基于STM32的農(nóng)業(yè)智慧物聯(lián)灌溉系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

關鍵詞：智慧灌溉；STM32；物聯(lián)網(wǎng)；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(nóng)業(yè)作為一個國家的立國之本，我國更是一個農(nóng)業(yè)大國。根據(jù)國家統(tǒng)計局數(shù)據(jù)統(tǒng)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]?！吨袊Y源公報》的數(shù)據(jù)顯示，我國的人均水量只能占據(jù)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(shù)量巨大，人均水資源依舊較為貧乏。每年我國的農(nóng)業(yè)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(jù)著農(nóng)業(yè)用水量的90%左右[4-5]。當前中國農(nóng)田灌溉面積有效的大約為10.37億畝，其中有46.3%的灌溉農(nóng)田實行了節(jié)水灌溉，節(jié)水灌溉面積僅有5.14億畝。近幾年，農(nóng)業(yè)發(fā)展更注重農(nóng)業(yè)的現(xiàn)代化方向，中央一號文件提出了大量關于建設現(xiàn)代化智慧農(nóng)業(yè)和節(jié)能灌溉的新思想，為當前形勢下農(nóng)業(yè)的發(fā)展提供了重要指導和有力保障。2018年“實施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略”主要推進農(nóng)機發(fā)展，加快智慧農(nóng)業(yè)水利工程發(fā)展，擴大遙感技術和智能農(nóng)業(yè)試驗田的范圍，繼續(xù)推進數(shù)字農(nóng)業(yè)研發(fā)[6-8]。

然而，我國農(nóng)業(yè)灌溉技術相對落后，主要依靠傳統(tǒng)的漫灌方式，智能化程度低，不僅難以適應現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)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(jié)降雨較多，容易造成洪澇災害，冬春季節(jié)雨量較小，容易造成干旱，嚴重影響當?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)。因此，研發(fā)基于STM32的農(nóng)業(yè)智慧物聯(lián)灌溉系統(tǒng)，對于提高灌溉效率、節(jié)約淡水資源、促進農(nóng)業(yè)增產(chǎn)增收具有重要意義。

1 系統(tǒng)整體研發(fā)方案

農(nóng)業(yè)智慧物聯(lián)灌溉系統(tǒng)研發(fā)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(jiān)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(tǒng)整體研發(fā)方案如圖1所示。

本文以農(nóng)業(yè)智慧物聯(lián)灌溉系統(tǒng)為研究對象，融入物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能、自動控制等相關技術，本系統(tǒng)主要研究開發(fā)內(nèi)容如下：

1） 基于人機交互的遠程智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)。

利用人機交互技術及遠程通信技術實時監(jiān)控農(nóng)田環(huán)境，并將采集的數(shù)據(jù)傳入遠程客戶端進行顯示，實現(xiàn)遠程控制和異常預警。

2） 基于物聯(lián)網(wǎng)的智能灌溉控制系統(tǒng)。

基于農(nóng)業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)并結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術，設計智能灌溉系統(tǒng)部分。根據(jù)種植農(nóng)作物需水特性設計灌溉流程，滿足不同農(nóng)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(fā)量預測模型。使用LSTM算法實現(xiàn)時間序列預測，利用Keras的Sequential 模型配置神經(jīng)網(wǎng)絡層與訓練模式，每個模型使用不同的調(diào)控方式進行訓練，最終通過繪制損失函數(shù)（Loss） 曲線并將預測結(jié)果與真實值對比來驗證其模型準確性。

2 系統(tǒng)軟件程序設計

本研發(fā)課題將基于STM32F103C8T6單片機搭建農(nóng)業(yè)智慧物聯(lián)灌溉系統(tǒng)，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(nóng)業(yè)智慧物聯(lián)灌溉系統(tǒng)集成開發(fā)環(huán)境與軟件主要有MDK-Arm 集成開發(fā)工具、Keil、STM32CubeMX、JRE、串口調(diào)試助手等，采用C語言編寫程序。具體控制流程如下：

1） 系統(tǒng)初始化設置：系統(tǒng)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(nóng)業(yè)智慧物聯(lián)灌溉系統(tǒng)”，并進行語音播報。

2） 傳感器信息采集：傳感器采集數(shù)據(jù)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(huán)境光照數(shù)據(jù)、雨量傳感器模塊采集雨量數(shù)據(jù)、風速傳感器模塊采集風速數(shù)據(jù)等相關信息，并將檢測情況與系統(tǒng)設定參數(shù)進行比較，判定是否執(zhí)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(shù)據(jù)經(jīng)處理轉(zhuǎn)換后，驅(qū)動TFT-LCD液晶屏顯示相關數(shù)據(jù)，通過語音交互與觸摸按鍵等功能進行相關設置和調(diào)控。

4） 無線通信與遠程控制：Wi-Fi通信模塊自動將相關數(shù)據(jù)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(tǒng)STM32F103C8T6單片機發(fā)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(tǒng)相關功能模塊進行控制。

5） 云平臺大數(shù)據(jù)運算與處理：農(nóng)業(yè)智慧物聯(lián)灌溉系統(tǒng)涉及的傳感器數(shù)據(jù)比較多，需要運用云平臺采集和匯總相關數(shù)據(jù)，然后進行相關運算與處理，從而反饋給控制系統(tǒng)，做出正確操作與控制。

3 系統(tǒng)運行與測試

本農(nóng)業(yè)智慧物聯(lián)灌溉系統(tǒng)不僅結(jié)構(gòu)牢固、功能全面，而且美觀大方，操作方便，非常適合在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中進行推廣和普及。系統(tǒng)運行與測試主要包括數(shù)據(jù)采集與智能顯示測試、按鍵調(diào)節(jié)與控制測試、人機交互與語音控制測試、手機App遠程監(jiān)控測試等，下面主要介紹溫濕度環(huán)境數(shù)據(jù)采集測試和手機App遠程監(jiān)控測試。

1） 溫濕度環(huán)境數(shù)據(jù)采集測試?？諝鉁囟?、土壤濕度等對農(nóng)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(zhì)等營養(yǎng)運輸?shù)膭恿??？諝鉂穸冗^大時，蒸騰作用減弱，植物運輸?shù)V質(zhì)營養(yǎng)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(nóng)業(yè)智慧物聯(lián)灌溉系統(tǒng)溫濕度環(huán)境數(shù)據(jù)采集調(diào)試運行圖片如圖3所示，Moisture數(shù)據(jù)代表土壤濕度，GX數(shù)據(jù)代表光照強度，Temp數(shù)據(jù)代表環(huán)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(huán)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(tǒng)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(jiān)控測試。在本智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)中采用手機App進行遠程監(jiān)測和控制，實時監(jiān)測和顯示光照強度、環(huán)境溫度、土壤濕度等數(shù)據(jù)。如當前界面顯示環(huán)境溫度26℃、土壤濕度43%。可以通過發(fā)送數(shù)據(jù)到智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)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(jiān)控和無線通信測試如圖4所示。

4 結(jié)論

本文設計并實現(xiàn)了一種基于STM32F103C8T6單片機的農(nóng)業(yè)智慧物聯(lián)灌溉系統(tǒng)，實現(xiàn)了對農(nóng)田環(huán)境的實時監(jiān)測和智能灌溉控制。通過開發(fā)基于人機交互的遠程智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)，構(gòu)建基于深度學習的灌溉預測模型，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)智慧灌溉功能，促進農(nóng)業(yè)增產(chǎn)和農(nóng)民增收，具有廣泛的推廣和普及意義。同時，由于本農(nóng)業(yè)智慧物聯(lián)灌溉系統(tǒng)模塊較多、功能分散、體積較大，后續(xù)還需要繼續(xù)優(yōu)化和提升，提升信號采集精度，方便推廣和普及。