基于物聯網的珍貴花卉智能養護系統設計與實現

摘要：為了降低花卉死亡率，本文設計并實現了一套基于LoRa 無線通信技術的智能花卉養護系統。該系統采用STM32F103作為主控芯片，移植FreeRTOS 實時操作系統進行任務管理，集成多種環境傳感器，實現對花卉生長環境的實時監測。系統利用LoRa 技術將數據傳輸至終端，為養護花卉人員提供可視化的數據支持，并最終提供花卉養護指導。實驗結果表明，該系統具備低功耗、遠距離通信和高精度等優點，具有一定的應用價值。

關鍵詞：物聯網; 養護系統; 珍貴花卉; LoRa 無線通信技術; STM32; 傳感器; FreeRTOS

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2025）06-0103-03開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

0 引言

近年來，隨著人們生活水平的提高，花卉市場需求不斷擴大，但因花卉養護不當而造成的經濟損失也日益嚴重，高昂的植物養護成本已成為限制花卉行業高質量發展的主要障礙[1]。目前，在花卉養護領域，人們在日常生活中大多仍采取傳統方式，培養在陶瓷或塑料等器皿內，手動澆水，且人工判斷主觀性強，缺乏實時數據支持。雖然近年來市場上出現了一些機械式半自動澆灌裝置，但這些裝置很難根據土壤濕度或植物習性來控制澆水量，且無法實現遠程監控。因此，此類產品因功能單一和智能化不足等原因未能在市場上普及。

為了解決這些問題，本設計基于STM32F103的花卉養護系統[2]，實現了對花卉光照強度、土壤溫濕度、酸堿度、氮磷鉀含量等環境數據的檢測。檢測結果通過LoRa組網無線通信進行傳輸并存儲[3]，使用者可通過OLED顯示屏或上傳至PC進行后臺監控，從而確?；ɑ苌L環境的穩定與健康。該系統具有低功耗、穩定性強以及遠距離傳輸等優點，具有一定的實時性和智能性。

1系統整體方案設計

系統主要由主控單片機模塊、各類數據監測傳感器模塊、無線通信模塊、顯示模塊和存儲模塊構成，所有傳感器和模塊之間均可通過單片機進行交互通信。傳感器主要采用BH1750光照傳感器、YL-69土壤溫濕度傳感器、SN-3000-TR土壤酸堿度傳感器[4]以及氮磷鉀傳感器[5]。無線通信模塊選用能夠進行長距離穩定傳輸的LoRa通信模塊Ra-01及SX1278。此外，系統外置了W25Q128存儲器模塊和OLED顯示模塊，以增強系統的數據存儲與可視化能力，從而確保花卉環境數據的真實性和完整性。圖1所示為該系統的整體框架結構圖。

1.1 單片機主控模塊

該花卉養護系統采用基于ARM Cortex-M3內核的32 位微控制器STM32F103C8T6，封裝類型為3L.Q6FVP，4具8，備其2主0K頻B的可S達RA7M2M，配Hz有，供2個電看電門壓狗范定圍時為器（2.0獨～立看門狗IWDG和窗口看門狗WWDG），1個24位向下計數的滴答定時器SysTick，并配備豐富的外設接口，可接入傳感器模塊，包括但不限于SPI、IIC、USART、ADC、USB等。此外，其GPIO能夠配置為多種輸入輸出模式，滿足該系統在低功耗和高效能應用場景下的需求。該主控芯片的原理圖如圖2所示。

1.2 數據采集模塊

1）光照傳感器模塊。系統采用BH1750光照傳感器，該模塊是一款數字型光照強度傳感器，具備接近視覺靈敏度的光譜靈敏度特性，能夠較為精準地測量周圍環境的真實光照強度，其測量范圍為0～65535lx，最小誤差為±20%，并且對紅外線的影響很小。BH1750通過IIC通信協議與單片機主控模塊進行通信。當進入光窗的光強度越大，光電流隨之增大，從而使電壓增大，通過電壓大小判斷光照強度。

2）溫濕度傳感器模塊。系統采用YL-69溫濕度傳感器，該模塊主要由兩個金屬板組成，金屬板之間填充了土壤作為介質。當土壤中含有水分時，水分會在兩個金屬板之間形成一個電容，其大小與土壤中的水分含量成正比。傳感器測量電容的變化，并將其轉換為電壓信號輸出。在STM32主控芯片端，需要實現一個ADC模數轉換器以處理接收到的模擬數據，將其轉換為數字信號，從而實現對土壤濕度的測量。其測量范圍為0%～100%RH，精度為±5%RH，工作溫度范圍為-10～70℃。

3）酸堿度、氮磷鉀傳感器模塊。系統采用 SN-3000-TR集成傳感器，該模塊是一種多功能土壤數據檢測傳感器，能夠檢測土壤的酸堿度和氮磷鉀含量。在檢測酸堿度時，探頭采用p電極，信號穩定且精度高。傳感器的輸人電源和信號輸出三部分完全隔離確保了安全性。其最大功耗在5V DC供電下為0.4W量程為 3～9pH，分辨率為0.1，工作溫度范圍為-20-60℃，響應時間小于10秒。在檢測氮磷鉀含量時，最大功耗為0.15W，量程為0～1999mgkg，分辨率為1mgkg，工作溫度范圍為-20～60℃℃，響應時間小于10秒，通過RS485協議與主控芯片進行通信。

1.3數據傳輸模塊

1）LoRa 無線通信模塊。系統采用Ra-01 和SX1278模塊，該模塊是一款LoRa無線通信模塊，具備標準的LoRa?調制解調器，支持多種調制方式，包括FSK、GFSK、MSK、LoRa?以及OOK等。其支持頻段為141400d～B52m5。MH硬z件，工接口作方電面壓，模為塊3采.3V用，S靈PI敏接口度，低支持至半-雙工通信，并具有CRC校驗功能，能夠處理高達256 字節的數據包引擎。天線接口兼容多種接法，如郵票孔/圓孔和IPEX等。

1.4 數據處理模塊

1）OLED顯示模塊。0.96寸OLED顯示屏模塊是一種小型顯示屏，采用高亮PM OLED材料，通常用于嵌入式系統或小型設備，能夠方便地顯示即時數據。其分辨率為128×64，控制芯片為SSD1306，顯示區域可 達 到 21.744×10.846mm，像 素 尺 寸 為 0.159× 0.159mm，像素間距為0.175×0.175mm，正常顯示時功耗為0.04W，供電電壓為3.3～5V，工作溫度范圍為- 30～70℃，通過IIC協議與主控芯片進行通信。

2）存儲模塊。W25Q128是一款串行NOR型閃存芯片，具有4 I/O固定、UID和OTP特性，支持易失性和非易失性狀態寄存器，具備塊/扇區寫保護及可編程輸出驅動強度等功能。該芯片廣泛應用于需要非易失性存儲的嵌入式系統和設備中，能夠永久保存數據，斷電后數據仍然存在。其存儲容量為128Mb（16MB），由36.565V3，6工頁作組溫成度，范每圍頁為包-含402～5865℃字，節通，過工S作PI電協壓議與為主2.7控～芯片進行通信。

2 系統軟件設計

2.1整體軟件設計

該系統的軟件設計主要包括系統初始化、花卉環境數據采集、通信和數據顯示監控四個部分。為了保證系統的流暢性和實時性，我們移植了FreeRTOS實時操作系統，并在此基礎上進行后續的代碼開發。由于該系統為開源項目，用戶可以登錄官網下載源碼，并將源代碼添加到STM32工程中。然而，該源碼無法直接使用，需要配置FreeRTOSConfig.h文件，以調整FreeR? TOS的行為，包括任務堆棧大小、任務優先級、SysTick 時鐘節拍等。同時，添加heap_4.c作為本系統的內存管理方法。由于全部代碼部分選擇使用Keil5軟件進行開發，因此需要保留源碼中FreeRTOS/portable/RVDs 文件夾中的ARMCM3文件夾，以便與Keil5工程項目接口對接。編程語言為C語言，使用STM32標準庫輔助開發，完成代碼后，將其燒錄至STM32單片機，并在上電后即可正常使用。軟件流程圖如圖3所示。

2.2傳感器數據采集單元設計

1）光照傳感器模塊。該模塊使用IIC與單片機進行通信，這里選擇STM32的IIC1。首先，需要使能單片機PB端口的時鐘，開啟PB6和PB7，并配置為上拉推挽輸出模式，默認速率設為快速模式，以確保SCL 時鐘信號和SDA數據信號的正確連接和處理。當IIC 總線進行數據傳送時，有三種類型的信號是必須要用到的：起始信號、終止信號以及回應信號。其中，SCL 拉高時，SDA線從拉高到拉低的變化代表起始信號；而當SCL拉高時，SDA線從拉低到拉高的變化則表示終止信號。在IIC傳輸數據過程中，需要借助SCL時鐘線逐位傳輸8位數據，每傳輸完8位數據后，需要等待響應。數據采集流程大致如下。

初始化BH1750；

跳過ROM；

把數據寫入暫存器，之后在暫存器中讀取數據；精度轉換，進行讀取采集數據，保留一位小數；數據采集完畢。

2）溫濕度傳感器模塊。該模塊通過RS485與單片機進行通信，使用USART外設的TX和RX引腳連接到RS485芯片的A和B線，并將DE/RE引腳連接到RS485芯片的控制引腳。總線空閑時，線上為高電平。起始位為一位邏輯0信號幀，表示傳輸的開始。數據位可以為7位或8位。若啟用校驗位，則邏輯1的位數應為偶數或奇數，具體取決于所選的奇偶校驗方式；若不啟用校驗，則該位由一位數據幀替代。停止位可以是一位或兩位邏輯1，用以標志一個數據字符的傳輸完成。數據采集流程大致如下。

初始化YL-69；

IO拉高，YL-69響應；

IO拉高，延時，傳輸數據；

先低后高讀取采集數據；

數據采集完畢。

3）酸堿度、氮磷鉀傳感器模塊。該模塊同樣通過RS485與單片機進行通信，配置過程與之前相同。該模塊采集到的數據來自電阻式壓敏傳感器，該傳感器利用外部施加的壓力改變電阻值，從而進行模擬壓力采集，并生成模擬信號。在實際應用中，需要通過ADC模數轉換器將模擬信號轉換為數字信號進行采集。首先，需要對采集通道進行配置，這里選擇的采集通道為ADC_CHANNEL_0，設置優先級為1，采樣時間設定為3個周期。數據轉換完成后，將及時更新監測結果。數據傳輸采集大致如下。

系統初始化；

轉換模擬通道；

采集數據；

進行A/D轉換，讀取數據；

數據傳輸，結束檢測。

系統如果檢測到某項數據超過閾值，意味著當前的花卉生長環境可能會對花卉造成不良影響。本系統利用STM32通過三極管驅動LED發光二極管來提供視覺警示效果，并激活蜂鳴器實現聲音報警，提醒養護人員及時處理應對措施。

2.3 LoRa 無線通信單元設計

LoRa 通常有三種工作模式：Class A、Class B 和Class C。三種工作模式的具體區別如下：

1）Class A 為最基本的工作模式，設備之間能夠雙向通信。設備在發送數據后，會等待一個由基站設定的時間窗口，以接收來自基站的響應。該模式功耗較低，但只能在特定的時間窗口內接收數據，因此其實時性有所限制。

2）Class B 在具備Class A特點的基礎上，增加了定時廣播的功能，能夠更靈活地在時間窗口內接收數據，提高了實時性。

3）Class C 是三種工作模式中實時性最高的模式，但由于接收窗口幾乎全程打開，其功耗也會非常高。該模式主要用于接收緊急信號或救援信號，需要穩定持續的電源供給。

由于本系統無須時刻打開接收窗口，且沒有大規模的供電條件，因此選擇使用Class B工作模式，該模式既具有低功耗特性，又能在一定程度上保障實時性。

在配置LoRa 之前，由于接口被占用的原因，需要禁止STM32 的JTAG，從而使PA15 可以復用為普通IO端口。首先使能PA 端口時鐘，配置模式為下拉推挽輸出，速率為50 MHz，搶占優先級設置為2。接著配置LoRa通信參數，將LORA_MD0 置為1進入配置模式，設置為一般傳輸模式和透明傳輸，設置發射功率為20 dBm，信道為24，空中速率為2.4 kbps，休眠時間為1秒，模塊地址為2，波特率為115200，無校驗模式，最后將LORA_MD0 置為0 以退出配置模式。

鑒于該系統不需要即時檢測數據，設定采集節點每次間隔10 秒將所有環境數據打包至一個結構體，通過LoRa 無線通信協議發送至匯聚節點。在編程時，創建LoRa 發送單元的任務優先級為最高，但每次執行完一次數據發送后，使用vTaskDelay 函數讓該任務休眠10 秒，否則其他任務將無法搶占CPU 資源進行正常工作。

2.4 OLED 顯示單元設計

該模塊使用IIC與單片機進行通信，這里同樣選擇STM32的IIC1，配置參數一致，注意使用時的總線仲裁即可。

接下來，配置OLED 相關參數，設置為全屏全亮模式，并設定數據需要顯示的位置，包括起始行地址、低列地址和高列地址。最后，將振蕩器分頻設置為0xD5。STM32 內部建立一個緩存（共128×8 個字節），每次修改時，僅需修改STM32 上的緩存SRAM，修改完成后一次性將STM32 上的緩存數據寫入到OLED 的GRAM。在每次更新數據之前，需要對OLED 模塊進行清屏，以避免出現字符重疊現象。

2.5 數據存儲單元設計

該模塊通過SPI 與單片機進行通信，使能單片機的PB 端口時鐘，同時使能PB3、PB4、PB5 和PC13，配置為上拉推挽輸出模式，默認速率為100 MHz，無CRC 校驗。SPI 使用四根線進行通信：SCLK（時鐘線）、MOSI（主設備輸出，從設備輸入）、MISO（主設備輸入，從設備輸出）和SS（片選線），選擇模式3 進行通信，數據在時鐘的上升沿進行傳輸，空閑時保證SCLK 為高電平。

匯聚節點接收到花卉生長環境數據后，不僅會直接通過顯示器展示出來，還會記錄并存儲在FLASH 模塊中，以便日后查看。W25Q128 可以存儲16777216 個字節，每個字節占用一個地址，因此尋址范圍為 0- 16777215，對應的16 進制為0-0xFFFFF，因此該設備寄存器地址為24 位。在編寫該單元代碼時，由于此設備設定只能將數據從1 寫為0，而不能將0 寫為1，因此每次改變存儲數據之前，必須先進行數據擦除操作。數據擦除會將目標扇區的值全部重置為1。

2.6 數據預測單元設計

最后，本文額外提出了一種基于LSTM 的技術，用于預測花卉土壤的溫濕度。需要預測的數據為植物園花卉的土壤溫濕度參數，該數據在很大程度上反映了花卉的生長環境狀況。由于年份、季節和氣候的差異，這些參數的預測往往需要依賴于較長時間序列之前的歷史數據。而這一條件恰好契合了長短期記憶（LSTM）網絡有效解決長期依賴的問題。在獲取花卉環境數據時，得到原始數據后，我們借助小波閾值去噪模型參數，實現對各參數數據的去噪處理，以更好地適應模型的需求。該方法可以對數據進行分解和重構，從而消除數據中的噪聲，以達到更加精準的預測結果。針對花卉監測數據的時序性預測問題，我們采用三個指標來評估各個模型的預測效果，分別是均方根誤差（Root Mean Square Error，RMSE）、平均絕對誤差（Mean Absolute Error，MAE）和平均百分比誤差（Mean Absolute Percentage Error，MAPE）。最后，根據這三個指標的對比結果，判斷通過模型所得到的預測結果是否正確。

3 系統測試與結果分析

本系統的測試環境選擇在上海某植物園的室內花卉種植區進行現場測試。我們隨機挑選了一株杜鵑花，安裝本系統進行測試，測試方法為進行為期一周的持續監測。如果在此期間未發生錯誤，則視為測試成功。系統安裝完畢后，第一次測得的數據如圖4所示，該數據為之前未規律施肥和澆水時測得的數據。系統安裝一周后，保持穩定運行，未發生任何錯誤。圖5為一周測試結束后改善環境所測得的數據。

經過硬件和軟件部分的測試，驗證了本系統基本能夠達到預期目標，對花卉養護起到輔助作用。用戶能夠清晰地從顯示器上獲取花卉生長環境數據。在有確切數據的支持下，管理員能夠對澆水和施肥進行合理安排，并控制土壤的酸堿度，為杜鵑花提供優良的生長環境[6]，確保其健康成長。

與其他同類系統相比，大多數系統采用如 Zig? Bee、Wi-Fi、GSM 或GPRS等技術，雖然具備低功耗和自組網的特點，但傳輸距離較短；盡管這些技術具有快速高效的傳輸速度，但受到運營商的限制且費用較高。本系統采用LoRa 自組網的方式，實現了無線通信、低功耗和低成本的目標。

4 結論

綜上所述，本文設計的基于STM32F103單片機和LoRa組網無線通信的珍貴花卉養護系統，利用光照傳感器實時監測花卉生長環境。此外，數據通過LoRa 無線通信協議發送，使得系統能夠在任何地方運行，不受遠距離等因素的限制。本系統能夠有效解決因環境問題導致的花卉生長受損甚至意外死亡的情況，降低珍貴花卉的養護成本，帶來顯著的經濟效益。然而，由于時間和環境的限制，本系統仍存在許多不足之處，需要進一步完善。在花卉生長過程中，存在多種干擾因素，建議對這些干擾因素進行深入研究。在硬件設計方面，需要進一步優化，同時考慮到系統在運行過程中可能無法連接互聯網的問題，后續可以研發本地終端，開發本地數據庫以管理匯聚節點傳輸的采集數據。