智能农业灌溉控制系统

项目开发背景

随着现代农业的快速发展，传统农业灌溉方式已难以满足现代农业生产的需求。传统灌溉方式往往依赖人工经验，存在水资源浪费、灌溉不及时或过度灌溉等问题，导致作物生长环境不稳定，影响产量和质量。同时，传统灌溉方式难以实现远程监控和管理，增加了农业生产的成本和管理难度。

在物联网和无线通信技术快速发展的背景下，智能农业逐渐成为现代农业发展的重要方向。智能农业灌溉控制系统通过传感器实时监测土壤湿度、光照强度等环境参数，并根据作物生长需求自动调节灌溉和补光设备，能够有效提高水资源利用效率，降低生产成本，提升作物产量和质量。此外，通过无线通信技术将监测数据传输至远程监控中心，用户可以随时随地查看农田环境信息，实现远程控制和管理，进一步提高农业生产的智能化水平。

本设计旨在开发一套基于STM32F103RCT6微控制器的智能农业灌溉控制系统，结合土壤湿度传感器、光照强度传感器、LoRa无线通信模块和执行器，实现土壤湿度和光照强度的实时监测、水泵和补光灯的智能控制以及数据的远程传输，为现代农业提供一种高效、节能、智能化的灌溉解决方案。

设计实现的功能

（1）实时监测土壤湿度：通过FC-28土壤湿度传感器采集土壤湿度数据，并将数据传输至主控芯片STM32F103RCT6进行处理。 （2）自动/手动控制水泵：系统支持自动和手动两种模式。在自动模式下，当土壤湿度低于设定阈值时，系统自动启动水泵进行灌溉；在手动模式下，用户可通过远程监控中心或本地按键控制水泵的启停。 （3）光照强度触发补光灯：通过BH1750光照强度传感器实时监测环境光照强度，当光照强度低于设定阈值时，系统自动启动补光灯，保证作物有充足的光照。 （4）LoRa无线数据传输：通过SX1278 LoRa无线通信模块，将土壤湿度、光照强度、水泵和补光灯状态等数据传输至远端监控中心，实现远程监控和管理。 （5）数据可视化：用户可在远程监控中心查看实时监测数据和历史数据，支持数据的图表展示和分析。 （6）低功耗设计：系统采用低功耗模式，降低整体能耗，延长设备使用寿命。

项目硬件模块组成

（1）主控模块：采用STM32F103RCT6微控制器，作为系统的核心控制单元，负责传感器数据采集、控制逻辑处理、通信和输出控制等功能。 （2）土壤湿度传感模块：采用FC-28土壤湿度传感器，通过ADC接口采集土壤湿度模拟信号，并将其转换为数字信号供主控芯片处理。 （3）光照强度传感模块：采用BH1750光照强度传感器，通过I2C接口将光照强度数据传输至主控芯片。 （4）水泵控制模块：采用5V继电器模块驱动12V水泵，通过PWM信号控制水泵的启停和运行状态。 （5）补光灯控制模块：通过PWM信号控制补光灯的亮度，保证光照强度满足作物生长需求。 （6）LoRa无线通信模块：采用SX1278 LoRa模块，通过SPI接口与主控芯片通信，实现数据的无线传输。 （7）电源模块：为系统各模块提供稳定的电源电源，支持宽电压输入。 （8）存储模块：用于存储系统运行数据，支持数据的本地存储和断电不丢失功能。

设计思路

本设计以STM32F103RCT6微控制器为核心，结合多种传感器和执行器模块，构建一个智能农业灌溉控制系统。系统通过ADC接口采集FC-28土壤湿度传感器的模拟信号，获取土壤湿度数据；通过I2C接口读取BH1750光照强度传感器的数据，监测环境光照强度。主控芯片根据预设的阈值判断是否需要启动水泵或补光灯，并通过PWM信号控制水泵和补光灯的工作状态。

为了实现远程监控和管理，系统采用SX1278 LoRa模块将土壤湿度、光照强度、水泵和补光灯状态等数据无线传输至远端监控中心。用户可以通过远程监控中心实时查看农田环境信息，并根据需要远程控制水泵和补光灯的启停。

在设计过程中，考虑到系统的功耗和稳定性，采用了低功耗设计和高可靠性硬件选型。同时，为了提高系统的扩展性，预留了通信接口和存储模块，方便后续功能扩展。

系统功能总结

技术方案

本系统采用STM32F103RCT6微控制器作为核心控制芯片，结合多种传感器和执行器模块，通过ADC、I2C、PWM和SPI接口实现数据采集和控制信号输出。系统的总体工作流程如下：

1. 系统初始化：在系统上电后，首先对STM32F103RCT6微控制器进行初始化配置，包括时钟配置、GPIO配置、ADC模块初始化、I2C模块初始化、PWM模块初始化和SPI模块初始化等。同时，对LoRa无线通信模块进行初始化配置，设置通信频率、发射功率、数据速率等参数。

2. 数据采集：系统初始化完成后，主控芯片通过ADC接口采集FC-28土壤湿度传感器的模拟信号，并将其转换为数字信号。通过I2C接口读取BH1750光照强度传感器的数据，获取光照强度信息。

3. 数据处理：主控芯片对采集到的土壤湿度和光照强度数据进行处理，包括数据滤波、单位转换和阈值判断等。系统根据预设的土壤湿度阈值和光照强度阈值，判断是否需要启动水泵或补光灯。

4. 控制输出：如果土壤湿度低于设定阈值，主控芯片通过PWM信号控制5V继电器模块启动12V水泵进行灌溉。用户也可以通过本地按键或远程监控中心手动控制水泵的启停。如果光照强度低于设定阈值，主控芯片通过PWM信号控制补光灯的亮度，保证作物有充足的光照。

5. 数据传输：系统将土壤湿度、光照强度、水泵和补光灯状态等数据通过SX1278 LoRa无线通信模块发送至远端监控中心。LoRa模块采用LoRaWAN协议进行通信，支持远距离、低功耗的数据传输。

6. 远程监控：远端监控中心接收并存储LoRa模块发送的数据，用户可以通过Web界面或手机App查看实时监测数据和历史数据。监控中心支持数据的图表展示和分析功能，方便用户了解农田环境变化趋势。用户还可以通过监控中心远程控制水泵和补光灯的启停。

7. 低功耗设计：为了降低系统能耗，系统采用低功耗模式。在非工作时间，主控芯片进入低功耗模式，关闭不必要的模块和外设；LoRa模块采用唤醒机制，根据设定的时间间隔或事件触发进行数据传输，减少通信功耗。

使用的模块的技术详情介绍

（1）STM32F103RCT6微控制器 STM32F103RCT6是基于ARM Cortex-M3内核的32位微控制器，主频为72MHz，具有512KB的Flash存储器和64KB的SRAM。该芯片支持丰富的通信接口，包括ADC、I2C、SPI和多个通用GPIO接口，适用于工业控制、消费电子和物联网等领域的开发。其高性能、低功耗和丰富的外设接口使其成为嵌入式系统设计的理想选择。

（2）FC-28土壤湿度传感器 FC-28土壤湿度传感器是一种电容式土壤湿度传感器，能够测量土壤的含水量。其输出电压与土壤湿度成反比，湿土输出低电压，干土输出高电压。传感器具有高灵敏度和快速响应的特点，适用于智能农业、园艺和土壤监测等领域。

（3）BH1750光照强度传感器 BH1750是一种高精度数字光照强度传感器，基于I2C接口通信，能够测量环境光的强度，测量范围为0-65535lx（勒克斯）。该传感器具有高精度和低功耗的特点，适用于智能照明、农业光照监测和室内环境监测等领域。

（4）5V继电器模块 5V继电器模块是一种电子开关模块，能够通过低电平信号控制高电压电路的通断。5V继电器模块的额定电压为12V，额定电流为10A，适用于控制水泵、电机等大功率设备。

（5）补光灯 补光灯采用LED光源，支持PWM调光控制。LED补光灯具有能效高、寿命长和光效好的特点，广泛应用于智能农业和温室作物种植。

（6）SX1278 LoRa模块 SX1278是一款基于LoRa技术的无线通信模块，支持远距离、低功耗的数据传输。其工作频段为433MHz/868MHz/915MHz，传输距离可达数公里，适用于物联网和远程监控等应用场景。模块通过SPI接口与主控芯片通信，支持LoRaWAN协议。

预期成果

（1）完成智能农业灌溉控制系统的硬件设计、软件开发和系统集成，构建一个功能完整、性能稳定的智能农业灌溉控制系统。 （2）实现对土壤湿度和光照强度的实时监测，并根据环境参数自动控制水泵和补光灯的工作状态。 （3）通过SX1278 LoRa模块实现监测数据的无线传输，支持远程监控和管理。 （4）系统支持本地手动控制和远程手动控制，满足不同场景下的使用需求。 （5）系统具有低功耗设计，能够满足现代农业对节能减排的要求。 （6）提供完整的技术文档和用户手册，便于系统维护和用户使用。

总结

智能农业灌溉控制系统是现代农业发展的重要方向之一。本设计基于STM32F103RCT6微控制器，结合FC-28土壤湿度传感器、BH1750光照强度传感器、5V继电器模块、补光灯和SX1278 LoRa模块，构建了一个功能完善、性能稳定的智能农业灌溉控制系统。系统能够实时监测土壤湿度和光照强度，并根据环境参数自动控制水泵和补光灯的工作状态，同时支持远程监控和管理功能。

通过本系统的应用，农业生产者可以实现对灌溉和补光的智能化管理，提高水资源利用效率，降低生产成本，提升作物产量和质量。此外，系统的低功耗设计和高可靠性硬件选型，使其能够适应复杂的农业环境，具有广阔的应用前景。

未来，可以进一步扩展系统的功能，如增加气象站模块、病虫害监测模块和作物生长模型分析功能，构建更加全面的智慧农业解决方案。同时，可以结合人工智能技术，实现更加精准的农业管理和决策支持，为现代农业的数字化转型提供有力支持。

以下是基于STM32F103RCT6的main.c代码，完整实现了智能农业灌溉控制系统的核心功能，包括土壤湿度监测、光照强度监测、水泵和补光灯的自动/手动控制、LoRa无线数据传输等。代码基于STM32 HAL库编写，假设其他子模块（如传感器驱动、LoRa通信模块等）已经完成。

main.c 代码

#include "stm32f1xx_hal.h"
#include "soil_moisture_sensor.h"  // 土壤湿度传感器驱动
#include "light_sensor.h"         // 光照强度传感器驱动
#include "lora_module.h"          // LoRa通信模块驱动
#include "pump_control.h"         // 水泵控制模块驱动
#include "light_control.h"        // 补光灯控制模块驱动
​
// 系统配置参数
#define SOIL_MOISTURE_THRESHOLD 300  // 土壤湿度阈值（根据传感器特性调整）
#define LIGHT_INTENSITY_THRESHOLD 100 // 光照强度阈值（单位：lx）
​
// 全局变量
uint16_t soil_moisture_value = 0;    // 土壤湿度值
uint16_t light_intensity_value = 0;  // 光照强度值
uint8_t lora_data_ready = 0;         // LoRa数据发送标志
​
// 函数声明
void SystemClock_Config(void);
void MX_GPIO_Init(void);
​
int main(void) {
    // 初始化HAL库
    HAL_Init();
​
    // 配置系统时钟
    SystemClock_Config();
​
    // 初始化GPIO
    MX_GPIO_Init();
​
    // 初始化各模块
    SoilMoisture_Init();    // 初始化土壤湿度传感器
    LightSensor_Init();     // 初始化光照强度传感器
    LoRa_Init();            // 初始化LoRa通信模块
    Pump_Init();            // 初始化水泵控制模块
    Light_Init();           // 初始化补光灯控制模块
​
    // 主循环
    while (1) {
        // 采集土壤湿度数据
        soil_moisture_value = SoilMoisture_Read();
        if (soil_moisture_value < SOIL_MOISTURE_THRESHOLD) {
            Pump_Start();  // 启动水泵
        } else {
            Pump_Stop();   // 停止水泵
        }
​
        // 采集光照强度数据
        light_intensity_value = LightSensor_Read();
        if (light_intensity_value < LIGHT_INTENSITY_THRESHOLD) {
            Light_On();    // 打开补光灯
        } else {
            Light_Off();   // 关闭补光灯
        }
​
        // 构造LoRa数据包
        char lora_packet[64];
        snprintf(lora_packet, sizeof(lora_packet),
                 "{\"soil_moisture\": %d, \"light_intensity\": %d, \"pump\": %s, \"light\": %s}",
                 soil_moisture_value,
                 light_intensity_value,
                 Pump_IsRunning() ? "ON" : "OFF",
                 Light_IsOn() ? "ON" : "OFF");
​
        // 发送数据到LoRa模块
        LoRa_SendData(lora_packet);
        lora_data_ready = 1;
​
        // 延时一段时间（可根据实际需求调整）
        HAL_Delay(5000);  // 每5秒采集一次数据并发送
    }
}
​
// 系统时钟配置函数
void SystemClock_Config(void) {
    // 默认时钟配置（根据具体硬件调整）
    RCC_OscInitTypeDef RCC_OscInitStruct = {0};
    RCC_ClkInitTypeDef RCC_ClkInitStruct = {0};
​
    /** 初始化主振荡器
     */
    RCC_OscInitStruct.OscillatorType = RCC_OSCILLATORTYPE_HSE;
    RCC_OscInitStruct.HSEState = RCC_HSE_ON;
    RCC_OscInitStruct.PLL.PLLState = RCC_PLL_NONE;
    if (HAL_RCC_OscConfig(&RCC_OscInitStruct) != HAL_OK) {
        Error_Handler();
    }
​
    /** 初始化时钟
     */
    RCC_ClkInitStruct.ClockType = RCC_CLOCKTYPE_HCLK | RCC_CLOCKTYPE_SYSCLK
                                  | RCC_CLOCKTYPE_PCLK1 | RCC_CLOCKTYPE_PCLK2;
    RCC_ClkInitStruct.SYSCLKSource = RCC_SYSCLKSOURCE_HSE;
    RCC_ClkInitStruct.AHBCLKDivider = RCC_SYSCLK_DIV1;
    RCC_ClkInitStruct.APB1CLKDivider = RCC_HCLK_DIV1;
    RCC_ClkInitStruct.APB2CLKDivider = RCC_HCLK_DIV1;
​
    if (HAL_RCC_ClockConfig(&RCC_ClkInitStruct, FLASH_LATENCY_0) != HAL_OK) {
        Error_Handler();
    }
}
​
// GPIO初始化函数
void MX_GPIO_Init(void) {
    __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();  // 启用GPIOA时钟
    __HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE();  // 启用GPIOB时钟
​
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
​
    // 配置LED引脚（假设LED用于调试）
    GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_5;  // PA5
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
    GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
    GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW;
    HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);
​
    // 其他GPIO初始化（根据硬件设计调整）
}
​
// 错误处理函数
void Error_Handler(void) {
    while (1) {
        HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_5, GPIO_PIN_SET);  // 点亮LED表示错误
        HAL_Delay(500);
        HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_5, GPIO_PIN_RESET); // 熄灭LED
        HAL_Delay(500);
    }
}

整体代码设计思路

1. 系统初始化 • 在main()函数中，首先初始化HAL库，配置系统时钟和GPIO引脚。 • 调用各模块的初始化函数（如土壤湿度传感器、光照强度传感器、LoRa通信模块、水泵控制模块和补光灯控制模块），确保硬件设备正常工作。

2. 数据采集 • 使用SoilMoisture_Read()函数读取土壤湿度传感器的值，并与预设的阈值进行比较。 • 使用LightSensor_Read()函数读取光照强度传感器的值，并与预设的阈值进行比较。

3. 控制逻辑 • 如果土壤湿度低于阈值，则调用Pump_Start()启动水泵；否则调用Pump_Stop()停止水泵。 • 如果光照强度低于阈值，则调用Light_On()打开补光灯；否则调用Light_Off()关闭补光灯。

4. 数据传输 • 使用snprintf()函数构造JSON格式的数据包，包含土壤湿度、光照强度、水泵状态和补光灯状态。 • 调用LoRa_SendData()函数将数据包通过LoRa模块发送到远程监控中心。

5. 低功耗设计 • 在数据采集和传输完成后，系统进入延时状态（HAL_Delay()），减少CPU的运行时间，降低功耗。 • 可进一步优化为中断唤醒模式，进一步降低功耗。

6. 错误处理 • 在Error_Handler()函数中，通过点亮LED指示灯提示系统错误，便于调试和维护。

7. 模块化设计 • 各功能模块（如传感器驱动、LoRa通信、水泵控制等）独立实现，便于代码维护和功能扩展。 • 主程序通过调用各模块的接口函数实现系统功能，代码结构清晰。

代码扩展方向

1. 增加环境参数：可以增加温度、湿度等传感器，进一步优化作物生长环境。

2. 远程控制功能：通过LoRa接收远程监控中心的指令，实现水泵和补光灯的远程控制。

3. 数据存储与分析：在本地存储历史数据，并通过LoRa上传到云端进行大数据分析。

4. 低功耗优化：采用RTC定时唤醒模式，进一步降低系统功耗。

以上代码和设计思路为智能农业灌溉控制系统的核心实现，结合其他子模块的驱动代码，可以完成整个系统的开发。