基于物联网的智能花卉养护系统的研究-李阳.pdf

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1、liIlllllllll Jll rlllllllll rllllllll Jllllillll rllY3217010分类号I T DC密级公最|哦产篝硕士研究生学位论文基于物联网的智能花卉养护系统的研究申请人：学 号：培养单位：学科专业：研究方向：指导教师：完成日期：李阳2141043物理科学与技术学院光学光电信息技术蔡喜平教授2017年3月4 13万方数据分类号U D C_-_密级一公开舅蠢庐夕擎硕士研究生学位论文基于物联网的智能花卉养护系统的研究申请入：学 号：培养单位：学科专业：研究方向：指导教师：完成日期：李阳2141043物理科学与技术学院光学光电信息技术蔡喜平教授2017年3月

2、4日万方数据中文摘要删删0；中文摘要互联网技术的发展促进了智能化时代的进步，智能家居开始出现在人们的家庭生活中，智能设备逐渐取代了传统的人力劳动，极大地减轻了人们的生活压力。物联网作为互联网技术的拓展，促进了智能家居发展，使系统中的设备与设备之间的信息传递更加便利。智能设备之间的信息传递方式包括有线通信和无线通信两种，目前的技术发展以无线通信方式为主。白光LED可见光通信作为无线通信的一种，以其绿色健康、通信速率高的优点开始应用在智能家居系统中。智能家居设备可分为服务型智能设备和智能家电设备，本文研究的智能花卉养护系统就是一款服务型智能设备。本文研究的智能花卉养护系统是利用湿度传感器检测植物土

3、壤湿度，将湿度信息通过无线通信方式传递至智能浇水设备中，当智能浇水设备检测到接收信息为缺水信号时，智能浇水设备自动分析缺水植物的位置信息，根据位置信息按照预设路线行走至缺水植物，根据植物属性开始执行浇水任务，实现植物的智能养护。实验中信息传递采用的是白光LED可见光通信的无线传输方式。智能浇水设备将可见光通信接收端与智能小车设计相结合，实现了信息接收的同时也完成了浇水的任务。研究的智能花卉养护系统与传统的虹吸原理浇花方式相比，能够实现按需浇水，按植物品种需求浇水，能更加智能化的控制植物土壤湿度，更有利于植物生长。关键词：智能家居；智能花卉养护系统：物联网；可见光通信万方数据黑龙江大学硕士学位论

4、文AbstractThe development of Intemet technology to promote the progress of theintelligent eraSmart home based on artificial intelligent is gradually changing ourlivesTraditional human labor is being replaced by intelligent machinesIntemet ofthings as the expansion of Intemet technology has great posi

5、tive promotion to theintelligent home，which makes the information exchange between the machines orequipments more convenient and effectiveThe communication between intelligentdevices may be wired or wirelessHowever，for the sake of convenience in homeapplications，wireless communication is more approp

6、riateComparing to radiocommunication，white LED-based visible light communication is more favourable to beused in home since the advantages of non-radiation，energy saving，and ultrahigh rate ofmodulationIntelligent home equipment can be divided into serviceoriented intelligentdevices and smart home ap

7、pliances，this study of intelligent flower conservationsystem is a service-oriented intelligent equipmentIn this thesis，intelligent flower conservation system is the use of humiditysensors to detect plant soil moisture，the humidity information through wirelesscommunication to the intelligent watering

8、 equipment，when the intelligent wateringequipment to detect the receiving information for the water shortage signal，intelligentwatering equipment automatic analysis of the location of the water shortage of plants，according to the location information in accordance with the default route to the water

9、shortage of plants，according to the plant properties began to carry out watering tasks，to achieve intelligent plant conservationIn the experiment，the informationtransmission adopts the wireless transmission mode of the white LED visible lightcommunicationIntelligent watering equipment will be visibl

10、e light communicationreceiver and intelligent car design combined to achieve the information received at thesame time also completed the task of wateringThe study of intelligent flower万方数据Abstractconservation system compared with the traditional siphon principle of watering way，toachieve on demand w

11、atering，according to the plant variety needs watering，can bemore intelligent control of plant soil moisture，more conducive to plant growthKeywords：smart home；smart flowers curing system；the internet of things；visiblelight communication万方数据黑龙江大学硕士学位论文目 录中文摘要IAbstract1I第1章绪论111课题研究的背景和意义112国内外研究现状313本

12、论文研究的主要内容和结构安排6第2章智能浇水系统的设计与实现721系统总体结构722湿度传感器823调压电路的设计924智能浇水控制设备的设计1225本章小结13第3章可见光通信的设计与实现1431可见光通信系统简介1432可见光通信系统发射端的设计14321发射端信号的产生15322 LED驱动电路的设计1733可见光通信系统接收端的设计18331接收电路的介绍18332接收信息的处理1834可见光通信系统测试1935本章小结20第4章基于物联网的智能花卉养护系统实验2141物联网系统的介绍21V万方数据目录42智能花卉养护系统物联网2243系统实验中程序设计23431信息采集发送端程序设计

13、23432信息接收处理端程序设计24433智能浇水设备导航的设计一2644系统实验测试28441通信数据传输测试28442信息采集发送端测试29443信息接收处理端测试3145实验测试结果及分析3346本章小结35结论36参考文献38致谢43独创性声明44V万方数据第1章绪论第1章绪论11课题研究的背景及意义2l世纪是一个信息化时代，网络技术、计算机技术、控制技术及人工智能技术的飞速发展，极大地改变了人们的工作和生活方式。现代社会已经进入了网络化、数字化和智能化的时代，智能家居、物联网等技术正在逐渐进入人们的家居生活中【卜21。这些新技术极大地将人们从繁重的家务劳动中解放，从而大大提高人们的生

14、活质量。人们在充分享受现代技术发展的同时，对家居的智能化提出了更高的要求，这进一步推动了智能家居技术的发展3】。一个完整的智能家居系统由传感器模块、通信模块和智能处理模块构成，传感器和通信模块安装于家用设施中。传感器模块用于实现对设备的状态进行监测和操作控制，通信模块用于实现传感器模块与智能控制终端的通信。智能控制终端既可以是远程控制终端，也可以是本地控制终端，既可以是移动控制终端，也可以是桌面控制终端。智能家居产品种类繁多，不管是电器还是非电器设备，都可以成为智能家居设备。这些智能设备有些没有接入互联网如扫地机器人，有些可以接入互联网如智能冰箱等设备，这些设备通过接入互联网可以实现由用户通过

15、移动设备或PC终端进行远程控制，从而发挥更大效能。物联网是在互联网基础上增加了传感器感知、射频识别以及无线网络等技术，从而实现物与物之间的日常网络交互【4】。而智能设备与智能设备之间可以联网形成物联网系统，使设备与设备之间通过通信而相互传递信息交换数据。智能家居只有接入物联网才能实现对家居的远程监控，也才能实现设备与设备的信息交换和共享，更好的提高设备的智能化【s石】。接入物联网的智能家居之间通过信息交换实现智能化识别、定位、跟踪、管理和控制，可以实现协同工作，从而提高整个家居系统工作的可靠性7-81。在智能家居物联网系统的研究中，传感器模块、智能控制模块和通信模块是实现家居智能化的关键技术。

16、日前，物联网系统大多数都采用包括ZigBee、GPRS、蓝牙和W1FI等无线通信方式进行信息传递【9】。1-述通信手段都是基于无线电通1万方数据黑龙江大学硕士学位论文信，存在着通信速率不高；易受电磁干扰；有电磁辐射；对人体健康存在着潜在危害；保密性差，容易产生信息泄露等问题【Io】。而在家庭应用中，既要满足高通信速率，又要尽可能减少电磁辐射，更需要防止信息泄露。在智能家居系统中为了解决以上问题，对系统中进行数据传输的通信模块要求较高。目前，智能家居中的通信模块主要以无线通信为主。无线通信技术主要包括无线电通信和光通信两种，相比于无线电通信，光通信具有明显优势：通信速率高，单信道光通信速率己达到

17、Tbps，而无线电通信速率仅为百MbpsIll；以光波为载波的光通信无电磁污染，不会对人体健康造成危害【121；光通信不占用无线电波频段降低了信号的不稳定性和通信经常断线等问题【13-14】；另外，光波属于视线传输，因此保密性极强15-16】。可见光通信是光通信中的一种，以白光LED为光源的可见光通信既具有光通信的通信速率高等优点，还具有能量损耗低的优点。日本学者提出可见光通信后，各国研究人员开始通过研究光源的调制方式将其通信速率进行提高，调制方式从SCIPPM技术到OFDM技术再到MIMO技术，其通信速率己达到1Gbs17-191。在家庭中LED因其无污染、寿命长、响应灵敏度高、低功耗、良好

18、的调制特性等优点，既可以作为照明光源，又可以作为通信光源，因此可见光通信手段非常有利于进行智能设备物联网络的组网【20-22】。智能家居系统中智能设备的种类可以分为两种：一种是智能化的家用电器如冰箱、电饭煲等，另外一种是如扫地机器人等智能化的服务型智能设备。智能化的家用电器技术发展速度相对要快一些，而智能化的服务型设备，目前基本上仍处于概念研究阶段，本论文所研究的智能养花系统就是属于服务型智能设备。智能养花系统的设计目的主要是为了解决花卉的智能养护，通过土壤湿度传感器实时检测土壤湿度，当土壤湿度达到临界缺水状态时，通过无线通信向智能控制终端发送请求补水信号，智能控制终端收到请求信号后，向智能补

19、水车发出补水指令，自动补水车通过导航模块自动发现缺水花卉，并按要求水量进行补水。该系统中采用白光可见光通信手段实现花盆与控制终端之间的指令发送和接收。本论文设计的基于物联网的智能花卉养护系统既解决了花卉智能养护的问题，又满足了人们绿色健康的牛活理念。万方数据第1章绪论12国内外研究现状智能家居是利用物联网将人们日常生活中的各种家电设备连接起来形成一个智能家电平台，为人们提供舒适、安全、便利的生活环境。智能家居系统的雏形是美国的智能建筑，家庭电话联盟方案的提出为智能家居系统奠定基础【23-24。1998年新加坡推出了包括可视化对讲、安全报警、家电控制等的智能化系统，智能家居系统开始应用于家庭中【

20、25_6】。在2003年三星公司推出了利用机顶盒和网络实现智能家居控制系统，次年在韩国安装了“homerita”家庭网络系统实现了家庭资源共享和管理，同时也正式的将智能家居系统应用于生活，目前，韩国采用智能家居系统的项目在80以上，产生了许多知名的智能家居品牌【27-281。2004年海尔公司组建了“e家佳联盟”，这是中国首个应用的智能家居系统【29】。随着智能家居技术的成熟以及物联网的发展，智能家居得到了崭新的发展。在1995年比尔盖茨未来之书中提出物联网这一概念【30l，在2005年国际电信联盟(ITU)对物联网概念进行了重新定义【3l】，物联网系统实现了各个设备之间的连接和信息共享，为智

21、能家居技术的发展提供了新的技术方法。智能家居系统中的智能设备从最早的安全警报设备发展到现如今的各种监控设备，从有线设备到无线设备，从智能化设备发展到服务型设备，其技术的发展速度非常快32】。智能家居系统中服务型设备服务项目包括做饭、打扫卫生、喂养宠物、室内盆栽植物浇水等等，其服务类型的多样化使得智能家居系统为人们带来更多便利生活【33l。本文研究的智能花卉养护系统正是智能家居系统中服务型设备。研究智能花卉养护系统的目的，主要是为了解决花卉养护过程中的一些技术问题，比如湿度、温度、光照、酸碱度、营养成分等。不同的花卉所需要的养护手段不同，通过智能花卉养护系统，可以有针对性的对不同花卉采取不同的养

22、护手段。本论文只是解决了花卉养护中的一个问题一一浇水问题。这不仅可以解决日常的养护问题，同时也特别适合于解决主人外出时的养护问题。目前国内外有许多能够实现植物智能培育的设备，但其技术手段差异较大。国外在智能植物培育方面最早是从植物的灌溉技术开始的，人部分是通过设定浇万方数据黑龙江大学硕士学位论文灌时间来实王见3。】。McCready等人针对植物蒸腾量和土壤湿度进行研究提出智能灌溉3Sl；Vdlidis等人针对土壤参数研究了一款智能无线传感器阵列，采集土壤温湿度实现智能控帛lJ36；Faye RM和MoraCamino F等人将气象和水文等信e,Jl入灌溉系统中，提出自适应的灌溉系统【3，】。随

23、着传感器的发展，湿度传感器引入智能灌溉系统中，智能灌溉技术也开始注重在智能浇花方向的发展。英国的娜塔莉金设计了一种“智能花盆”，该花盆采用了湿度和温度传感器和光照传感器对植物进行监测，如果生长不达标会提醒主人采取措施38】。该花盆的设计起到了监测植物长势的目的，却缺少了自主养护的功能。Click and Grow是一款设计灵感来自于美国国家航空航天局的智能花盆，它可以实现自动浇水以及施肥功能【39】。英国的瑞贝克皮特森发明的一款智能花盆，该花盆可以监控植物湿度和温度，当主人靠近时它可以通过发出不同声音来表达自己的需要【40】。日本东京农工大学的水内郁夫教授研制了一款名叫“Plantroid”的

24、花盆机器人，该产品上装有6块硅太阳能电池板和电机驱动轮子，可以根据植物需要移动花盆来调节植物的温度和光照，该产品的设计满足了植物对光照的需求，却缺少了解决植物对水分需求的问题14I】。Lilo是法国Pret a Pousser团队推出的智能花盆，该花盆的设计是通过创建种子舱来培育植物42】。Plenty是韩国研制的一款智能花盆，该花盆可以实现远程浇水以及环境分析【43】。从互联网中查询资料得知目前国外针对智能浇花装置已有产品出售，包括如下产品。Niwa团队设计的一款智能家居花草护理产品“Niwa”，它是一个利用手机控制的迷你温室，它使用了一系列的传感器和制动器创造一个非常适合植物生长的环境，在

25、植物需要时还可完成浇水施肥工作。SmartGreenHouse智能产品是一款植物照护产品，它是专门为植物定制的，内部设有适合植物生长的气候条件包括温度和湿度。Niwa团队的设计和SmartGreenHouse智能产品在对植物的智能培育方面是理想的，但却忽略了人们养花不单单是观赏而是植物创造良好空气环境的功能。荷兰的Pikaplant团队设计了一款PikaplantOne花架，该设计模仿天然地下水干湿循环，能增加空气湿度，让主人一个月侍弄一次花草。PikaplantOne花架的设计是通过改变室内空气湿度来减缓植物缺水的问题，并未真正解决植物自丰培育的目的。Parrot公司推出的4万方数据第1章绪

26、论Parrot FlowerPower植物健康传感器，是全球首个无线的智能植物监测器，利用移动App监测植物土壤湿度、肥料水平、环境温度和光照强度，H20是第二代的Flower Power，它配备了更为精准的监控能力增加了浇水功能。国外的各种智能设备主要是以检测植物温湿度为主，缺少对缺水植物浇水的功能。我国在该智能设备的研制上更加注重植物土壤湿度的控制，目前市场上现有的可以保持花卉水分的装置大部分是采用虹吸原理来控制花卉水分，以及利用定时控制对花卉进行定时定量浇水【44】。2014年通达绿景科技推出JUST GROW智能花盆，该产品在花盆上设置提示灯，根据指示灯提示进行浇水451。2015年合

27、鸣科技研制一款实现喷雾浇水的智能花盆，该花盆只需要定期向水箱加水即可46】。同年，微茫科技研制了一款名为“后花园”的智能花盆，该产品可以实现植物的补光以及土壤湿度的控*lJ47。2016年6月小米公司众筹一款名为“花花草草检测仪”的产品，这是国内目前比较先进智能的产品。该产品可以对植物的光照、土壤的肥力、温度和土壤湿度进行检测，并通过蓝牙设备将数据发送至用户手机，实现对植物长势的监测功能。市场上虽然缺乏植物培育的智能产品，但各个实验研究单位针对智能浇花的产品研究十分之多，杨守建等人研制了一款简易的土壤湿度检测装置，根据土壤湿度和植物生长所需湿度控制植物浇水量【48】。在2005年王峰和马妍霞提

28、出用8051单片机实现智能浇花，该装置是由湿度传感器、液位传感器、805l单片机、水箱、电磁阀等组成【49】。该设备的设计可以根据湿度传感器的数据判断是否对植物进行浇水，缺少对不同植物缺水量的判断，容易出现多浇或是少浇水的问题。在201 1年张兆朋设计了基于AT89S52的家庭智能浇花器，该设计实现了根据不同花卉品种定时定量浇花【50】。罗维设计了一款基于TRIZ理论的可控自动浇花装置，该装置可实现自动浇花并可控制水流量s11。2012年长春的赵丽、张春林设计了一款基于单片机的智能浇花系统，该系统优点在于可以利用独立按键选择花卉品种还可以通过LCD显示屏显示花卉信息【52】。2013年王得燕设

29、计了基于GPRS的手机远程控制浇花装置，该装置采用GPRS技术通过智能手机进行远程控制浇花装置进行工作【53l。2016年重庆理工大学的涂巧玲等人设计了基于GSM网络的智能植物浇水系统，该系统实现了将湿度发送至预留的手机号与万方数据黑龙江大学硕士学位论文中同时用户可以自己选择是否浇水以及浇水时长【5。】。智能植物培育设备由最初的对植物定时定量浇水发展到可以通过网络远程控制，其技术手段随着互联网的发展在不断进步，其应用范畴也随着智能家居的发展逐渐崭露头角。13本论文的主要内容和结构安排本文主要研究的是基于物联网的智能花卉养护系统的研究，该系统的目的是实现对花卉土壤湿度智能监控。所谓监控就是指监测

30、以及控制，利用湿度传感器对花卉土壤湿度进行实时在线测量，当湿度小于设定阈值范围时通过无线通信方式发送信息至浇水设备，并控制浇水设备对花卉进行浇水，达到对花卉湿度监控的效果。该系统物联网中网络层的搭建是利用可见光通信作为平台，采用异步串行通信协议作为通信网络协议。主要原因是可见光通信是室内无线光通信的一种，该系统既可以实现无线通信又可以实现家庭智慧照明。第一章介绍了论文的研究背景和工作意义，综述了智能家居系统及智能花卉养护系统的国内外研究现状。第二章根据智能浇水系统的设计目的，研究了调压电路、智能浇水设备，并对湿度传感器的特性进行了测量。第三章研究了白光LED可见光通信。根据通信系统的通信需求对

31、发射端和接收端电路进行了设计；利用CPLD作为控制板的核心元件设计了发射端发射信息的编码程序以及接收端信息的解码软件程序；并对可见光通信系统的通信性能进行测试，验证了系统通信的正确性。第四章研究了基于物联网的智能花卉养护系统。构建了智能花卉养护系统中的物联网；结合智能浇水系统与可见光通信系统的硬件设计对系统信息采集发送端、信息接收处理端以及智能浇水设备的导航路线进行了控制程序设计，并对系统信息采集端、信息接收处理端以及数据通信传输进行了实验测试；搭建了系统实验测试平台，介绍了系统实验测试过程并对实验结果进行了分析。万方数据第2章智能浇水系统的设计与实现第2章智能浇水系统的设计与实现21系统总体

32、结构智能花卉养护系统的设计主要目的是解决植物缺水问题，本系统是利用白光LED可见光通信实现对数据信息的无线传递；实验中采用的湿度传感器监测植物土壤湿度进而实现对植物长势的控制；智能浇水装置实现对花卉湿度控制。系统的整体设计思想是：利用湿度传感器对花卉土壤湿度信息进行采集，将采集到的湿度信息输出至信息采集控制板中，该控制板是以CPLD为核心控制元件，主要功能是对湿度传感器采集到的湿度信息进行分析编码，编码后的信息作为可见光通信发射端的信号源，经过可见光通信系统的发射端将信息发送出去，在接收端接收到光信号之后，经过接收端电路之后得到电信号，将电信号输入至信息处理控制板中，该控制板同样采用CPLD作

33、为核心控制板，主要功能包括对信号的解码，将解码后得到的湿度信息进行分析，得到具体花卉的属性信息和位置信息，并根据花卉的位置及属性信息来控制智能浇水设备的行走路线的预设以及对花卉浇水量的控制，完成浇水任务后浇水设备自动回到起始位置，进行下一次的监测任务。本系统的设计包括硬件的设计和软件的编写控制两部分，软硬件两部分的设计都秉持着简单易行，操作控制简单、设备价格低廉的目的进行设计，是为了能够满足人们对植物的养护需求的同时能够价格便宜实用。如图21是智能花卉养护系统设计的结构框架图。图21智能花卉养护系统的结构框图Fig2-l StructuI。e diagram of intelligent fl

34、owelS curing system7万方数据黑龙江大学硕士学位论文22湿度传感器湿度传感器是本实验中的基础，本实验中采用的是YL69湿度传感器，该湿度传感器的土壤检测探头感应面积大提高了导电性，表面镀镍防止生锈，延长使用寿命。湿度传感器是由土壤探头和湿度处理模块组成的，土壤探头与湿度处理模块通过导线连接，土壤探头检测后的信息需经过湿度处理模块得到具体信息，湿度处理模块包括电源正负极输入、电源指示灯、湿度开关指示灯、湿度阈值调节电位器、湿度数字量输出、湿度模拟量输出、LM393等。该湿度传感器的工作电压可控制在33V-5V之间，该设备中的比较器是采用的LM393，它的工作状态稳定，通过调节电

35、位器可以控制湿度阈值，湿度的可控范围较宽。该湿度传感器可以输出数字量和模拟量两种状态，在本实验中利用的是数字量的湿度信息，当设定好阈值后湿度低于设定阈值时输出高电平“l”，反之则输出低电平“0”。在对湿度传感器特性进行测试时测量的是模拟量输出电压值，根据输出情况对传感器的特性进行分析。如图2-2是土壤湿度传感器的实物图，黄色部分为湿度传感器的土壤检测探头，该部分使用时插入土壤当中，蓝色模块为湿度处理模块，该部分的四个引脚分别是电源正负极、湿度输出数字量和模拟量。图22土壤湿度传感器Fig2-2 Soil moisture sensol。在整体实验进行前对湿度传感器的湿度特性进行了测试，测试的目

36、的是了解湿度传感器的湿度特性以及其灵敏度。测试时的环境条件是室外温度在28左8万方数据第2章智能浇水系统的设计与实现右，对植物进行浇水确保水分适当且充足，调节湿度传感器的电位器，调制缺水状态即指示灯亮，在微调至指示灯灭，确定阈值状态。测试是测量花盆质量以及湿度传感器输出的模拟量，根据花盆质量与湿度传感器输出模拟电压值，对湿度传感器的特性进行分析。测量花盆质量的目的是测量花盆中含水量，也就是确定植物土壤湿度情况，利用电子称对花盆进行称重，利用万用表对湿度传感器模块模拟量输出端的电压进行检测。图23是根据测量数据得到的折线图，从图中可以看出随着花盆质量的减少也就是含水量的减少湿度传感器输出的模拟电

37、压升高，即可以总结出花盆湿度越低湿度传感器输出的模拟电压越高。根据测试结果可以看出虽然花盆土壤湿度与湿度传感器模拟输出量不成线性关系，但是湿度越低输出模拟量越大。从测试结果也可以看出湿度传感器的灵敏度良好，对测试本身不会造成影响，所以本实验采用该湿度传感器可行。花盆含水最与湿度传感器输出模拟电压的关系720 710 700 690 6,30 670 660 650 640 630 620 610蝈幽脚套辎花盆质量Ig)图2-3花盆含水量与湿度传感器输出模拟电压的关系Fig23 Correspondence of water content and the voltage measured wi

38、th the moisture sensor23调压电路设计智能设备的设计使用基础是供电，然而一款智能设备中涉及多种模块芯片等基础设备，不同的芯片设备正常工作电压却大不相同，所以智能设备的设计中各种调压电路的设计是非常重要的。在本实验中智能小车的驱动需要8V以上电压；98765432111i1J111，11万方数据黑龙江大学硕士学位论文水泵正常工作需要12V电压；CPLD工作电压是5V；而可见光通信接收端电路的工作电压则是士33V。由于实验中各个设备所需电压不同，同时还要满足将各种设备集中在智能小车上的需求，则如何获得所需电压则是硬件设计中一项重要的工作内容。本实验中采用可充电电池作为主要电源

39、，其他设备所需电压则是根据其自身需求进行电路设计，对电压进行升压降压等处理。主要电源是由两节37V的可充电电池组成得到74V电压，该电源电压经过L293D电机驱动电路将信号电压放大后提供给智能小车，驱动智能小车的电机工作。L293D电机驱动电路的设计采用了两块L293D芯片，目的是将输入端信号电压放大，使得电机正常工作。该驱动电路可控制四路直流电机，由8位信号输入端来控制。L293D是单片集成的高电压高电流电机驱动，可连接TTL逻辑电平，它具有过温保护，每个通道的电流输出峰值可达12A，内部集成双极型H桥电路。该驱动电路的设计不仅包括了电机驱动，还设计了降压功能，将输入的74V电压降至5V，且

40、有四个5V电压输出端口，这使得其他设备可以直接利用这四个电压输出端口，简化电路设计。在本实验中利用了三个该电机驱动电路的5V电压输出端口，一个端口是将其5V电压通过升压模块升压给L298N提供电压；一个端口是用来给CPLD供电；一个是将其5V电压作为电源经过降压电路以及极性反转电路给可见光通信接收端电路提供可利用的电压。LM298N是信号放大模块，常用于电机驱动，其正常工作的电压要求控制在12V左右。为该模块供电采用是将L293D模块的5V输出电压经过升压模块得到12V电压。升压模块选用的是可调升压模块，其芯片选用的是LM2577S，通过调节电位器来调节所升电压大小。该模块的输入电压在3V以上

41、可以响应，在本实验中输入电压是5V。LM298N作为电机驱动的一种，可以驱动直流电机也可以驱动步进电机。该模块驱动直流电机可以驱动两路电机，是由四路输入信号控制，每两路输入信号控制一路输出，当两路输入信号高低电平不同时输出端可供电机正常工作，输入信号相同时停止工作。在本实验中利用LM298N控制直流电机，目的是将CPLD中信号电压放大提供给水泵，使得水泵能够按照指令正常工作。可见光通信系统中接收端电路的电源电压为土33V，在本实验L|J为了简化电】0万方数据第2章智能浇水系统的设计与实现路采用智能小车电机驱动模块中5V电压输出端口供电，但是需要将5V电压进行降压以及极性反转得到33V和33V电

42、压。在本实验设计中采用AMSl 1 17进行降压得到33V电压，利用34063芯片设计极性反转得到33V电压。如图24是利用AMSll 17和34063设计的降压和极性反转电路。该电路的设计是5V电压输入经过AMSll 17芯片降压得到33V电压，将33V电压作为输入经过34063芯片电路进行极性反转得到33V电压，得到的+33V电压和33V电压作为可见光通信接收端电路电源输入。在本实验中选用AMSll 17进行降压设计是因为该芯片可以直接降压出固定值，是一个正向低压降稳压器，且该芯片内部集成了限流电路以及过热保护电路，具有l的精度，适用于电池充电器、移动电话、电池供电系统、便携设备等。340

43、63的极性反转效率可达65所以在本实验中利用34063进行极性反转设计得到33V电压。34063芯片器件是双极型线性集成电路，内部集成了比较器、可控占空比的振荡器、可自动温度补偿的基准电压发生器，该芯片的输入电压可控制在25V40V，输出电压可以利用电位器调节输出值。图24降压和极性反转电路Fig2-4 Buck and polarity inversion circuit上文介绍的电路的调压设计主要应用在系统的接收端应用，在系统信息采集端和发送端的电源采用的是双路可跟踪直流电源供电。信息、采集端的土壤湿度传感器可使用电压范围是在33V-5V之间，所以在本实验中直接利用信号发送端万方数据黑龙江

44、大学硕士学位论文CPLD的电源输出信号对其进行供电。实验中可见光通信发射光源采用的则是直流电源进行供电，电压调节至55V进行使用。24智能浇水控制设备的设计智能浇水设备是本实验中又一重要部分，该设备的制作目的在于能够完成对植物进行浇水的行为。智能浇水设备的制作必须要包括水泵以及装水装置才能实现对植物进行浇水，在本实验设计中要求浇水设备可以按照固定预设路线自动寻找缺水植物并对其进行浇水，所以为了满足该条件实验中采用智能小车来实现其自动行走的目的。本实验中信息的传输采用的是可见光通信的无线传输，土壤湿度传感器的湿度信息作为整个系统信号的发送端与可见光通信发射端相结合，信息接收端设备电路则与智能浇水

45、设备相结合，目的在于实现无线信息传输的智能浇花。所以在智能浇水设备的设计上添加了可见光通信系统接收端，包括接收端电路、光电探测器以及调压电路。如图25所示，该图为智能浇水设备模拟框图。下文将对设备中的各个设备进行详细介绍。图2-5智能浇水设备模拟框图Fig2-5 Structure ofthe intelligent watering module水泵是达到浇水目的的必备设备，在本实验中水泵的作用就是将装水设备中的水通过水泵浇灌至植物土壤中。本实验中的水泵是小型家用水泵，一般用作鱼缸循环水、定时浇花、洗车抽水、鱼缸换水等，它的工作电压为2V-16V，工作电流为lA，一般采用9V或者12V电压进行工作，本实验中采用12V电压供电，1，万方数据第2章智能浇水系统的设计与实现利用LM298N电压放大模块进行电压控制。而在本实验中为了简单方便所以装水设备则是选取了大的塑料瓶，目的是方便加水控制盛水量以及简洁。智能小车选取的是四驱动智能小车，主要原因是四驱动小车底盘相对大小适中，可以将信号接收端集中整合在其中，并且占地面积小。四驱动智能小车的控制在本实验中是利用C