家庭绿植灌溉系统方案设计

一、系统总体设计

1. 系统架构

[传感器层] → [STM32主控] → [执行机构]  
                              ↑                         ↓  
                       [电源模块]          [Wi-Fi模块] ↔ [云端服务器] ↔ [手机APP]

2. 核心功能

• 自动灌溉：根据土壤湿度、水箱水位动态调节灌溉。

• 数据监控：实时显示土壤湿度、水位、流量、电池状态。

• 远程控制：通过APP手动开关水泵、设置灌溉阈值。

• 异常报警：缺水提醒、传感器故障报警。

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二、硬件设计

1. 主控模块

• 芯片型号：STM32F103C8T6（性价比高，资源丰富）

• 外设需求：

  • ADC采集（土壤湿度、液位传感器）

  • 定时器（流量传感器脉冲计数）

  • GPIO（控制继电器、LED状态灯）

  • UART（Wi-Fi模块通信）

2. 传感器选型

传感器	型号	接口	功能
土壤水吸力传感器	TEROS 10 (METER Group)	模拟量(0-3V)	检测土壤含水量
液位传感器	HW-101（电容式）	模拟量/数字	监测水箱水位
流量传感器	YF-S201（霍尔式）	脉冲输出	统计灌溉水量（1L=450脉冲）

3. 执行机构

• 水泵：12V直流微型水泵（通过继电器控制）

• 电磁阀：可选（用于多管路切换）

4. 通信模块

• Wi-Fi模块：ESP8266-01S（AT指令，连接家庭路由器）

• 协议：MQTT（低功耗，实时性强）

5. 电源设计

• 输入：220V AC → 12V DC适配器（水泵供电）

• 降压模块：LM2596（12V→5V/3.3V，供主控和传感器）

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三、软件设计

1. STM32固件开发（Keil MDK）

// 主程序逻辑
void main() {
  init_ADC();      // 初始化ADC（土壤湿度、液位）
  init_TIMER();    // 初始化定时器（流量脉冲计数）
  init_UART();     // 初始化串口（ESP8266通信）
  init_GPIO();     // 初始化继电器、LED

  while(1) {
    read_sensors(); // 读取传感器数据
    if (soil_humidity < threshold) start_pump(); 
    send_data_to_cloud(); // 通过MQTT上传数据
    check_app_command();  // 解析APP指令
  }
}

2. 通信协议设计

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四、关键算法

1. 自适应灌溉策略

• MQTT主题：

  • home/garden/status（传感器数据发布）
    
    home/garden/control（APP指令订阅）

• 数据格式（JSON）：

• {
    "soil_humidity": 45.2,
    "water_level": 80,
    "flow_rate": 12.5,
    "pump_status": "ON"
  }

• 3. 手机APP开发（Flutter框架）

• 功能界面：

  • 主页：实时数据仪表盘（湿度、水位、流量曲线）

  • 控制页：手动开关水泵、设置灌溉阈值

  • 报警页：推送缺水、设备离线通知

• 开发工具：

  • 前端：Flutter + Dart

  • 后端：阿里云IoT平台（托管MQTT Broker）

# 伪代码：根据土壤湿度动态调整灌溉
def adaptive_irrigation(soil_humidity, water_level):
    if soil_humidity < 30% and water_level > 20%:
        pump_time = (40% - soil_humidity) * 2  # 线性调节
        start_pump(pump_time)
    elif water_level < 20%:
        send_alert("Low water level!")

2. 数据滤波处理

• 土壤湿度：滑动平均滤波（消除瞬态噪声）

• 流量统计：脉冲计数 + 时间窗口校准

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五、系统调试与优化

1. 传感器校准：

   • 土壤传感器：干/湿状态标定（0% = 完全干燥，100% = 饱和）

   • 液位传感器：空/满水箱电压标定

2. 功耗优化：

   • STM32休眠模式（无灌溉时进入低功耗）

   • ESP8266定时唤醒（每5分钟上传数据）

3. 安全性：

   • APP端HTTPS加密通信

   • 水泵最大运行时间限制（防过载）

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六、材料清单（BOM）

组件	型号/参数	数量	单价（元）
STM32F103C8T6	核心板	1	25
ESP8266-01S	Wi-Fi模块	1	12
TEROS 10	土壤湿度传感器	1	180
YF-S201	霍尔流量传感器	1	35
12V水泵	DC微型潜水泵	1	30
5V继电器模块	SRD-05VDC-SL-C	1	5
水箱	5L塑料容器	1	15
总计			≈300元

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七、预期效果

• 节水率：比传统定时灌溉节省30%水量

• 控制精度：土壤湿度误差<±5%

• 响应速度：APP指令延迟<1秒

此方案兼顾成本与功能，适合家庭用户扩展和维护。