一、项目介绍

本系统是一款基于物联网技术的智能园艺灌溉解决方案，通过STM32G431Rx微控制器作为核心处理器，配合ESP32-MINI-1实现云端连接，实现自动化、智能化的植物养护管理。系统具备精准灌溉控制、电池状态监控、水泵故障检测与自动维护等功能，特别适用于家庭花园、阳台种植等场景。

1.1 硬件介绍

上图为本次系统演示使用到的全部功能模块，包含 Make Blocks 1 ~ 6 期设计的全部模块。

1.2 功能概览

1.3 设计思路

系统采用“感知-决策-执行”的闭环控制架构：

• 感知层：通过多种传感器采集环境数据（土壤湿度）和设备状态（电池电压、水泵电流）
• 决策层：STM32根据预设策略、传感器数据和云端指令综合判断，生成控制指令
• 执行层：控制水泵启停，执行正常灌溉或反冲洗流程
• 通信层：ESP32负责与云端保持双向通信，实现远程监控和控制

二、功能实现

2.1 软件流程图

2.2 实现过程

ESP32通信模块实现

// ESP32配置为STA模式连接家庭Wi-Fi
// 通过AT指令与STM32通信，简化主控编程
void ESP32_Init(void) {
    UART_SendString("AT+RST\r\n");          // 重启模块
    UART_SendString("AT+CWMODE=1\r\n");     // 设置为STA模式
    UART_SendString("AT+CWJAP=\"SSID\",\"PASSWORD\"\r\n"); // 连接Wi-Fi
    UART_SendString("AT+MQTTUSERCFG=0,1,\"clientID\",\"username\",\"password\",0,0,\"\"\r\n");
    UART_SendString("AT+MQTTCONN=0,\"broker.address\",1883,1\r\n"); // 连接MQTT服务器
    UART_SendString("AT+MQTTSUB=0,\"garden/irrigation/cmd\",1\r\n"); // 订阅控制主题
}

电池监控实现现

INA226 INA(0x40, &twoWire);                             // INA226
// INA 226 初始化
bool inaInitialized = false;
for (int i = 0; i < 5; i++) {  // 尝试5次初始化
  if(INA.begin()) {
    inaInitialized = true;
    safeSerialPrintln("INA226 initialized successfully");
    INA.setMaxCurrentShunt(5, 0.025);
    break;
  } else {
    safeSerialPrintf("INA226 initialization failed, attempt %d/5\n", i+1);
    vTaskDelay(1000 / portTICK_PERIOD_MS);
  }
}

while (1) {
  // 读取原始INA226数据
  float rawBusVoltage = INA.getBusVoltage();
  float rawShuntVoltage = INA.getShuntVoltage_mV();
  float rawCurrent_mA = INA.getCurrent_mA();
  float rawPower_mW = INA.getPower_mW();
  
  // 应用滤波处理
  busVoltage = filterINA226Data(busVoltageBuffer, &ina226BufferIndex, rawBusVoltage, INA226_FILTER_SIZE);
  shuntVoltage = filterINA226Data(shuntVoltageBuffer, &ina226BufferIndex, rawShuntVoltage, INA226_FILTER_SIZE);
  current_mA = filterINA226Data(currentMaBuffer, &ina226BufferIndex, rawCurrent_mA, INA226_FILTER_SIZE);
  power_mW = filterINA226Data(powerMwBuffer, &ina226BufferIndex, rawPower_mW, INA226_FILTER_SIZE);
}

温湿度数据采集

 // 初始化DHT11传感器
DHT dht(DHT11_PIN, DHT11); // DHT11传感器初始化
dht.begin();

// 读取DHT11温湿度数据
temperature = dht.readTemperature();
humidity = dht.readHumidity();

水泵控制

// 电机控制任务
void TaskMotorControl(void *pvParameters) {
  (void) pvParameters;
  
  // 初始化电机控制引脚
  pinMode(D5, OUTPUT);
  pinMode(D6, OUTPUT);
  digitalWrite(D5, HIGH);
  digitalWrite(D6, HIGH);

  while (1) {
    if (motorDirection) {
      // 正转：D6输出低电平，D5输出PWM
      digitalWrite(D6, LOW);
      analogWrite(D5, motorSpeed);
    } else {
      // 反转：D5输出低电平，D6输出PWM
      digitalWrite(D5, LOW);
      analogWrite(D6, motorSpeed);
    }

    vTaskDelay(100 / portTICK_PERIOD_MS); // 100ms刷新一次
  }
}

三、功能展示

系统工作状态

正常灌溉模式

• 土壤湿度低于阈值或定时触发
• 水泵以正常电流范围（80-120mA）工作
• 电池状态实时监控并显示
• 灌溉时长根据设置自动控制

故障检测与处理

• 当水泵电流持续超过180mA时，系统判定为堵塞
• 自动触发反冲洗流程，无需人工干预
• 反冲洗过程状态实时上报云端

四、总结

项目成果

本项目成功实现了一套完整的智能园艺灌溉系统，具备以下特点：

1. 智能化程度高：实现了基于土壤湿度、定时计划和远程控制的多模式灌溉策略
2. 可靠性强：通过多级保护机制（低压保护、过流保护、堵塞检测）确保系统稳定运行
3. 维护便捷：自动反冲洗功能显著减少了水泵维护需求
4. 用户体验好：通过智能家居平台提供直观的远程监控和控制界面
5. 节能环保：精细化的灌溉控制和低功耗设计，有效节约水资源和电能

技术亮点

• 采用STM32G431Rx与ESP32-MINI-1组合，兼顾了实时控制与网络连接需求
• INA226高精度电量监测，实现准确的电池状态评估
• ACS712实时电流监测，创新的堵塞检测与自动维护机制
• 模块化设计，便于功能扩展和维护升级

改进方向

1. 功能扩展：增加更多环境传感器（温度、光照）实现更智能的灌溉策略
2. 节能优化：进一步优化低功耗策略，延长电池续航时间
3. 水源管理：集成水位传感器，实现自动补水功能
4. 数据分析：增加历史数据记录与分析，提供灌溉优化建议
5. 机械结构：设计防水外壳和标准化接口，提升户外耐用性

应用前景

本系统不仅适用于家庭园艺，稍加改造后可扩展至农业大棚、城市绿化、高尔夫球场等场景。通过云平台的集中管理，可实现对分布式灌溉系统的规模化智能控制，具有良好的市场应用前景和推广价值。

遇到的问题

1. 演示时不小心短路将INA226模块烧毁，导致无法测量电流和功率，电压显示也偏低了很多。
2. 手上没有合适的水泵，也因天气寒冷，使用了一个减速电机代替进行功能测试。
3. ACS712测量小电流时的零漂有点大，导致测量到的电流比实际值大了一些。另外使用ACS712原本是可以测量交流水泵的电流的，只因主控芯片的ADC量程是3.3V，因此只能使用直流电机进行代替。

五、参考资料

• Arduino UNO R3官网
• Arduino UNO R3 数据手册
• ESP32-MINI-1(U)