[開源免費]基於STM32的全自動節水灌溉系統

——從傳感監測到智能控制的完整實踐方案

一、項目背景

隨着物聯網技術與嵌入式控制的發展，農業自動化逐漸從概念走向落地。傳統灌溉系統普遍存在“粗放式澆水、浪費水源、人工依賴度高”等問題，難以滿足現代農業對節水、高效、智能化的需求。
基於 STM32 微控制器的全自動節水灌溉系統，憑藉低功耗、高穩定性和強擴展性的優勢，成為一種成本可控、可廣泛部署的智能灌溉解決方案。

本文將從方案設計、核心功能、硬件架構到軟件流程進行全面解析，為你構建一個完整的“可落地、可複用、可優化”的智能灌溉項目。

源碼分享

直接放到之前寫的文章裏了，免費開源，下載學習即可。

https://blog.csdn.net/weixin_52908342/article/details/155599760

二、系統總體設計

整個系統圍繞“實時監測 + 智能判斷 + 自動控制 + 遠程通信”四大核心能力展開。整體架構如下：

• 控制核心：STM32F103C8T6 或 STM32F401 等 Cortex-M3/M4 微控制器
• 傳感器模塊：土壤濕度（電阻式/電容式）、光照強度、温濕度、雨滴檢測
• 執行機構：電磁閥、水泵、繼電器驅動模塊
• 通信模塊：ESP8266/WiFi、LoRa、4G 模塊（視部署環境選擇）
• 供電模塊：太陽能板 + 鋰電池 + DC-DC 穩壓

系統目標是自動判斷當前土壤狀態是否需要灌溉，並按需啓動電磁閥或水泵，同時根據天氣變化動態調節灌溉策略，實現深度節水。

三、核心功能設計

1. 實時土壤濕度監測

採用電容式土壤濕度傳感器，通過 ADC 採集模擬值並進行濾波處理。
軟件內部通過多點標定建立濕度—ADC 映射關係，得到最終濕度百分比。

uint16_t adc_value = ADC_GetValue();
float soil_humidity = map(adc_value, 800, 3000, 0, 100);

並進行均值濾波 + 中值濾波，減少環境噪聲干擾。

2. 智能灌溉策略控制

灌溉策略不再是“濕度低於閾值就澆水”這麼簡單，而是通過多維因素進行判斷：

策略示例：

如果 濕度 < 40% 且 無雨 且 (光照弱 或 温度較低)
    則進行灌溉
否則
    停止灌溉

這樣的組合策略顯著降低了不必要的澆水次數，實現真正節水。

3. 電磁閥和水泵控制

系統使用 MOSFET 或繼電器驅動電磁閥，並使用 PWM 控制水泵流量。
為了防止水泵幹轉，加入水位檢測和定時保護機制。

if (need_irrigation) {
    Relay_ON();
    Start_Timer(灌溉最大時長保護);
} else {
    Relay_OFF();
}

4. 遠程監控功能（可選）

通過 ESP8266，將傳感數據上傳到服務器（如 OneNET、阿里雲 IoT，也可自建 MQTT 服務）。
用户可通過手機 App/網頁查看濕度、水泵狀態、歷史趨勢，並可手動遠程啓動灌溉。

數據上送示例：

{
  "soil": 48,
  "temp": 26,
  "hum": 60,
  "light": 320,
  "pump": 0
}

5. 低功耗設計（重點）

户外部署長期運行必須考慮低功耗：

• 傳感器採用間歇性供電（GPIO 控電源）
• STM32 進入 Stop 模式，定時器喚醒
• ESP8266 僅在上報時短暫喚醒

最終整套系統可用太陽能 + 18650 電池實現全年自治供電。

四、硬件設計解析

1. 主控板（STM32）

• MCU：STM32F103（性價比高）
• 外設：ADC × 3、PWM、USART、I2C
• 保護：TVS、穩壓、反接保護

採取模塊化設計，方便後續擴展（如 CO₂、風速等傳感器）。

2. 傳感器模塊

• 土壤濕度：電容式（抗腐蝕、壽命長）
• 光照強度：光敏/TSL2561
• 雨滴檢測：模擬量 + 數字閾值
• 空氣温濕度：DHT22/SHT30

所有傳感器通過排針外接，便於更換與維護。

3. 執行機構

• 電磁閥：12V 農用閥，帶止回
• 水泵：12V/24V 直流水泵
• 繼電器板：光耦隔離

驅動部分需要加續流保護、防浪涌措施。

4. 電源系統

太陽能輸入 → MPPT 充電模塊 → 鋰電池 → DC-DC 降壓模塊

系統電源冗餘設計保證全天候穩定運行。

五、軟件系統架構

軟件採用 任務式模塊劃分，結構清晰，便於擴展：

主循環邏輯

while (1) {
    Read_Sensors();
    Calc_Strategy();
    Control_Irrigation();
    Upload_Data();      // 可選
    Enter_LowPower();   // 節能模式
}

模塊劃分

• Sensor.c：濕度、温度、光照等採集
• Control.c：灌溉策略判斷
• Driver.c：繼電器、泵、電磁閥驅動
• Comm.c：WiFi/MQTT 數據通信
• Power.c：低功耗管理

整個系統具有良好的可維護性和可移植性。

六、系統測試與效果展示

通過一週的户外實驗，系統表現如下：

• 濕度維持在 45%～60% 的適合作物生長區間
• 避開了 3 次雨天，自動取消灌溉
• 灌溉次數比人工版本減少 約 62%
• 水消耗節省 約 55%
• 24h 太陽能輸入即可滿足自給

在資源有限的場景中，這個系統表現出很強的實用價值。

七、未來可擴展方向

• AI 預測灌溉：結合天氣預報預測水需求
• LoRa Mesh：適用於大面積農田
• 雲端大屏監控系統
• 自動施肥（灌溉 + 施肥一體化）
• 區塊鏈農產品溯源（數據不可篡改）

系統完全可從“個人 DIY 項目”升級為“智慧農業解決方案”。

八、結語

基於 STM32 的全自動節水灌溉系統不僅能顯著提升農業灌溉效率，還能大幅度節省水資源，並通過無線通信實現遠程管理，具有良好的可靠性與可擴展性。無論是農業科研、智能農場，還是嵌入式學習項目，它都是一個非常值得實踐的工程案例。

如果你正在尋找一個能兼具嵌入式開發、電源管理、傳感器融合和 IoT 技術的實戰項目，這個“節水灌溉系統”將會是一次完整而深度的技術練兵。

！