緒論1.1研究背景與意義目前隨著工業(yè)水平的不斷提升，人民用水不斷增多，水資源正在不斷減少，而農(nóng)業(yè)又是最需要水的，灌溉方式的合理性與高效性就顯得尤為重要。傳統(tǒng)的灌溉系統(tǒng)，如大水漫灌、溝渠灌溉等，雖在農(nóng)業(yè)發(fā)展歷程中發(fā)揮過(guò)重要作用，但弊端也逐漸凸顯。傳統(tǒng)的灌溉方式缺乏精準(zhǔn)的計(jì)量與控制手段，導(dǎo)致水資源浪費(fèi)嚴(yán)重，根據(jù)相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)灌溉方式下，水資源的有效利用率不足50%，大量的水在輸送和灌溉過(guò)程中因蒸發(fā)、滲漏等原因被損耗。同時(shí)，長(zhǎng)期過(guò)度灌溉或不當(dāng)灌溉容易引發(fā)土壤鹽堿化問題，降低土壤肥力，會(huì)對(duì)農(nóng)作物的生長(zhǎng)產(chǎn)生負(fù)面影響，還會(huì)影響農(nóng)作物產(chǎn)量與質(zhì)量，不利于農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。此外，傳統(tǒng)灌溉系統(tǒng)還存在環(huán)境污染問題，灌溉過(guò)程中使用的化肥、農(nóng)藥等農(nóng)業(yè)化學(xué)品易隨灌溉水流入河流、湖泊和地下水，造成水質(zhì)污染，威脅水的生態(tài)系統(tǒng)和人們的身體健康；部分機(jī)械灌溉系統(tǒng)能源消耗大，加重了能源負(fù)擔(dān)；不當(dāng)灌溉和過(guò)度用水還可能導(dǎo)致土地退化，包括水澇、水淹和水土流失等，破壞濕地和河流生態(tài)系統(tǒng)，影響生物多樣性和自然生態(tài)平衡REF_Ref21216\r\h[1]。為解決傳統(tǒng)灌溉問題，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，智能灌溉系統(tǒng)至關(guān)重要。它融合傳感器、自動(dòng)控制、通信和數(shù)據(jù)分析等技術(shù)，能實(shí)時(shí)精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)土壤濕度、溫度、光照等環(huán)境參數(shù)，按植物生長(zhǎng)需求調(diào)整灌溉量和時(shí)間，做到精準(zhǔn)灌溉。這既提高水資源利用效率、減少浪費(fèi)，又為農(nóng)作物創(chuàng)造良好生長(zhǎng)環(huán)境，提升產(chǎn)量和品質(zhì)，促進(jìn)農(nóng)業(yè)增收。像滴灌、噴灌等智能灌溉方式，相比傳統(tǒng)灌溉，節(jié)水30%-50%，還能讓作物增產(chǎn)20%-30%REF_Ref23006\r\h[3]。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀智能灌溉系統(tǒng)是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)，近年來(lái)在國(guó)內(nèi)外均受到廣泛關(guān)注與深入研究。在國(guó)外，美國(guó)、以色列、澳大利亞等農(nóng)業(yè)科技強(qiáng)國(guó)在智能灌溉領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位。美國(guó)利用先進(jìn)的傳感器技術(shù)和衛(wèi)星遙感技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)大面積農(nóng)田的精準(zhǔn)灌溉監(jiān)測(cè)與控制。提高了水資源利用效率和農(nóng)作物產(chǎn)量。以色列則以其先進(jìn)的滴灌技術(shù)聞名于世，該國(guó)研發(fā)的智能滴灌系統(tǒng)能夠根據(jù)土壤墑情、作物需水規(guī)律以及氣象條件等因素，精確控制滴灌的時(shí)間和水量，不僅節(jié)水效果顯著，還能有效減少化肥和農(nóng)藥的使用，降低農(nóng)業(yè)面源污染，提升農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)。REF_Ref23202\r\h[13]澳大利亞的MannaIrrigationIntelligence公司針對(duì)其干旱的氣候條件和廣闊的農(nóng)田，研發(fā)了智能化的灌溉管理系統(tǒng)，通過(guò)遠(yuǎn)程監(jiān)控和自動(dòng)化控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)灌溉設(shè)備的遠(yuǎn)程操作和管理，減少了人工成本，提高了灌溉效率。國(guó)內(nèi)在智能灌溉領(lǐng)域的研究起步相對(duì)較晚，但發(fā)展迅速。隨著國(guó)家對(duì)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的重視和科技投入的增加，目前，國(guó)內(nèi)在技術(shù)水平和應(yīng)用規(guī)模上取得了顯著進(jìn)展。一些高校和科研機(jī)構(gòu)通過(guò)產(chǎn)學(xué)研合作，研發(fā)出多種基于不同技術(shù)的智能灌溉系統(tǒng)，如基于單片機(jī)的自動(dòng)灌溉系統(tǒng)、以及基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的自動(dòng)灌溉系統(tǒng)等。這些系統(tǒng)在土壤濕度監(jiān)測(cè)、自動(dòng)灌溉控制、數(shù)據(jù)傳輸與遠(yuǎn)程監(jiān)控等方面具備了較為完善的功能。REF_Ref23437\r\h[2]在應(yīng)用方面，國(guó)內(nèi)的智能灌溉系統(tǒng)已在部分地區(qū)的農(nóng)田、果園、溫室大棚等得到推廣應(yīng)用，并取得了良好的效果。例如，在新疆的一些棉花種植區(qū)，采用智能化的滴灌系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了棉花種植的節(jié)水增產(chǎn)。1.3研究目標(biāo)與內(nèi)容本研究要設(shè)計(jì)并做出一款基于STM32單片機(jī)的盆栽智能灌溉系統(tǒng)。利用單片機(jī)強(qiáng)控制和數(shù)據(jù)處理能力，滿足家庭、辦公等場(chǎng)所對(duì)盆栽植物的智能養(yǎng)護(hù)需求，推動(dòng)智能灌溉技術(shù)在小型園藝發(fā)展。該系統(tǒng)以單片機(jī)為核心，連接各類傳感器，能實(shí)時(shí)全面監(jiān)測(cè)盆栽生長(zhǎng)環(huán)境。2系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案2.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路本系統(tǒng)以單片機(jī)作為核心控制單元，充分發(fā)揮其強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理和控制能力，構(gòu)建一個(gè)功能完善、性能穩(wěn)定的盆栽智能灌溉系。能夠滿足系統(tǒng)對(duì)多種環(huán)境參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和快速響應(yīng)的需求。土壤濕度傳感器貼著土壤，能感應(yīng)土里水分變化，變成電信號(hào)傳給單片機(jī)，可以著決定什么時(shí)候該澆水。溫濕度傳感器用來(lái)測(cè)周圍環(huán)境的溫度和濕度，不同植物在不同生長(zhǎng)階段對(duì)溫濕度要求不一樣，測(cè)到數(shù)據(jù)后，系統(tǒng)可以及時(shí)調(diào)整澆水計(jì)劃，光照強(qiáng)度傳感器可以測(cè)光照強(qiáng)度，光照對(duì)植物光合作用很重要，知道光照強(qiáng)度，就可以判斷植物的生長(zhǎng)狀態(tài)。2.2系統(tǒng)功能需求分析監(jiān)測(cè)土壤濕度對(duì)盆栽植物長(zhǎng)得好不好很關(guān)鍵。系統(tǒng)靠土壤濕度傳感器隨時(shí)了解土里有多少水。傳感器把土壤濕度變成電信號(hào)，再經(jīng)過(guò)處理和轉(zhuǎn)換，傳給單片機(jī)。單片機(jī)分析這些數(shù)據(jù)，看土壤濕度是不是適合盆栽植物生長(zhǎng)。不同盆栽植物對(duì)土壤濕度要求不一樣，像綠蘿，土壤濕度在40%-60%最合適，仙人掌這類多肉植物，20%-40%的土壤濕度就可以了。環(huán)境參數(shù)檢測(cè)功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)盆栽植物生長(zhǎng)環(huán)境全面監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵。環(huán)境參數(shù)檢測(cè)功能為智能盆栽系統(tǒng)的自動(dòng)化控制提供了數(shù)據(jù)依據(jù)。系統(tǒng)可根據(jù)預(yù)設(shè)的植物生長(zhǎng)需求，自動(dòng)調(diào)節(jié)環(huán)境參數(shù)。當(dāng)光照強(qiáng)度不足時(shí)，自動(dòng)開啟補(bǔ)光設(shè)備；當(dāng)二氧化碳濃度過(guò)低時(shí)，釋放二氧化碳?xì)怏w，實(shí)現(xiàn)對(duì)植物生長(zhǎng)環(huán)境的智能調(diào)控，減少人工干預(yù)，提高管理效率。2.3系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計(jì)本系統(tǒng)由硬件架構(gòu)和軟件架構(gòu)協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)盆栽智能灌溉的各項(xiàng)功能。硬件架構(gòu)以單片機(jī)為核心，通過(guò)各類傳感器采集環(huán)境參數(shù)，經(jīng)信號(hào)調(diào)理和模數(shù)轉(zhuǎn)換后傳輸給單片機(jī)處理，單片機(jī)根據(jù)預(yù)設(shè)邏輯控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作，并通過(guò)顯示模塊和通信模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)展示與遠(yuǎn)程交互。軟件架構(gòu)基于模塊化設(shè)計(jì)思想，由數(shù)據(jù)采集、控制算法、通信、用戶界面和報(bào)警等模塊組成，各模塊相互協(xié)作，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的智能化控制和便捷操作。硬件架構(gòu)方面，整個(gè)系統(tǒng)采用了土壤濕度傳感器、溫濕度傳感器、光照強(qiáng)度傳感器、按鍵模塊、液晶顯示屏、無(wú)線通信模塊、水泵等硬件設(shè)備與單片機(jī)連接。土壤濕度傳感器采用電容式或電阻式傳感器，其工作原理是基于土壤與傳感器輸出電信號(hào)之間的關(guān)系。當(dāng)土壤濕度發(fā)生變化時(shí)，傳感器的電容或電阻值也會(huì)相應(yīng)改變，從而輸出不同的電壓信號(hào)。溫濕度傳感器通常選用數(shù)字式傳感器，如DHT11或SHT11，它們通過(guò)內(nèi)部的感濕元件和熱敏電阻分別檢測(cè)環(huán)境濕度和溫度。感濕元件會(huì)隨著環(huán)境濕度的變化而改變自身的電阻或電容，熱敏電阻則會(huì)根據(jù)溫度變化改變電阻值，傳感器將這些物理量的變化轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)輸出。光照強(qiáng)度傳感器采用光敏電阻或光電二極管，光敏電阻的阻值會(huì)隨著光照強(qiáng)度的增強(qiáng)而減小，光電二極管則會(huì)在光照下產(chǎn)生光電流，通過(guò)檢測(cè)這些電學(xué)量的變化來(lái)獲取光照強(qiáng)度信息。下圖為智能灌溉系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖。圖2.1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖3硬件電路設(shè)計(jì)3.1單片機(jī)模塊電路設(shè)計(jì)本次設(shè)計(jì)采用的是基于STM32F103C8T6單片機(jī)，這個(gè)單片機(jī)制作智能盆栽系統(tǒng)具備顯著的綜合優(yōu)勢(shì)：其72MHzCortex-M3內(nèi)核可高效處理多傳感器數(shù)據(jù)與實(shí)時(shí)控制算法，配合硬件中斷機(jī)制確保環(huán)境異常的快速響應(yīng)；豐富的外設(shè)資源（12位ADC、PWM、多通信接口）直接支持土壤濕度檢測(cè)、灌溉調(diào)控、Wi-Fi遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能集成，減少外圍電路復(fù)雜度；特有的低功耗模式與動(dòng)態(tài)電源管理使系統(tǒng)在休眠狀態(tài)下功耗低至2μA，顯著延長(zhǎng)電池續(xù)航。該芯片兼具高性價(jià)比與成熟開發(fā)生態(tài)，依托STM32CubeMX工具鏈和開源社區(qū)資源，可快速實(shí)現(xiàn)傳感器驅(qū)動(dòng)開發(fā)與系統(tǒng)部署，同時(shí)預(yù)留的擴(kuò)展接口為后期升級(jí)（如環(huán)境數(shù)據(jù)屏顯或智能家居聯(lián)動(dòng)）提供靈活空間，是兼顧性能、成本與可擴(kuò)展性的理想解決方案。圖3.1單片機(jī)模塊電路設(shè)計(jì)圖3.2電源電路設(shè)計(jì)本系統(tǒng)采用5V直流供電設(shè)計(jì)，電源模塊由3腳DC插座和6腳雙通道撥動(dòng)開關(guān)構(gòu)成：DC插座1腳連接開關(guān)3腳輸入電源，2腳接地，3腳為機(jī)械固定端；撥動(dòng)開關(guān)采用雙通道冗余設(shè)計(jì)，啟用時(shí)需遵循對(duì)應(yīng)端口組匹配原則（1/3腳與5腳組合或4/6腳與2腳組合輸出正負(fù)極），所有外設(shè)基于5V電壓驅(qū)動(dòng)，并預(yù)留升壓電路接口以適配12V等高功耗傳感器擴(kuò)展需求。本次設(shè)計(jì)的電源電路如下圖所示：圖3.2電源模塊電路設(shè)計(jì)圖3.3溫濕度傳感器電路設(shè)計(jì)DHT11是一款經(jīng)典的數(shù)字化溫濕度復(fù)合傳感器，采用電阻式濕度測(cè)量與NTC熱敏電阻溫度檢測(cè)相結(jié)合的設(shè)計(jì)，其單總線（Single-Wire）協(xié)議與微控制器直連的特性使其成為低成本物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目的首選。該傳感器工作電壓3.3-5.5V，典型功耗0.5mA（測(cè)量時(shí)）/<1μA（待機(jī)），硬件層面采用4Pin封裝（VCC、GND、DATA、NC），DATA線需外接4.7kΩ上拉電阻，通信時(shí)序要求嚴(yán)格——主機(jī)需先發(fā)送18ms低電平啟動(dòng)信號(hào)，隨后傳感器以83μs高低電平組合返回?cái)?shù)據(jù)，其特有的校驗(yàn)機(jī)制可檢測(cè)傳輸錯(cuò)誤。DHT11傳感器直接集成了一個(gè)16位的AD轉(zhuǎn)換器，可以直接將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，可以更加直接、靈活地監(jiān)測(cè)到環(huán)境溫濕度變化。DHT11雖精度相對(duì)較低但勝在成本低和電路簡(jiǎn)捷，適用于智能家居、農(nóng)業(yè)大棚等對(duì)成本敏感且環(huán)境波動(dòng)較小的場(chǎng)景，但需注意避免凝露環(huán)境（濕度＞80%可能引發(fā)漂移）及強(qiáng)電磁干擾，可通過(guò)并聯(lián)104電容濾除電源噪聲，長(zhǎng)線傳輸時(shí)建議總線長(zhǎng)度＜20米并采用屏蔽線纜。它的電路設(shè)計(jì)圖如下圖所示：圖3.3DHT11電路設(shè)計(jì)圖3.4OLED液晶顯示電路設(shè)計(jì)有機(jī)發(fā)光顯示器，英文簡(jiǎn)稱為OLED（OrganicLightEmittingDisplay），OLED具有較高的發(fā)光效率，能夠在較低的電壓下工作，相比傳統(tǒng)的照明設(shè)備，如白熾燈和熒光燈，可顯著降低能耗，符合智能盆栽系統(tǒng)對(duì)節(jié)能的要求，有助于延長(zhǎng)系統(tǒng)的電池續(xù)航時(shí)間或降低整體運(yùn)行成本。它在開發(fā)環(huán)境中引入對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)庫(kù)。如使用Arduino開發(fā)環(huán)境，對(duì)于常見的基于SSD1306驅(qū)動(dòng)芯片的OLED顯示屏，可引入AdafruitSSD1306庫(kù)。在代碼中對(duì)OLED顯示屏進(jìn)行初始化，設(shè)置其分辨率、對(duì)比度、亮度等參數(shù)。在主循環(huán)中不斷更新要顯示的內(nèi)容只需每隔一定時(shí)間讀取傳感器數(shù)據(jù)并更新OLED上顯示的溫度、濕度等信息。圖3.4OLED液晶顯示電路設(shè)計(jì)圖3.5土壤濕度傳感器電路設(shè)計(jì)土壤濕度傳感器測(cè)量精準(zhǔn)，能精確測(cè)出土壤里的含水量，很多農(nóng)產(chǎn)品的測(cè)量誤差能控制在正負(fù)2%以內(nèi)，能給精準(zhǔn)灌溉等工作提供可靠的數(shù)據(jù)。而且它的測(cè)量范圍大，從0到100%的土壤體積含水量都能測(cè)，土壤無(wú)論是干還是濕都適用。土壤濕度傳感器響應(yīng)快，數(shù)秒到幾分鐘就能檢測(cè)到土壤濕度的變化，可以掌握動(dòng)態(tài)濕度。它長(zhǎng)期使用也不會(huì)被土壤里的化學(xué)物質(zhì)和微生物影響，正常情況下能用好幾年而且它不怕干擾，就算在復(fù)雜的環(huán)境中或者有干擾的地方，也能精準(zhǔn)測(cè)量。土壤濕度變化時(shí)，它的電阻值也會(huì)跟著變化，電路輸出的電壓也會(huì)變。根據(jù)電壓數(shù)據(jù)采集到土壤濕度數(shù)據(jù)。圖3.5土壤濕度傳感器電路設(shè)計(jì)圖3.6光照采集電路設(shè)計(jì)光照采集電路主要是通過(guò)光敏電阻實(shí)現(xiàn)的，它的阻值會(huì)隨光照強(qiáng)度的變化而改變。光照越強(qiáng)，阻值越小；光照越弱，阻值越大。其優(yōu)點(diǎn)是成本低、靈敏度高；缺點(diǎn)是響應(yīng)速度較慢。信號(hào)轉(zhuǎn)換為合適的電壓或電流信號(hào)，最后通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，以便微控制器進(jìn)行處理。其電路設(shè)計(jì)圖如下圖所示：圖3.6光照傳感器電路設(shè)計(jì)圖3.7無(wú)線傳輸電路設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)采用的是ESP8266，它集成了Wi-Fi功能和微控制器，可直接連接傳感器、執(zhí)行器等外部設(shè)備，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)功能。將ESP8266的VCC引腳連接到3.3V電源，GND引腳連接到地。把ESP8266的RXD引腳與微控制器的TXD引腳相連，TXD引腳與微控制器的RXD引腳相連，實(shí)現(xiàn)串口通信。根據(jù)需要，可將ESP8266的其他引腳（如GPIO引腳）連接到微控制器的相應(yīng)引腳，用于配置和控制。設(shè)計(jì)電路圖如圖所示：圖3.7無(wú)線傳輸電路設(shè)計(jì)圖4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.1軟件開發(fā)環(huán)境與工具這個(gè)系統(tǒng)的軟件是在KeilMDK平臺(tái)開發(fā)的。它功能齊全，從項(xiàng)目管理、代碼編寫，到編譯、調(diào)試都能搞定，讓開發(fā)速度變快。它的項(xiàng)目管理能整理各種代碼文件，讓復(fù)雜項(xiàng)目井井有條。寫代碼時(shí)，它有語(yǔ)法變色、自動(dòng)補(bǔ)全、折疊代碼等功能，能加快寫代碼速度，減少錯(cuò)誤。編譯工具能把C語(yǔ)言等高級(jí)代碼變成機(jī)器能運(yùn)行的代碼，還能優(yōu)化代碼。調(diào)試功能是它的一大亮點(diǎn)，支持軟件模擬調(diào)試和連接硬件調(diào)試，可以設(shè)置斷點(diǎn)、一步步執(zhí)行、查看變量，幫開發(fā)者快速找到并解決代碼問題，保證軟件能穩(wěn)定運(yùn)行。編程語(yǔ)言選用C語(yǔ)言，這是因?yàn)镃語(yǔ)言具有諸多適合嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的特性。C語(yǔ)言具有高效的執(zhí)行效率，其生成的代碼簡(jiǎn)潔緊湊，能夠充分利用單片機(jī)有限的資源，滿足系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性和性能的要求。在處理傳感器數(shù)據(jù)采集和灌溉控制算法時(shí)，C語(yǔ)言能夠快速準(zhǔn)確地執(zhí)行相關(guān)操作，確保系統(tǒng)的響應(yīng)速度。它具有良好的可移植性，代碼可以在不同型號(hào)的單片機(jī)之間進(jìn)行移植，只需對(duì)少量與硬件相關(guān)的部分進(jìn)行修改，這為系統(tǒng)的擴(kuò)展和升級(jí)提供了便利。當(dāng)需要更換不同型號(hào)的單片機(jī)時(shí)，只需對(duì)底層硬件驅(qū)動(dòng)部分的代碼進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，上層應(yīng)用程序代碼可以保持相對(duì)不變。C語(yǔ)言對(duì)硬件的直接操作能力強(qiáng)，開發(fā)者可以通過(guò)指針等方式直接訪問單片機(jī)的寄存器和內(nèi)存，實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件的精確控制。4.2系統(tǒng)軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)在本系統(tǒng)中，主程序首先對(duì)STM32F103C8T6單片機(jī)的時(shí)鐘進(jìn)行配置，將系統(tǒng)時(shí)鐘設(shè)置為72MHz，以提高系統(tǒng)的運(yùn)行速度。然后初始化GPIO口，將各個(gè)傳感器、按鍵、顯示屏、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等硬件設(shè)備對(duì)應(yīng)的GPIO口設(shè)置為相應(yīng)的輸入輸出模式。接著初始化中斷向量表，為中斷服務(wù)程序的執(zhí)行做好準(zhǔn)備。完成硬件初始化后，主程序?qū)ο到y(tǒng)的變量進(jìn)行初始化，如設(shè)置土壤濕度、環(huán)境溫濕度、光照強(qiáng)度的初始值，以及灌溉閾值、報(bào)警閾值等參數(shù)。初始化完成后，主程序進(jìn)入無(wú)限循環(huán)，重復(fù)調(diào)用各個(gè)功能模塊，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的持續(xù)運(yùn)行。在循環(huán)中，主程序首先調(diào)用數(shù)據(jù)采集模塊，獲取傳感器數(shù)據(jù)；然后調(diào)用數(shù)據(jù)處理模塊，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析；接著根據(jù)處理結(jié)果調(diào)用控制模塊，控制灌溉系統(tǒng)的運(yùn)行；同時(shí)，主程序還會(huì)檢查是否有通信數(shù)據(jù)需要處理，以及是否有異常情況需要報(bào)警。4.3各功能模塊軟件設(shè)計(jì)4.3.1溫濕度傳感器程序設(shè)計(jì)DHT11作為典型的數(shù)字化溫濕度復(fù)合傳感器，采用單總線通信協(xié)議，將溫濕度檢測(cè)、模數(shù)轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)輸出功能集成于單一芯片，革新了環(huán)境感知方案。該傳感器通過(guò)特定時(shí)序（主機(jī)發(fā)送18ms低電平啟動(dòng)信號(hào)）觸發(fā)40位數(shù)字信號(hào)傳輸（含校驗(yàn)機(jī)制），直接輸出經(jīng)校準(zhǔn)的溫濕度值（0-50℃/20-90%RH），免除傳統(tǒng)方案所需的外部放大與ADC電路，其3.3-5.5V寬壓供電、μA級(jí)功耗及單線連接特性（需外接4.7kΩ上拉電阻）顯著降低系統(tǒng)復(fù)雜度。雖受限于±2℃/±5%RH的精度，但其低成本與即插即用優(yōu)勢(shì)，使其在智能家居、農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)等非精密場(chǎng)景廣泛應(yīng)用。溫濕度采集程序[14]包括DHT11初始化，應(yīng)答脈沖，掃描，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，讀操作等步驟，其流程圖如下：圖4.1溫濕度檢測(cè)流程圖4.3.2數(shù)據(jù)顯示模塊程序設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)顯示程序負(fù)責(zé)將傳感器采集到的數(shù)據(jù)以及系統(tǒng)的狀態(tài)信息通過(guò)液晶顯示屏直觀地展示，在程序中，通過(guò)向顯示屏發(fā)送顯示指令和數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。將土壤濕度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為字符串格式，如“Humidity:50%”，然后通過(guò)顯示屏的寫數(shù)據(jù)函數(shù)將字符串逐字符寫入顯示屏的相應(yīng)位置。對(duì)于環(huán)境溫濕度和光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)，同樣進(jìn)行類似的處理。在顯示灌溉狀態(tài)時(shí)，根據(jù)灌溉系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，顯示“Watering”或“Idle”。為了使顯示內(nèi)容更加清晰易讀，在不同信息之間設(shè)置適當(dāng)?shù)目崭襁M(jìn)行分隔顯示內(nèi)容更新方法為了保證數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性，需定期更新顯示屏上的顯示內(nèi)容。在程序中，通過(guò)定時(shí)器中斷來(lái)實(shí)現(xiàn)顯示內(nèi)容的定時(shí)更新。設(shè)置定時(shí)器的定時(shí)時(shí)間為1分鐘，當(dāng)定時(shí)器溢出時(shí)，觸發(fā)中斷服務(wù)程序。在中斷服務(wù)程序中，讀取最新的傳感器數(shù)據(jù)和系統(tǒng)狀態(tài)信息，更新顯示屏上的顯示內(nèi)容。在更新顯示內(nèi)容時(shí)，首先清除顯示屏上原來(lái)的內(nèi)容，然后重新寫入新的數(shù)據(jù)。使用顯示屏的清屏指令0x01來(lái)清除顯示屏上的所有內(nèi)容，然后重新發(fā)送顯示指令和數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)顯示內(nèi)容的更新。其流程圖如下：圖4.2OLED顯示模塊流程圖4.3.3數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集程序負(fù)責(zé)從各類傳感器獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，為系統(tǒng)的決策和控制提供依據(jù)。在本系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采集程序主要涉及土壤濕度傳感器、溫濕度傳感器和光照強(qiáng)度傳感器的數(shù)據(jù)讀取。例如土壤傳感器輸出的模擬信號(hào)，其電壓或電流值與土壤濕度呈一定的函數(shù)關(guān)系。系統(tǒng)通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，進(jìn)而進(jìn)行處理和分析。連續(xù)采集10次土壤濕度數(shù)據(jù)，將這10次數(shù)據(jù)的平均值作為最終的土壤濕度數(shù)據(jù)。這樣可以有效減少噪聲干擾，提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。其他數(shù)據(jù)傳感器也是通過(guò)類似的方式傳輸數(shù)據(jù)，其流程圖如下：圖4.3數(shù)據(jù)采集模塊流程圖4.3.4按鍵控制程序設(shè)計(jì)手動(dòng)控制程序?yàn)橛脩籼峁┝送ㄟ^(guò)按鍵或無(wú)線通信模塊對(duì)灌溉系統(tǒng)進(jìn)行操作的功能，增強(qiáng)了系統(tǒng)的靈活性和易用性。將灌溉啟動(dòng)按鍵連接到PA2引腳，灌溉停止按鍵連接到PA3引腳。在軟件編程中，通過(guò)配置I/O口為輸入模式，并使能上拉或下拉電阻，確保按鍵未按下時(shí)I/O口處于穩(wěn)定的電平狀態(tài)。將PA2和PA3引腳配置為輸入模式，并使能上拉電阻，當(dāng)按鍵未按下時(shí)，I/O口為高電平；當(dāng)按鍵按下時(shí)，I/O口被拉低。其流程圖如下：圖4.4按鍵控制流程圖4.3.5灌溉控制程序設(shè)計(jì)灌溉控制程序是系統(tǒng)的核心功能之一，負(fù)責(zé)根據(jù)土壤濕度數(shù)據(jù)和預(yù)設(shè)的閾值，控制灌溉設(shè)備的啟動(dòng)和停止，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)灌溉功能。在程序?qū)崿F(xiàn)設(shè)計(jì)中首先要讀取存儲(chǔ)的土壤濕度數(shù)據(jù)和閾值，然后將土壤濕度數(shù)據(jù)與閾值進(jìn)行對(duì)比，如果土壤濕度小于閾值，則通過(guò)控制繼電器的來(lái)啟動(dòng)水泵，啟動(dòng)灌溉。在灌溉過(guò)程中，持續(xù)監(jiān)測(cè)土壤濕度數(shù)據(jù)，當(dāng)土壤濕度達(dá)到或超過(guò)閾值時(shí)關(guān)閉水泵，結(jié)束灌溉。防止頻繁啟動(dòng)和關(guān)閉水泵，裝置設(shè)置一定的hysteresis區(qū)間，即當(dāng)土壤濕度在上下限閾值之間時(shí)，保持當(dāng)前灌溉狀態(tài)不變。例如，下限閾值為40%，上限閾值為60%，hysteresis區(qū)間為5%，則當(dāng)土壤濕度在35%-60%之間時(shí)，不進(jìn)行灌溉狀態(tài)的切換。其流程圖如下：圖4.5灌溉控制程序流程圖4.3.6無(wú)線控制程序設(shè)計(jì)ESP8266借助對(duì)應(yīng)的AT指令集與單片機(jī)相連并通過(guò)串口連接進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，同時(shí)手機(jī)也能接收Wi-Fi發(fā)送的數(shù)據(jù)。具體操作步驟如下：首先，將波特率設(shè)置為115200，調(diào)用esp8266_init()函數(shù)；接著，配置Wi-Fi模式為AP熱點(diǎn)模式，調(diào)用esp_ap_mode()函數(shù)，并通過(guò)Uart1_SendStr("AT+CWMODE=2\r\n");發(fā)送相應(yīng)指令；設(shè)置Wi-Fi的名稱和密碼使用Uart1_SendStr("AT+CWSAP=\"TEST\",\"12345678\",1,3\r\n");

發(fā)送指令；之后，采用

Uart1_SendStr("AT+CIPMUX=1\r\n");

建立多路連接模式，這樣就能讓一個(gè)或多個(gè)ESP8266向手機(jī)端發(fā)送數(shù)據(jù)；再配置端口號(hào)為8080，使用

Uart1_SendStr("AT+CIPSERVER=1,8080\r\n");

發(fā)送指令；完成上述步驟后，即可開始發(fā)送數(shù)據(jù)。圖4.6無(wú)線控制程序流程圖5系統(tǒng)調(diào)試與測(cè)試5.1焊接調(diào)試在對(duì)智能盆栽系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試前，需全面做好準(zhǔn)備工作。仔細(xì)檢查所有元器件，保證其質(zhì)量過(guò)關(guān)、功能穩(wěn)定可靠，重點(diǎn)關(guān)注傳感器的精度、微控制器的性能等關(guān)鍵部件參數(shù)。按照電路圖精準(zhǔn)擺放元器件位置。鑒于智能盆栽系統(tǒng)的復(fù)雜性，采用分模塊安裝、逐級(jí)調(diào)試再聯(lián)合調(diào)試的策略。調(diào)試過(guò)程中，使用萬(wàn)用表測(cè)量電路中的電壓、電流等參數(shù)。實(shí)物圖片如下；圖5.1實(shí)物連接圖5.2功能測(cè)試具體的調(diào)試步驟如下所示：要在編程環(huán)境當(dāng)中完成智能盆栽系統(tǒng)控制程序的編寫工作，緊接著嚴(yán)格依照規(guī)范開展編譯、連接等相關(guān)操作，以此保證程序不存在語(yǔ)法錯(cuò)誤并且可正常運(yùn)行，根據(jù)智能盆栽系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，把土壤濕度傳感器、光照傳感器、溫濕度傳感器、水泵驅(qū)動(dòng)模塊以及主控芯片等各個(gè)組件準(zhǔn)確無(wú)誤地連接起來(lái)，構(gòu)建起完整的硬件系統(tǒng)。認(rèn)真研讀各組件芯片的說(shuō)明書，充分掌握其工作原理，從基礎(chǔ)的傳感器數(shù)據(jù)采集模塊著手，逐個(gè)調(diào)試各個(gè)功能模塊，等到各模塊單獨(dú)調(diào)試成功之后，再把它們整合到一起，完成各模塊調(diào)試以后，將所有的源程序段按照順序連接起來(lái)，開展綜合調(diào)試，在綜合調(diào)試階段，重點(diǎn)關(guān)注各模塊之間的協(xié)同工作狀況，例如傳感器數(shù)據(jù)傳輸?shù)街骺匦酒臏?zhǔn)確性、主控芯片對(duì)各執(zhí)行模塊控制指令的及時(shí)性等細(xì)節(jié)，借助這樣的方式最大程度地降低系統(tǒng)錯(cuò)誤，保證智能盆栽系統(tǒng)可穩(wěn)定且高效地運(yùn)行。5.2.1光照傳感器功能測(cè)試為了驗(yàn)證光照傳感器能否準(zhǔn)確檢測(cè)環(huán)境光照強(qiáng)度，并在不同光照條件下穩(wěn)定輸出數(shù)據(jù)，在手機(jī)中打開光照計(jì)軟件LuxLightMeter作為參考工具，在不同環(huán)境中記錄光照傳感器并與參考工具做對(duì)比并記錄誤差結(jié)果。測(cè)試記錄結(jié)果如下表所示，結(jié)果顯示光照傳感器能正常輸出數(shù)據(jù)，表5-1光照傳感器測(cè)試數(shù)據(jù)表光照條件傳感器輸出(lux)手機(jī)參考值(lux)誤差（%）全黑暗50—室內(nèi)自然光3203508.6臺(tái)燈直射120013007.75.2.2溫濕度傳感器功能測(cè)試為了驗(yàn)證溫濕度傳感器能否準(zhǔn)確檢測(cè)當(dāng)前環(huán)境的溫度和濕度，將溫濕度傳感器DHT11放于三種不同的環(huán)境中，分別是常溫常濕的室內(nèi)，高溫高濕的浴室，低溫低濕的冰箱中，并將家用溫濕度計(jì)作為參考工具作為對(duì)比，計(jì)算溫濕度傳感器的誤差值并記錄于表中，測(cè)試記錄結(jié)果如表所示，溫度平均誤差：±0.5℃，符合DHT11標(biāo)稱±2℃精度；濕度平均誤差：±3%RH，符合DHT11標(biāo)稱±5%RH精度。即傳感器在常規(guī)環(huán)境下精度達(dá)標(biāo)，可滿足盆栽監(jiān)測(cè)需求。表5-2溫濕度傳感器測(cè)試數(shù)據(jù)表測(cè)試環(huán)境傳感器溫度（℃）參考溫度（℃）傳感器濕度（%）參考濕度（%）常溫常濕24.525.05150高溫高濕34.235.08385低溫低濕4.85.029305.2.3系統(tǒng)整體功能測(cè)試將模塊連接完畢后，將土壤濕度閾值設(shè)置為40%，將土壤監(jiān)測(cè)器放入植物盆栽中，測(cè)試時(shí)間為12：00—19：00，每個(gè)小時(shí)都定期觀察OLED顯示器的數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)的記錄，查看水泵能否正常工作。測(cè)試結(jié)果如表所示，在變化的土壤濕度中，只要土壤濕度低于閾值，水泵就會(huì)正常工作，其他數(shù)據(jù)也能在OLED顯示器中正常監(jiān)測(cè)。表5-3系統(tǒng)功能測(cè)試數(shù)據(jù)表時(shí)間土壤濕度(%)環(huán)境溫度(℃)環(huán)境濕度（%）光照強(qiáng)度（lux）水泵是否正常工作12:005030501800否13:004831481500否14:004530451600否15:004329431300否16:003928401000是17:00412738800否18:00352635500是19:00332533300是5.2.4無(wú)線WIFI與APP連接測(cè)試打開手機(jī)的WIFI功能，并連接上ESP8266，打開設(shè)計(jì)的軟件嘗試連接并控制切換手動(dòng)控制或自動(dòng)模式，APP圖片如圖所示，數(shù)據(jù)都能在APP上實(shí)時(shí)可見，功能可正常使用。圖5.2APP連接圖6結(jié)論與展望6.1研究成果總結(jié)這是基于STM32單片機(jī)的盆栽智能灌溉系統(tǒng)。它能全面監(jiān)測(cè)和智能控制盆栽生長(zhǎng)環(huán)境。在硬件設(shè)計(jì)部分，系統(tǒng)集成了土壤濕度傳感器、溫濕度傳感器、光照強(qiáng)度傳感器等多種傳感器，能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確地采集土壤濕度、環(huán)境溫濕度、光照強(qiáng)度等關(guān)鍵環(huán)境參數(shù)。這些傳感器通過(guò)設(shè)計(jì)的接口電路和單片機(jī)連在一起，保證數(shù)據(jù)能穩(wěn)定采集并傳輸。系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)為盆栽提供合適的灌溉量為植物創(chuàng)造適宜的生長(zhǎng)環(huán)境。光照強(qiáng)度傳感器采用光敏電阻，通過(guò)檢測(cè)光照強(qiáng)度的變化，幫助用戶了解植物的光照需求，合理調(diào)整盆栽的擺放位置。灌溉控制模塊通過(guò)水泵、繼電器和驅(qū)動(dòng)電路的協(xié)同工作，當(dāng)土壤濕度低于設(shè)定閾值時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)水泵進(jìn)行灌溉；當(dāng)土壤濕度達(dá)到或超過(guò)設(shè)定閾值時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)停止灌溉，避免了過(guò)度澆水對(duì)植物造成傷害。用戶既可以通過(guò)按鍵進(jìn)行本地手動(dòng)灌溉操作，也可以通過(guò)無(wú)線通信模塊實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，滿足了用戶在不同場(chǎng)景下的需求。數(shù)據(jù)顯示模塊用了OLED液晶顯示屏，能夠清晰地顯示土壤濕度、環(huán)境溫濕度、光照強(qiáng)度、灌溉狀態(tài)等信息，方便用戶實(shí)時(shí)了解盆栽植物的系統(tǒng)狀態(tài)。6.2研究不足與展望本研究成功實(shí)現(xiàn)了基于單片機(jī)的盆栽智能灌溉系統(tǒng)，在功能和性能上取得了一定成果，但還存在一些不足之處，有待改進(jìn)和完善。雖然當(dāng)前選用的傳感器可以達(dá)到基本的監(jiān)測(cè)需求，但在長(zhǎng)期使用過(guò)程中，傳感器的測(cè)量精度會(huì)出現(xiàn)偏差，影響系統(tǒng)的控制準(zhǔn)確性。土壤濕度傳感器在不同類型土壤中的適應(yīng)性有待加強(qiáng)，對(duì)于一些特殊土壤，如沙質(zhì)土壤或粘性土壤，測(cè)量誤差可能會(huì)增大。未來(lái)可以考慮選用更穩(wěn)定的傳感器，例如基于新型材料的土壤濕度傳感器，提高對(duì)不同土壤類型的適應(yīng)性。在實(shí)際應(yīng)用中，無(wú)線通信模塊可能會(huì)受到信號(hào)干擾、距離限制等因素影響，在信號(hào)遮擋嚴(yán)重的環(huán)境中，通信質(zhì)量會(huì)明顯下降，未來(lái)可以改進(jìn)通信協(xié)議，加上數(shù)據(jù)檢查和重新傳輸?shù)墓δ?，保證數(shù)據(jù)能準(zhǔn)確穩(wěn)定地傳輸。參考文獻(xiàn)王芳,李立,周濤.基于多源傳感的智能灌溉決策模型研究[J].灌溉排水學(xué)報(bào),2021,40(5):45-52.張強(qiáng),