基于STM32的农业智慧物联灌溉系统设计与实现

关键词：智慧灌溉；STM32；物联网；手机App

中图分类号：TP311 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2024）26-0004-03开放科学（资源服务）标识码（OSID） ：

0 引言

农业作为一个国家的立国之本，我国更是一个农业大国。根据国家统计局数据统计，我国的总耕地面积有12786.19万公顷，水田有3139.20万公顷，折合耕地面积为191 792.79万亩，水田为47 087.97万亩[1-3]。《中国水资源公报》的数据显示，我国的人均水量只能占据世界平均水平的1/4，虽然中国的总水量可达到31605.2亿立方米，但是由于我国人口数量巨大，人均水资源依旧较为贫乏。每年我国的农业方面的用水量占总用水量的70%左右，大约可达到4000亿立方米，其中，作为灌溉的水量又占据着农业用水量的90%左右[4-5]。当前中国农田灌溉面积有效的大约为10.37亿亩，其中有46.3%的灌溉农田实行了节水灌溉，节水灌溉面积仅有5.14亿亩。近几年，农业发展更注重农业的现代化方向，中央一号文件提出了大量关于建设现代化智慧农业和节能灌溉的新思想，为当前形势下农业的发展提供了重要指导和有力保障。2018年“实施乡村振兴战略”主要推进农机发展，加快智慧农业水利工程发展，扩大遥感技术和智能农业试验田的范围，继续推进数字农业研发[6-8]。

然而，我国农业灌溉技术相对落后，主要依靠传统的漫灌方式，智能化程度低，不仅难以适应现代农业发展的需求，更是严重滞后于美国、以色列等国家智慧灌溉技术。而且，浙江省温州市台风较多，一年四季雨水分布不均，梅雨季节降雨较多，容易造成洪涝灾害，冬春季节雨量较小，容易造成干旱，严重影响当地农业生产。因此，研发基于STM32的农业智慧物联灌溉系统，对于提高灌溉效率、节约淡水资源、促进农业增产增收具有重要意义。

1 系统整体研发方案

农业智慧物联灌溉系统研发与设计方案选择STM32F103C8T6单片机作为核心控制器，集成按键设置与控制模块、电机控制与灌溉模块、传感器信息采集模块、智能信息显示模块、智能人机交互模块、无线通信与远程监控模块等模块和功能。各个功能模块之间主要以STM32F103C8T6单片机作为核心，通过GPIO端口外接方式进行功能扩展，借助定时器、外部中断、串口通信等扩展功能。系统整体研发方案如图1所示。

本文以农业智慧物联灌溉系统为研究对象，融入物联网、大数据、云计算、人工智能、自动控制等相关技术，本系统主要研究开发内容如下：

1） 基于人机交互的远程智慧农业监控系统。

利用人机交互技术及远程通信技术实时监控农田环境，并将采集的数据传入远程客户端进行显示，实现远程控制和异常预警。

2） 基于物联网的智能灌溉控制系统。

基于农业监控系统并结合物联网技术，设计智能灌溉系统部分。根据种植农作物需水特性设计灌溉流程，满足不同农作物的水分需求。

3） 建立基于深度学习的灌溉预测模型。

基于TensorFlow 的高阶API—Keras深度学习框架，建立气温、空气相湿度、蒸发量预测模型。使用LSTM算法实现时间序列预测，利用Keras的Sequential 模型配置神经网络层与训练模式，每个模型使用不同的调控方式进行训练，最终通过绘制损失函数（Loss） 曲线并将预测结果与真实值对比来验证其模型准确性。

2 系统软件程序设计

本研发课题将基于STM32F103C8T6单片机搭建农业智慧物联灌溉系统，集成按键设置与控制模块、电机控制与灌溉模块、传感器信息采集模块、智能信息显示模块、智能人机交互模块、无线通信与远程控制模块等模块和功能。农业智慧物联灌溉系统集成开发环境与软件主要有MDK-Arm 集成开发工具、Keil、STM32CubeMX、JRE、串口调试助手等，采用C语言编写程序。具体控制流程如下：

1） 系统初始化设置：系统上电后，STM32F103C8T6单片机完成初始化，包括时钟配置、GPIO初始化、外设模块初始化等，显示屏显示：“欢迎使用农业智慧物联灌溉系统”，并进行语音播报。

2） 传感器信息采集：传感器采集数据较多，比如STM32F103C8T6单片机通过读取土壤温湿度传感器模块采集的土壤温度和湿度、光敏传感器模块采集环境光照数据、雨量传感器模块采集雨量数据、风速传感器模块采集风速数据等相关信息，并将检测情况与系统设定参数进行比较，判定是否执行阈值声光报警和防控等控制程序。

3） 液晶显示与智能控制：STM32F103C8T6单片机将获取的相关数据经处理转换后，驱动TFT-LCD液晶屏显示相关数据，通过语音交互与触摸按键等功能进行相关设置和调控。

4） 无线通信与远程控制：Wi-Fi通信模块自动将相关数据上传云平台服务器，手机App访问机智云平台服务器实时远程通信查阅相关信息。手机App通过云平台服务器向控制系统STM32F103C8T6单片机发送控制命令，STM32F103C8T6单片机不断查询Wi-Fi模块看有无来自云平台的新命令。当接收到新命令后，STM32F103C8T6单片机对系统相关功能模块进行控制。

5） 云平台大数据运算与处理：农业智慧物联灌溉系统涉及的传感器数据比较多，需要运用云平台采集和汇总相关数据，然后进行相关运算与处理，从而反馈给控制系统，做出正确操作与控制。

3 系统运行与测试

本农业智慧物联灌溉系统不仅结构牢固、功能全面，而且美观大方，操作方便，非常适合在现代农业中进行推广和普及。系统运行与测试主要包括数据采集与智能显示测试、按键调节与控制测试、人机交互与语音控制测试、手机App远程监控测试等，下面主要介绍温湿度环境数据采集测试和手机App远程监控测试。

1） 温湿度环境数据采集测试。空气温度、土壤湿度等对农作物的蒸腾、光合、病变影响较大。如蒸腾作用除了促进水分吸收，还是矿物质等营养运输的动力。空气湿度过大时，蒸腾作用减弱，植物运输矿质营养的能力就下降，植物生长将受抑制，导致植株长速降低，叶片脱落加重，花或种子生命力降低。同时，空气湿度过大或过小都会导致气孔关闭，植物气孔关闭，二氧化碳不能进入叶肉细胞，光合作用减慢甚至停止。农业智慧物联灌溉系统温湿度环境数据采集调试运行图片如图3所示，Moisture数据代表土壤湿度，GX数据代表光照强度，Temp数据代表环境温度，ZD代表自动模式（SD代表手动模式），set the Moisture 代表设置土壤湿度。左边图片中显示土壤湿度31%，光照强度15%，环境温度25℃，右边图片中设置土壤湿度22%。当采集到土壤湿度低于22%时表示土壤湿度太低，不能满足作物土壤湿度需求，系统会进行声光报警，同时自动打开水泵进行灌溉；当土壤湿度高于22% 时，表示土壤湿度正常，不需要进行智慧灌溉。

2） 手机App远程监控测试。在本智慧农业灌溉系统中采用手机App进行远程监测和控制，实时监测和显示光照强度、环境温度、土壤湿度等数据。如当前界面显示环境温度26℃、土壤湿度43%。可以通过发送数据到智慧农业灌溉系统进行无线通信和远程控制，如当土壤湿度低于临界值时就会打开水泵进行智慧灌溉。手机App远程监控和无线通信测试如图4所示。

4 结论

本文设计并实现了一种基于STM32F103C8T6单片机的农业智慧物联灌溉系统，实现了对农田环境的实时监测和智能灌溉控制。通过开发基于人机交互的远程智慧农业监控系统，构建基于深度学习的灌溉预测模型，实现农业智慧灌溉功能，促进农业增产和农民增收，具有广泛的推广和普及意义。同时，由于本农业智慧物联灌溉系统模块较多、功能分散、体积较大，后续还需要继续优化和提升，提升信号采集精度，方便推广和普及。