基于STM32微控制器的沙漠植樹車設計與實現

中國擁有廣闊的沙漠、戈壁以及荒漠化土地，三者合計面積為3.96×106 km²，占據國土面積的41.3%，同時人類對資源的開發活動，產生了許多的生態問題，加劇了土地荒漠化。現如今生態保護、綠色發展成為新的時代口號，《關于推動城鄉建設綠色發展的意見》，更是促進了更多的人和企業參與到了環境保護型發展領域當中^[1]。在城鄉綠色發展的同時，我們的目光也關注到了偏遠的沙漠地區，在這些荒涼的大戈壁上，綠色發展更顯得尤為重要。《關于加快推進生態文明建設的意見》鼓勵著我們投身于生態文明建設的發展，對于荒漠而栽種綠色植被是抵御它最有效措施^[2]。但是，荒漠化地區植樹成本高，成活率低，無法實現短時間大規模精準化種植，且國內現有植樹車結構較為簡單，操作復雜，環境適應能力差，針對以上問題我們設計了一款應用于土地荒漠化，使用方便、高效率的沙漠植樹車。

1 概述

對于當前荒漠地區植樹難，耗費大，無法精準種植等問題，本文所介紹的沙漠植樹車使用STM32F103 微控制器作為主控，配合esp8266 無線模塊將運動數據傳輸到上位機，遠程控制直流電機、步進電機等實現植樹車運動和植樹工作。因此可以極大的減少人力投入，并能快速、準確的完成沙漠的植樹工作。在保護環境的同時，積極的響應國家號召，保護生態環境，實現綠水青山就是金山銀山的總體目標。

2 植樹車系統設計與實現

2.1 機械結構設計

2.1.1 沙漠植樹車整體結構

植樹車借鑒越野車框架，能夠實現在沙漠環境下的穩定行走，因此也保證了種植的精準度，實現樹苗高種植率的目標。除此之外，植樹車機械結構還集結了鉆孔機構、送苗機構、灌溉機構、掩埋機構、運動驅動機構，保證植樹機結構穩固，實現沙漠植樹功能一體化，其主要結構見圖1。

圖1 沙漠植樹機

2.1.2 空心鉆頭打孔機構

空心鉆頭設計成螺旋結構，鉆頭底部設計成錐形空心結構，如圖2 所示。一方面便于給地面更大壓強，加速打洞，另一方面便于高壓水槍進行注水操作，兩者同時工作出土效率更高打洞更快。空心鉆頭頂部具有齒輪結構，目的是與另一齒輪嚙合，在電機的帶動下，實現鉆頭旋轉這一運動。

圖2 打孔新型空心鉆頭

移動裝置主要由絲桿電機組成，如圖3 所示。左右兩個電機的帶動下，使空心鉆頭可以準確垂直的鉆向沙土中，電機設計成左右兩個，既加大了鉆頭向下的鉆的力度，又實現了限位的功能。

圖3 鉆頭移動裝置

空心鉆頭的設計，使得植樹機在鉆孔過程中與注水結合為一體，樹苗栽種的同時完成灌溉，減少表層水分的蒸發，提高了樹苗的成活率。實現種植效率的最大化并且保證了更高的精確性、穩定性、安全性、環境適應性，進一步阻止了土地荒漠化的擴散。

2.1.3 送苗機構

該機構主要由樹苗分苗器、分苗滾筒組成，如圖4、圖5。樹苗分苗滾筒由步進電機控制，轉筒表面為凹槽設計，保障桿狀的植物可進入凹槽裝置，之后滾筒旋轉，當樹苗被攜帶到與樹苗暫存盤成60°時，樹苗滑進至分苗器，完成分苗；之后分苗器在伺服電機的帶動下，進行旋轉傾斜，傾斜至75°時樹苗滑進至空心鉆頭內部，掉落至空洞中，自此完成樹苗分苗、正位等操作。

圖4 分苗器

圖5 分苗滾筒

2.1.4 覆土掩埋裝置

掩埋裝置主要由掩埋輪組成，如圖6。裝置位于植樹車尾部，與打孔位置位于同一直線，當完成植樹之一步驟之后，植樹車前進，掩埋裝置經過剛剛完成植樹的工作區域就會對攜帶出來的沙土進行向中間的掩埋，不僅使得樹苗更加牢固，更加的減少了水分的蒸發速率，大大提高了樹苗的成活率。

圖6 掩埋輪

2.1.5 機械結構優勢

植樹車采用全新機械結構，將傳統治沙方法進行全面改進，以機器代替人力^[3]，實現沙漠中自動化種植, 在大幅度提高種植效率的同時，大幅度提高種植的精確度，保證樹苗的成活率；另外，避免人直接暴露在沙漠中進行人工種植，減少人力付出，保證人員安全。

2.2 電控系統設計與實現

2.2.1 電控系統硬件

1）單片機模塊設計

主控板以STM32F103 微控制器為核心，通過esp8266無線傳輸模塊傳輸數據至云端^[4]，控制電機驅動模塊從而達到控制植樹車運動和工作如圖7。

圖7 植樹車電控框架圖

2）電機驅動模塊設計

植樹車使用了直流電機，步進電機，伺服電機等不同電機，所用配套的電機驅動模塊L298N 驅動直流電機完成對植樹車運動控制，如圖8，L298N 作為單塊集成電路，可直接控制高電壓、高電流馬達，不需要絕緣電路，可直接驅動雙路直流馬達，并且在單片I/0 輸出下L298N 的控制端電平可以改變，實現了控制馬達的工作方式。

圖8 L298N原理圖

ULN2003 驅動板，如圖9所示。通過驅動板驅動步進電機，單片機控制脈沖數來控制步進電機的角位移量，通過控制脈沖頻率來控制馬達旋轉數，實現植樹車精準送苗功能。

圖9 ULN2003 實物圖

2.2.2 電控系統軟件設計

本次使用的編程調試軟件為Keil_5 和STM32CudeIDE，以STM32 微控制器，搭配L298N、ESP8266、ULN2003 模塊實現植樹車運動和植樹功能控制。根據植樹車所要實現的功能，大致分為3 個部分，植樹車運動，植樹功能的實現，esp8266 連接上端云平臺控制STM32單片機的部分。工作流程見圖10。

圖10 軟件設計工作流程圖

首先進行準備工作：在植樹車后部裝有蓄水箱，對水箱進行注水，之后在樹苗暫存箱進行樹苗放置。啟動esp8266 無線傳輸模塊，使用STA+AP 模式接入到無線傳輸服務，實現與云端的互聯，通過云和esp8266 與STM32 微控制器發送植樹車運動或植樹命令^[5-6]。

準備工作完成之后進行植樹工作：首先通過兩個絲桿電機帶動空心鉆頭向下移動進行鉆孔，同時高壓水槍在水泵的作用下進行工作，完成鉆孔之后，樹苗正位機構的滾筒在步進電機的帶動下對樹苗進行分苗操作，樹苗掉入分苗器，分苗器在對應的伺服電機的帶動下傾斜75°，使得樹苗在重力作用下掉入鉆出的孔洞中。在車輪底部直流電機的帶動下，車輪進行定距移動，車尾部帶有掩埋裝置——掩埋輪，當車尾經過剛剛新植好的樹苗位置時，即可對剛剛鉆洞導致外漏的沙子和土壤進行掩埋操作，使得樹苗更加穩固，減少水分喪失。完成一次種植之后，即可進行之后的循環種植。

2.3 整車調試

為測試沙漠植樹車能否在沙漠地區工作，選擇在沙質地進行實地測驗，如圖11。沙質地柔軟，植樹車速度過快，會揚起沙塵，使電機負載過大，損壞電機。為解決這一問題，使用PWM 算法，減少脈沖輸出，降低速度，同時使植樹車能夠平穩運行^[7]。經最終測試，沙漠植樹車可以在沙漠及荒漠地區前行，植樹效率為1~2棵/min，滿足預期效果。

圖11 沙漠植樹車試車圖

3 結束語

沙漠植樹車能夠有效的解決沙漠地區植樹困難，人力成本高，栽種精度低的問題，作為新型沙漠植樹車，致力于解決土地荒漠化^[8]，為世界生態和人類環境做出貢獻，避免人類在惡劣環境下的工作，為沙漠地區植樹造林計劃，綠洲計劃帶來有效助力。

參考文獻：

[1] 關于推動城鄉建設綠色發展的意見 [J].云南農業,2022,398(3):9-12.

[2] 關于加快推進生態文明建設的意見[J].中國環保產業,2015(6):4-10.

[3] 李園奇,萬文濤,徐袁宏,等.一種便捷型一體化植樹機設計及分析[J].現代制造技術與裝備,2022,58(10):1-4.

[4] 馬浩欽,韓肖,李鑫宇,等.關于沙漠自動植樹機器人的創新設計分析[J].中國設備工程,2021(21):86-87.

[5] SANTOS L,COSTA T, CALDEIRA J M. et al. Performance assessment of ESP8266 wireless mesh networks[J]. Information,2022,13(5).

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[7] QU L, ZHANG B. Research of PWM converter control method in electric vehicle[C].2008 IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference.

[8] 劉海俐,孫紅梅.我國土地荒漠化和沙化及林業發展現狀與建議[J].現代農業科技,2018,718(8):161-162.

（本文來源于《電子產品世界》雜志2023年8月期）