基于无线传感网络的智慧农业智能控制终端设计

1. 无线通信技术在智慧农业中的应用

无线传感器网络由大量低成本的微型传感器节点构成，这些节点部署于目标监测区域，通过无线通信方式形成多跳自组织的网络系统[1]，能够协作完成覆盖区域内各类环境信息的实时感知、采集与处理[2]。无线通信以电磁波为传输媒介，通过节点间的数据交互实现 可应用于农业环境监测的无线通信技术主要包括 Bluetooth、RFID、ZigBee、LoRa 及 WiFi（基于 IEEE 802.11 协议）等，它们为农业数据的远程、低功耗、高可靠性传输提供了关键技术基础。其中，LoRa 技术因具备传输距离远、抗干扰能力强及能耗低等优势，尤其适合大范围农田环境下的分布式传感组网。

2. 系统总体架构设计

智能控制终端作为整个智慧农业系统的核心控制单元，承担数据汇聚、处理、决策与指令执行的关键任务，其性能直接影响系统的整体效能。本文提出的终端以STM32 微控制器和 LoRa 通信技术为核心，不仅支持多类型环境数据的采集与远程传输，还集成了先进的控制算法，能够依据实时环境数据精准控制灌溉、遮阳、通风等执行机构，有效提升农业生产的自动化管理水平。

该系统采用典型的三层拓扑架构，包括感知层、网络层和应用层：

感知层：由布置于农田内的多个传感节点组成，负责采集温度、湿度、光照、土壤参数等环境信息，并通过LoRa 通信模块将数据发送至网络层。

网络层：采用星型拓扑结构，以 LoRa 无线通信技术为主要传输方式。传感器节点与智能控制终端内置的LoRa 集中器直接通信，实现覆盖范围广（野外环境下通信距离可达3–5 公里）、功耗低的数据透传。

应用层：以智能控制终端为核心，完成数据的接收、融合、显示与存储，并依托内嵌的智能控制算法进行分析与决策，生成控制指 ，通过继电器模块操作水泵、电磁阀、卷膜机、风机等执行设备，完成对作物生长环境的动态调节。

3. 智能控制终端硬件设计

终端硬件系统模块：电源管理单元、主控 MCU（STM32F103 系列）、LoRa 集中器模块、OLED 显示模块、按键输入模块、5G/以太网远程通信模块、SD 卡存储模块、继电器控制模块及执行机构驱动电路。

主控制器选用 STM32F103ZET6，该芯片基于 ARM Cortex-M3 内核，具备丰富的外设接口如 GPIO、USART、SPI 和I2C 等，支持多通道传感器数据的并行采集与处理，满足复杂控制任务的需求。

数据采集与通信模块：除接入本地高精度传感器外，还通过 E22-400T30S LoRa 模块与远端传感节点进行通信。该模块运行于410MHz 频段，具备优良的穿透能力和抗干扰特性，适用于农田等开阔地域。人机交互单元包括0.96 英寸OLED 显示屏和四个功能按键，用于实时显示系统状态和参数，支持用户进行手动设置与模式切换。

数据存储模块：通过MicroSD 卡扩展存储空间，记录历史环境数据，为控制算法的优化与数据分析提供数据支持。控制输出采用光电隔离继电器，实现控制信号与执行机构强电电路的电气隔离，提升系统安全性与抗干扰能力。

电源管理模块基于220V AC 转5V/12V DC 开关电源设计，结合多路LDO 为各功能模块提供稳定供电。控制输出单元：采用成熟的光电隔离继电器模块，将STM32 的弱电控制信号与驱动水泵、电机等执行机构

的强电电路完全隔离，提高了系统的安全性和稳定性。

4. 智能控制终端软件设计

基于嵌入式实时操作系统软件设计是实现智能控制的关键，主程序流程包括系统初始化（时钟、GPIO、外设），读取本地传感器数据，接收LoRa 节点数据，数据融合与显示，控制算调用法，执行机构驱动及数据存储，构成闭环控制循环。

数据通信协议设计为轻量级应用层协议，数据包包含帧头、节点标识、传感器类型、数据长度、数据内容及CRC 校验字段，确保数据传输的可靠性与完整性。

智能控制算法支持手动与自动两种模式。手动模式下用户可通过本地按键或远程指令直接控制执行机构；自动模式下采用多参数融合的模糊 PID 控制算法，实现对环境变量的精准调控。

基础控制采用阈值策略，例如为土壤湿度设定上限H_max 和下限 H_min，进行启停控制，方法简单但适应性较差。为提升控制品质，引入模糊PID 算法，以土壤湿度偏差e 和偏差变化率 ec 作为输入，通过模糊推理实时调整 PID 参数，实现平滑且精准的控制效果，显著提高资源利用效率。

异常处理机制：系统集成硬件看门狗及数据校验机制，对传感器数据异常、通信中断及执行机构故障进行诊断和报警，提升系统鲁棒性。

模糊PID 控制：为解决阈值控制的不足，针对灌溉系统引入了模糊PID 算法。以土壤湿度偏差 e 和偏差变化率ec 作为模糊控制器的输入，通过模糊规则库进行推理，实时在线调整PID 控制的 Kp、Ki、Kd 三个参数。这种算法能使灌溉过程更加平稳、精准，避免水资源浪费，实现了“按需灌溉”。

5. 系统测试与结果分析

为验证终端性能，搭建了一个小型模拟实验温室进行测试。

通信性能测试表明，LoRa 模块在低功耗模式下可实现超过2.5 公里的可靠通信，丢包率低于2%，满足大多数农业场景的覆盖需求。

控制功能测试中，设置土壤湿度阈值为 30%-60% ，系统能够准确启动和中止灌溉操作。对比传统PID 控制，模糊PID 控制策略显著减小超调，系统响应更平稳，节水效果提升。

经 72 小时连续运行测试，系统未出现宕机或误动作，数据采集与指令执行准确可靠，系统稳定性得到验证。

6. 结论与展望

本文设计并实现了一种基于 LoRa 无线传感网络的智慧农业智能控制终端，该终端具备高度集成、远距离通信、低功耗运行和智能决策能力，通过模糊 PID 等先进控制算法显著提升了农业环境调控的精度与自动化水平，有助于实现水、肥等资源的高效利用。

参考文献

[1]严新鑫.无线传感器网络密钥管理技术研究.《南京航空航天大学硕士论文》2010-12-01

[2]孙桂玲;罗仕胜;刘波.基于改进的 C/S 结构在无线传感器网络工作站中的应用[J] 《无线通信技术》2009-08-15.29-32+37

本文为省高等学校科学研究项目《基于 AIOT 的华为鸿蒙智慧农业灌溉系统研究》(项目编号：ZC2024058)阶段性研究成果。