基于STM32的農業智慧物聯灌溉系統設計與實現

關鍵詞：智慧灌溉；STM32；物聯網；手機App

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2024）26-0004-03開放科學（資源服務）標識碼（OSID） ：

0 引言

農業作為一個國家的立國之本，我國更是一個農業大國。根據國家統計局數據統計，我國的總耕地面積有12786.19萬公頃，水田有3139.20萬公頃，折合耕地面積為191 792.79萬畝，水田為47 087.97萬畝[1-3]。《中國水資源公報》的數據顯示，我國的人均水量只能占據世界平均水平的1/4，雖然中國的總水量可達到31605.2億立方米，但是由于我國人口數量巨大，人均水資源依舊較為貧乏。每年我國的農業方面的用水量占總用水量的70%左右，大約可達到4000億立方米，其中，作為灌溉的水量又占據著農業用水量的90%左右[4-5]。當前中國農田灌溉面積有效的大約為10.37億畝，其中有46.3%的灌溉農田實行了節水灌溉，節水灌溉面積僅有5.14億畝。近幾年，農業發展更注重農業的現代化方向，中央一號文件提出了大量關于建設現代化智慧農業和節能灌溉的新思想，為當前形勢下農業的發展提供了重要指導和有力保障。2018年“實施鄉村振興戰略”主要推進農機發展，加快智慧農業水利工程發展，擴大遙感技術和智能農業試驗田的范圍，繼續推進數字農業研發[6-8]。

然而，我國農業灌溉技術相對落后，主要依靠傳統的漫灌方式，智能化程度低，不僅難以適應現代農業發展的需求，更是嚴重滯后于美國、以色列等國家智慧灌溉技術。而且，浙江省溫州市臺風較多，一年四季雨水分布不均，梅雨季節降雨較多，容易造成洪澇災害，冬春季節雨量較小，容易造成干旱，嚴重影響當地農業生產。因此，研發基于STM32的農業智慧物聯灌溉系統，對于提高灌溉效率、節約淡水資源、促進農業增產增收具有重要意義。

1 系統整體研發方案

農業智慧物聯灌溉系統研發與設計方案選擇STM32F103C8T6單片機作為核心控制器，集成按鍵設置與控制模塊、電機控制與灌溉模塊、傳感器信息采集模塊、智能信息顯示模塊、智能人機交互模塊、無線通信與遠程監控模塊等模塊和功能。各個功能模塊之間主要以STM32F103C8T6單片機作為核心，通過GPIO端口外接方式進行功能擴展，借助定時器、外部中斷、串口通信等擴展功能。系統整體研發方案如圖1所示。

本文以農業智慧物聯灌溉系統為研究對象，融入物聯網、大數據、云計算、人工智能、自動控制等相關技術，本系統主要研究開發內容如下：

1） 基于人機交互的遠程智慧農業監控系統。

利用人機交互技術及遠程通信技術實時監控農田環境，并將采集的數據傳入遠程客戶端進行顯示，實現遠程控制和異常預警。

2） 基于物聯網的智能灌溉控制系統。

基于農業監控系統并結合物聯網技術，設計智能灌溉系統部分。根據種植農作物需水特性設計灌溉流程，滿足不同農作物的水分需求。

3） 建立基于深度學習的灌溉預測模型。

基于TensorFlow 的高階API—Keras深度學習框架，建立氣溫、空氣相濕度、蒸發量預測模型。使用LSTM算法實現時間序列預測，利用Keras的Sequential 模型配置神經網絡層與訓練模式，每個模型使用不同的調控方式進行訓練，最終通過繪制損失函數（Loss） 曲線并將預測結果與真實值對比來驗證其模型準確性。

2 系統軟件程序設計

本研發課題將基于STM32F103C8T6單片機搭建農業智慧物聯灌溉系統，集成按鍵設置與控制模塊、電機控制與灌溉模塊、傳感器信息采集模塊、智能信息顯示模塊、智能人機交互模塊、無線通信與遠程控制模塊等模塊和功能。農業智慧物聯灌溉系統集成開發環境與軟件主要有MDK-Arm 集成開發工具、Keil、STM32CubeMX、JRE、串口調試助手等，采用C語言編寫程序。具體控制流程如下：

1） 系統初始化設置：系統上電后，STM32F103C8T6單片機完成初始化，包括時鐘配置、GPIO初始化、外設模塊初始化等，顯示屏顯示：“歡迎使用農業智慧物聯灌溉系統”，并進行語音播報。

2） 傳感器信息采集：傳感器采集數據較多，比如STM32F103C8T6單片機通過讀取土壤溫濕度傳感器模塊采集的土壤溫度和濕度、光敏傳感器模塊采集環境光照數據、雨量傳感器模塊采集雨量數據、風速傳感器模塊采集風速數據等相關信息，并將檢測情況與系統設定參數進行比較，判定是否執行閾值聲光報警和防控等控制程序。

3） 液晶顯示與智能控制：STM32F103C8T6單片機將獲取的相關數據經處理轉換后，驅動TFT-LCD液晶屏顯示相關數據，通過語音交互與觸摸按鍵等功能進行相關設置和調控。

4） 無線通信與遠程控制：Wi-Fi通信模塊自動將相關數據上傳云平臺服務器，手機App訪問機智云平臺服務器實時遠程通信查閱相關信息。手機App通過云平臺服務器向控制系統STM32F103C8T6單片機發送控制命令，STM32F103C8T6單片機不斷查詢Wi-Fi模塊看有無來自云平臺的新命令。當接收到新命令后，STM32F103C8T6單片機對系統相關功能模塊進行控制。

5） 云平臺大數據運算與處理：農業智慧物聯灌溉系統涉及的傳感器數據比較多，需要運用云平臺采集和匯總相關數據，然后進行相關運算與處理，從而反饋給控制系統，做出正確操作與控制。

3 系統運行與測試

本農業智慧物聯灌溉系統不僅結構牢固、功能全面，而且美觀大方，操作方便，非常適合在現代農業中進行推廣和普及。系統運行與測試主要包括數據采集與智能顯示測試、按鍵調節與控制測試、人機交互與語音控制測試、手機App遠程監控測試等，下面主要介紹溫濕度環境數據采集測試和手機App遠程監控測試。

1） 溫濕度環境數據采集測試。空氣溫度、土壤濕度等對農作物的蒸騰、光合、病變影響較大。如蒸騰作用除了促進水分吸收，還是礦物質等營養運輸的動力。空氣濕度過大時，蒸騰作用減弱，植物運輸礦質營養的能力就下降，植物生長將受抑制，導致植株長速降低，葉片脫落加重，花或種子生命力降低。同時，空氣濕度過大或過小都會導致氣孔關閉，植物氣孔關閉，二氧化碳不能進入葉肉細胞，光合作用減慢甚至停止。農業智慧物聯灌溉系統溫濕度環境數據采集調試運行圖片如圖3所示，Moisture數據代表土壤濕度，GX數據代表光照強度，Temp數據代表環境溫度，ZD代表自動模式（SD代表手動模式），set the Moisture 代表設置土壤濕度。左邊圖片中顯示土壤濕度31%，光照強度15%，環境溫度25℃，右邊圖片中設置土壤濕度22%。當采集到土壤濕度低于22%時表示土壤濕度太低，不能滿足作物土壤濕度需求，系統會進行聲光報警，同時自動打開水泵進行灌溉；當土壤濕度高于22% 時，表示土壤濕度正常，不需要進行智慧灌溉。

2） 手機App遠程監控測試。在本智慧農業灌溉系統中采用手機App進行遠程監測和控制，實時監測和顯示光照強度、環境溫度、土壤濕度等數據。如當前界面顯示環境溫度26℃、土壤濕度43%。可以通過發送數據到智慧農業灌溉系統進行無線通信和遠程控制，如當土壤濕度低于臨界值時就會打開水泵進行智慧灌溉。手機App遠程監控和無線通信測試如圖4所示。

4 結論

本文設計并實現了一種基于STM32F103C8T6單片機的農業智慧物聯灌溉系統，實現了對農田環境的實時監測和智能灌溉控制。通過開發基于人機交互的遠程智慧農業監控系統，構建基于深度學習的灌溉預測模型，實現農業智慧灌溉功能，促進農業增產和農民增收，具有廣泛的推廣和普及意義。同時，由于本農業智慧物聯灌溉系統模塊較多、功能分散、體積較大，后續還需要繼續優化和提升，提升信號采集精度，方便推廣和普及。