基于物联网的珍贵花卉智能养护系统设计与实现

摘要：为了降低花卉死亡率，本文设计并实现了一套基于LoRa 无线通信技术的智能花卉养护系统。该系统采用STM32F103作为主控芯片，移植FreeRTOS 实时操作系统进行任务管理，集成多种环境传感器，实现对花卉生长环境的实时监测。系统利用LoRa 技术将数据传输至终端，为养护花卉人员提供可视化的数据支持，并最终提供花卉养护指导。实验结果表明，该系统具备低功耗、远距离通信和高精度等优点，具有一定的应用价值。

关键词：物联网; 养护系统; 珍贵花卉; LoRa 无线通信技术; STM32; 传感器; FreeRTOS

中图分类号：TP311 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2025）06-0103-03开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

0 引言

近年来，随着人们生活水平的提高，花卉市场需求不断扩大，但因花卉养护不当而造成的经济损失也日益严重，高昂的植物养护成本已成为限制花卉行业高质量发展的主要障碍[1]。目前，在花卉养护领域，人们在日常生活中大多仍采取传统方式，培养在陶瓷或塑料等器皿内，手动浇水，且人工判断主观性强，缺乏实时数据支持。虽然近年来市场上出现了一些机械式半自动浇灌装置，但这些装置很难根据土壤湿度或植物习性来控制浇水量，且无法实现远程监控。因此，此类产品因功能单一和智能化不足等原因未能在市场上普及。

为了解决这些问题，本设计基于STM32F103的花卉养护系统[2]，实现了对花卉光照强度、土壤温湿度、酸碱度、氮磷钾含量等环境数据的检测。检测结果通过LoRa组网无线通信进行传输并存储[3]，使用者可通过OLED显示屏或上传至PC进行后台监控，从而确保花卉生长环境的稳定与健康。该系统具有低功耗、稳定性强以及远距离传输等优点，具有一定的实时性和智能性。

1系统整体方案设计

系统主要由主控单片机模块、各类数据监测传感器模块、无线通信模块、显示模块和存储模块构成，所有传感器和模块之间均可通过单片机进行交互通信。传感器主要采用BH1750光照传感器、YL-69土壤温湿度传感器、SN-3000-TR土壤酸碱度传感器[4]以及氮磷钾传感器[5]。无线通信模块选用能够进行长距离稳定传输的LoRa通信模块Ra-01及SX1278。此外，系统外置了W25Q128存储器模块和OLED显示模块，以增强系统的数据存储与可视化能力，从而确保花卉环境数据的真实性和完整性。图1所示为该系统的整体框架结构图。

1.1 单片机主控模块

该花卉养护系统采用基于ARM Cortex-M3内核的32 位微控制器STM32F103C8T6，封装类型为3L.Q6FVP，4具8，备其2主0K频B的可S达RA7M2M，配Hz有，供2个电看电门压狗范定围时为器（2.0独～立看门狗IWDG和窗口看门狗WWDG），1个24位向下计数的滴答定时器SysTick，并配备丰富的外设接口，可接入传感器模块，包括但不限于SPI、IIC、USART、ADC、USB等。此外，其GPIO能够配置为多种输入输出模式，满足该系统在低功耗和高效能应用场景下的需求。该主控芯片的原理图如图2所示。

1.2 数据采集模块

1）光照传感器模块。系统采用BH1750光照传感器，该模块是一款数字型光照强度传感器，具备接近视觉灵敏度的光谱灵敏度特性，能够较为精准地测量周围环境的真实光照强度，其测量范围为0～65535lx，最小误差为±20%，并且对红外线的影响很小。BH1750通过IIC通信协议与单片机主控模块进行通信。当进入光窗的光强度越大，光电流随之增大，从而使电压增大，通过电压大小判断光照强度。

2）温湿度传感器模块。系统采用YL-69温湿度传感器，该模块主要由两个金属板组成，金属板之间填充了土壤作为介质。当土壤中含有水分时，水分会在两个金属板之间形成一个电容，其大小与土壤中的水分含量成正比。传感器测量电容的变化，并将其转换为电压信号输出。在STM32主控芯片端，需要实现一个ADC模数转换器以处理接收到的模拟数据，将其转换为数字信号，从而实现对土壤湿度的测量。其测量范围为0%～100%RH，精度为±5%RH，工作温度范围为-10～70℃。

3）酸碱度、氮磷钾传感器模块。系统采用 SN-3000-TR集成传感器，该模块是一种多功能土壤数据检测传感器，能够检测土壤的酸碱度和氮磷钾含量。在检测酸碱度时，探头采用p电极，信号稳定且精度高。传感器的输人电源和信号输出三部分完全隔离确保了安全性。其最大功耗在5V DC供电下为0.4W量程为 3～9pH，分辨率为0.1，工作温度范围为-20-60℃，响应时间小于10秒。在检测氮磷钾含量时，最大功耗为0.15W，量程为0～1999mgkg，分辨率为1mgkg，工作温度范围为-20～60℃℃，响应时间小于10秒，通过RS485协议与主控芯片进行通信。

1.3数据传输模块

1）LoRa 无线通信模块。系统采用Ra-01 和SX1278模块，该模块是一款LoRa无线通信模块，具备标准的LoRa™调制解调器，支持多种调制方式，包括FSK、GFSK、MSK、LoRa™以及OOK等。其支持频段为141400d～B52m5。MH硬z件，工接口作方电面压，模为块3采.3V用，S灵PI敏接口度，低支持至半-双工通信，并具有CRC校验功能，能够处理高达256 字节的数据包引擎。天线接口兼容多种接法，如邮票孔/圆孔和IPEX等。

1.4 数据处理模块

1）OLED显示模块。0.96寸OLED显示屏模块是一种小型显示屏，采用高亮PM OLED材料，通常用于嵌入式系统或小型设备，能够方便地显示即时数据。其分辨率为128×64，控制芯片为SSD1306，显示区域可 达 到 21.744×10.846mm，像 素 尺 寸 为 0.159× 0.159mm，像素间距为0.175×0.175mm，正常显示时功耗为0.04W，供电电压为3.3～5V，工作温度范围为- 30～70℃，通过IIC协议与主控芯片进行通信。

2）存储模块。W25Q128是一款串行NOR型闪存芯片，具有4 I/O固定、UID和OTP特性，支持易失性和非易失性状态寄存器，具备块/扇区写保护及可编程输出驱动强度等功能。该芯片广泛应用于需要非易失性存储的嵌入式系统和设备中，能够永久保存数据，断电后数据仍然存在。其存储容量为128Mb（16MB），由36.565V3，6工页作组温成度，范每围页为包-含402～5865℃字，节通，过工S作PI电协压议与为主2.7控～芯片进行通信。

2 系统软件设计

2.1整体软件设计

该系统的软件设计主要包括系统初始化、花卉环境数据采集、通信和数据显示监控四个部分。为了保证系统的流畅性和实时性，我们移植了FreeRTOS实时操作系统，并在此基础上进行后续的代码开发。由于该系统为开源项目，用户可以登录官网下载源码，并将源代码添加到STM32工程中。然而，该源码无法直接使用，需要配置FreeRTOSConfig.h文件，以调整FreeR⁃ TOS的行为，包括任务堆栈大小、任务优先级、SysTick 时钟节拍等。同时，添加heap_4.c作为本系统的内存管理方法。由于全部代码部分选择使用Keil5软件进行开发，因此需要保留源码中FreeRTOS/portable/RVDs 文件夹中的ARMCM3文件夹，以便与Keil5工程项目接口对接。编程语言为C语言，使用STM32标准库辅助开发，完成代码后，将其烧录至STM32单片机，并在上电后即可正常使用。软件流程图如图3所示。

2.2传感器数据采集单元设计

1）光照传感器模块。该模块使用IIC与单片机进行通信，这里选择STM32的IIC1。首先，需要使能单片机PB端口的时钟，开启PB6和PB7，并配置为上拉推挽输出模式，默认速率设为快速模式，以确保SCL 时钟信号和SDA数据信号的正确连接和处理。当IIC 总线进行数据传送时，有三种类型的信号是必须要用到的：起始信号、终止信号以及回应信号。其中，SCL 拉高时，SDA线从拉高到拉低的变化代表起始信号；而当SCL拉高时，SDA线从拉低到拉高的变化则表示终止信号。在IIC传输数据过程中，需要借助SCL时钟线逐位传输8位数据，每传输完8位数据后，需要等待响应。数据采集流程大致如下。

初始化BH1750；

跳过ROM；

把数据写入暂存器，之后在暂存器中读取数据；精度转换，进行读取采集数据，保留一位小数；数据采集完毕。

2）温湿度传感器模块。该模块通过RS485与单片机进行通信，使用USART外设的TX和RX引脚连接到RS485芯片的A和B线，并将DE/RE引脚连接到RS485芯片的控制引脚。总线空闲时，线上为高电平。起始位为一位逻辑0信号帧，表示传输的开始。数据位可以为7位或8位。若启用校验位，则逻辑1的位数应为偶数或奇数，具体取决于所选的奇偶校验方式；若不启用校验，则该位由一位数据帧替代。停止位可以是一位或两位逻辑1，用以标志一个数据字符的传输完成。数据采集流程大致如下。

初始化YL-69；

IO拉高，YL-69响应；

IO拉高，延时，传输数据；

先低后高读取采集数据；

数据采集完毕。

3）酸碱度、氮磷钾传感器模块。该模块同样通过RS485与单片机进行通信，配置过程与之前相同。该模块采集到的数据来自电阻式压敏传感器，该传感器利用外部施加的压力改变电阻值，从而进行模拟压力采集，并生成模拟信号。在实际应用中，需要通过ADC模数转换器将模拟信号转换为数字信号进行采集。首先，需要对采集通道进行配置，这里选择的采集通道为ADC_CHANNEL_0，设置优先级为1，采样时间设定为3个周期。数据转换完成后，将及时更新监测结果。数据传输采集大致如下。

系统初始化；

转换模拟通道；

采集数据；

进行A/D转换，读取数据；

数据传输，结束检测。

系统如果检测到某项数据超过阈值，意味着当前的花卉生长环境可能会对花卉造成不良影响。本系统利用STM32通过三极管驱动LED发光二极管来提供视觉警示效果，并激活蜂鸣器实现声音报警，提醒养护人员及时处理应对措施。

2.3 LoRa 无线通信单元设计

LoRa 通常有三种工作模式：Class A、Class B 和Class C。三种工作模式的具体区别如下：

1）Class A 为最基本的工作模式，设备之间能够双向通信。设备在发送数据后，会等待一个由基站设定的时间窗口，以接收来自基站的响应。该模式功耗较低，但只能在特定的时间窗口内接收数据，因此其实时性有所限制。

2）Class B 在具备Class A特点的基础上，增加了定时广播的功能，能够更灵活地在时间窗口内接收数据，提高了实时性。

3）Class C 是三种工作模式中实时性最高的模式，但由于接收窗口几乎全程打开，其功耗也会非常高。该模式主要用于接收紧急信号或救援信号，需要稳定持续的电源供给。

由于本系统无须时刻打开接收窗口，且没有大规模的供电条件，因此选择使用Class B工作模式，该模式既具有低功耗特性，又能在一定程度上保障实时性。

在配置LoRa 之前，由于接口被占用的原因，需要禁止STM32 的JTAG，从而使PA15 可以复用为普通IO端口。首先使能PA 端口时钟，配置模式为下拉推挽输出，速率为50 MHz，抢占优先级设置为2。接着配置LoRa通信参数，将LORA_MD0 置为1进入配置模式，设置为一般传输模式和透明传输，设置发射功率为20 dBm，信道为24，空中速率为2.4 kbps，休眠时间为1秒，模块地址为2，波特率为115200，无校验模式，最后将LORA_MD0 置为0 以退出配置模式。