中的電阻、電容、二極管等元件的選型和參數(shù)設置對電路的性能和檢測結果具有重要影響，需要根據(jù)具體情況進行調(diào)整。在實際應用中，還需要根據(jù)電路的具體使用場景，采取合適的防水和防腐措施，以確保電路和設備能夠長期穩(wěn)定地工作。

3.7? 光照檢測電路

光照檢測電路是一種用于測量環(huán)境光照強度的電路，常用于實現(xiàn)智能家居、自動照明等功能。如圖2中光照檢測模塊電路圖所示。

在這個電路中，LDR是一種光敏電阻，其電阻值會隨著環(huán)境光照強度的變化而變化。電路通過測量LDR的電阻值，來判斷環(huán)境光照的強度。

電路中的R1是上拉電阻；R2和C1是一個RC低通濾波器，用以去除LDR輸出信號中的噪聲和波動；OUT1和OUT2則是濾波后的輸出信號端，用以輸出轉換后的電壓信號。

電路中的R3和C2是另一個RC電路，用以進一步濾波信號，并提升電路的穩(wěn)定性和精度。電路中的D1是一個LED指示燈，用于顯示電路工作狀態(tài)。此外，電路中的電阻、電容等元件的選型和參數(shù)設置對電路的性能和檢測結果具有重要影響，需要根據(jù)具體情況進行調(diào)整。

需要注意的是，LDR具有一定的時間響應和非線性特性，因此在電路設計和使用過程中需要考慮這些因素的影響。

3.8? 紅外檢測模塊

紅外檢測模塊是本裝置控制灑水量的核心模塊，通過對道路車輛和行人的檢測，判斷有無行人和車輛，通過和STM32嵌入式單片機配合，有效避免了將水灑在人和車上所造成的怨聲四起的現(xiàn)象，維護了市區(qū)形象。如圖2中紅外檢測模塊電路圖所示。

3.9? 裝置軟件設計

裝置程序開始后，啟動環(huán)境監(jiān)測裝置中的DHT11數(shù)字溫濕度傳感器、紅外傳感器、光敏傳感器、PM2.5模塊，將收集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂蒲b置中進行分析處理，當控制裝置檢測到發(fā)來的運行指令后，會根據(jù)指令包中的功能標志字符來實現(xiàn)水壓控制，自動轉向噴頭工作，以及灑水等功能的執(zhí)行。檢測關鍵代碼如下：

if（UT==1）

{printf（"x1.val=%d＼xff＼xff＼xff"，Soil_moisture（））; //土壤濕度采集打印

delay_ms（1）;

printf（"add 1，1，%d＼xff＼xff＼xff"，Soil_moisture（）/10）;//打印曲線

delay_ms（1）;

printf（"x5.val=%d＼xff＼xff＼xff"，pm25（））; //pm2.5采集打印

delay_ms（1）;

printf（"add 2，2，%d＼xff＼xff＼xff"，pm25（）/10）;//打印曲線

delay_ms（1）;

printf（"x4.val=%d＼xff＼xff＼xff"，rain（））; //雨量采集打印

delay_ms（1）;

printf（"add 2，1，%d＼xff＼xff＼xff"，rain（）/10）;//打印曲線

delay_ms（1）;

printf（"x2.val=%d＼xff＼xff＼xff"，guang（））; //光照強度打印

delay_ms（1）;

printf（"add 1，2，%d＼xff＼xff＼xff"，guang（）/10）;//打印曲線

delay_ms（1）;

DHT11_Read_Data（&temp，&hum）;? ? ? ? ? ? ?//溫濕度采集

printf（"x3.val=%d＼xff＼xff＼xff"，temp*10）; //溫濕度打印

delay_ms（1）;

printf（"add 2，0，%d＼xff＼xff＼xff"，temp）;//打印曲線

delay_ms（1）;

printf（"x0.val=%d＼xff＼xff＼xff"，hum*10）;

delay_ms（1）;

printf（"add 1，0，%d＼xff＼xff＼xff"，hum）;//打印曲線

delay_ms（1）;}

UT=2;

if（UT==2）

{printf（"土壤濕度=%d＼r＼n"，Soil_moisture（））; //土壤濕度采集打印

delay_ms（1）;

printf（"pm2.5=%d＼r＼n"，pm25（））; //pm2.5采集打印

delay_ms（1）;

printf（"雨量=%d＼r＼n"，rain（））; //雨量采集打印

delay_ms（1）;

printf（"光照強度=%d＼r＼n"，guang（））; //光照強度打印

delay_ms（1）;

DHT11_Read_Data（&temp，&hum）;? ? ? ? ? ? ?//溫濕度采集

printf（"溫度=%d＼＼r＼n"，temp*10）; //溫濕度打印

delay_ms（1）;

printf（"溫度=%d＼r＼n"，hum*10）;

delay_ms（1）;}

delay_ms（1000）;}

4? 實驗測試與分析

該裝置供電之后開始運行，紅外檢測裝置會檢測道路情況，當檢測到道路上有行人時，灑水裝置自動關閉，不進行灑水。當通過雨滴傳感器檢測到下雨時，灑水裝置也自動關閉，不進行灑水，且灑水裝置會根據(jù)PM2.5在空氣的含量以及溫濕度進行線性灑水。最后將數(shù)據(jù)傳輸?shù)酱谄辽厦?，供工作人員進行操作[8-10]。實物如圖4所示，監(jiān)測信息如圖5所示。

在對該裝置的灑水狀態(tài)進行測試時，我們選取了甲乙丙三種不同的場景，其路面面積和道路長短都相同，三種場景如下：甲（霧天）如表1所示，乙（晴天）如表2所示，丙（道路擁擠）如表3所示，?。ㄏ掠晏欤┤绫?所示。采用新型道路自動灑水裝置進行灑水降塵。并將其命名為Ⅱ組，將傳統(tǒng)灑水車灑水降塵命名為Ⅰ組。在進行實際測量時，因條件有限，我們選擇了以1：500復刻道路，取得部分實驗數(shù)據(jù)如下所示，整體的誤差在5‰左右。

從實驗數(shù)據(jù)來看，Ⅱ組（新型灑水裝置）在灑水成本、灑水時間沖突、灑水時間、投訴率上面的優(yōu)勢表現(xiàn)遠遠超過Ⅰ組（傳統(tǒng)灑水）。

5? 結? 論

對基于物聯(lián)網(wǎng)的道路自動灑水技術進行了研究，給出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)深度集成的新型市區(qū)道路自動灑水裝置的裝置設計方案，實現(xiàn)了智能控制技術與基礎綠化機器的結合，該裝置采用以STM32為核心的控制裝置分析整合數(shù)據(jù)，通過人工智能實現(xiàn)道路自動灑水降塵。同時通過對道路的分析，控制各個環(huán)境變量，保證了作業(yè)效果和效率。最后將數(shù)據(jù)反饋到串口屏，做到實時監(jiān)控，協(xié)助相關人員工作。該裝置可改變傳統(tǒng)的人工操作方式，實現(xiàn)了無須大量人力就可以大面積的自動道路精準定量灑水降塵，節(jié)約了資源。

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作者簡介：左安峰（2002—），男，漢族，山東日照人，本科在讀，研究方向：電子信息工程；謝雨欣（2001—），女，漢族，河南濮陽人，本科在讀，研究方向：軟件工程；李麗欣（1956—），女，漢族，山東德州人，副教授，本科，研究方向：電工電子；韓祥森（1994—），男，漢族，山東淄博人，講師，本科，研究方向：電子與通信技術、智能控制；徐光龍（2001—），男，漢族，山東濟南人，本科在讀，研究方向：電子信息工程。