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精準(zhǔn)灌溉優(yōu)化與高效水資源利用：基于IoT的農(nóng)業(yè)解決方案
引言
傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)實踐缺乏實時監(jiān)控和高效操作，導(dǎo)致效率低下和產(chǎn)量不高。本項目旨在利用物聯(lián)網(wǎng)（IoT）技術(shù)和低成本通信協(xié)議，設(shè)計一個解決方案來解決這一問題。提出的解決方案將集成實時監(jiān)測農(nóng)業(yè)田地數(shù)據(jù)和天氣條件，通過Wi-Fi、蜂窩接入和長距離通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。目標(biāo)是通過灌溉實踐、自動化病蟲害管理、牲畜監(jiān)測、車輛跟蹤、田地、動物和鳥類軌跡以及庫存監(jiān)測等各種任務(wù)，提高操作效率和產(chǎn)量水平。
解決方案概述
本解決方案基于IoT技術(shù)，允許通過蜂窩通信協(xié)議遠(yuǎn)程執(zhí)行所有這些必要任務(wù)。此外，將結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）技術(shù)和圖像處理技術(shù)，以維持田間三種植物養(yǎng)分的比例：氮（N）、磷（P）和鉀（K）。目標(biāo)是設(shè)計一個可持續(xù)的IoT解決方案，使傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)實踐更加便捷和高效。
硬件和軟件需求
硬件需求：
- ESP32微控制器（WROOM）x 2
- SX1278 LoRa模塊（Ra-02 433 MHz）x 2
- DHT-11溫度傳感器 x 1
- 土壤濕度傳感器 x 1
- 繼電器模塊（5V）x 1
- 12V直流水泵 x 1
- LED（演示用途，代替水泵）x 1
- 面包板 x 1
- 跳線 x 15
軟件需求：
系統(tǒng)架構(gòu)
系統(tǒng)架構(gòu)主要分為兩個部分：
- 農(nóng)場現(xiàn)場部署
- 農(nóng)民家庭設(shè)置
農(nóng)場現(xiàn)場：
- 農(nóng)場由一系列傳感器組成，用于監(jiān)測與土壤濕度和溫度相關(guān)的參數(shù)。
- 傳感器連接到農(nóng)場現(xiàn)場的微控制器ESP32。所有由傳感器收集和感知的數(shù)據(jù)首先在該ESP32上觀察。
- ESP32然后將數(shù)據(jù)發(fā)送到LoRa發(fā)送器模塊（RA-02），使用SPI通信協(xié)議。
- LoRa然后以相同的頻率（433 MHz）傳輸這些數(shù)據(jù)到接收器模塊，準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)。
- ESP32還連接到田間的噴灌機(jī)制，以便根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析來調(diào)節(jié)和控制電機(jī)泵。
農(nóng)民家庭：
- 從農(nóng)場現(xiàn)場傳輸?shù)臄?shù)據(jù)由農(nóng)民家中的LoRa接收器接收，距離約15公里，數(shù)據(jù)損失不大。
- 接收器LoRa模塊然后將這些數(shù)據(jù)傳輸?shù)睫r(nóng)民家中連接到互聯(lián)網(wǎng)的ESP32。
- 家用ESP32充當(dāng)Web服務(wù)器，收集并推送傳入數(shù)據(jù)到本地托管的Flask網(wǎng)站，并使用AJAX進(jìn)行實時數(shù)據(jù)上傳和實時數(shù)據(jù)顯示。
- 它還幫助存儲和監(jiān)測數(shù)據(jù)。
電子設(shè)置
本節(jié)展示了使項目運行所需的整體電子設(shè)置。左側(cè)系統(tǒng)由農(nóng)場現(xiàn)場的組件組成，LoRa模塊建立了低成本和長距離通信，通信頻率為433 MHz。右側(cè)系統(tǒng)部署在農(nóng)民家中，負(fù)責(zé)接收數(shù)據(jù)并將其推送到本地托管的ESP32 Web服務(wù)器，并在網(wǎng)站上實時顯示數(shù)據(jù)。
編程實現(xiàn)
編程部分分為四個主要方面：
- 發(fā)送器
- 接收器
- 實時網(wǎng)站顯示
- 用于水泵執(zhí)行的基于ML的模型
發(fā)送器代碼：
該代碼旨在讀取DHT11溫度和濕度傳感器以及土壤濕度傳感器的數(shù)據(jù)，然后使用LoRa收發(fā)器無線傳輸讀數(shù)。代碼包括必要的庫，定義引腳，設(shè)置函數(shù)和循環(huán)函數(shù)，用于初始化串行監(jiān)視器，DHT11傳感器和LoRa收發(fā)器模塊，并在433 MHz頻率下開始LoRa通信。
ESP32 --------------------------- Lo-Ra
GND ------------------------- GND
3.3V -------------------------- VCC
GPIO5 -------------------------- NSS
GPIO23 -------------------------- MOSI
GPIO19 -------------------------- MISO
GPIO18 -------------------------- SCK
GPIO14 -------------------------- RST
GPIO2 -------------------------- DIO0
接收器代碼：
該代碼旨在接收LoRa發(fā)射器的傳感器數(shù)據(jù)，根據(jù)水泵狀態(tài)控制LED，并提供Web界面以顯示傳感器數(shù)據(jù)和水泵狀態(tài)。代碼包括必要的庫，定義引腳和變量，設(shè)置函數(shù)和循環(huán)函數(shù)，用于處理Web服務(wù)器的傳入客戶端請求，控制LED以及解析傳入的LoRa數(shù)據(jù)包。
ESP32 --------------------------- Lo-Ra
GND ------------------------- GND
3.3V -------------------------- VCC
GPIO5 -------------------------- NSS
GPIO23 -------------------------- MOSI
GPIO19 -------------------------- MISO
GPIO18 -------------------------- SCK
GPIO14 -------------------------- RST
GPIO2 -------------------------- DIO0
ML管道預(yù)測：
主要目標(biāo)是使用基于ML的方法根據(jù)從農(nóng)場現(xiàn)場接收到的實時傳感器數(shù)據(jù)打開和關(guān)閉水泵。它為我們提供了一個ML模型，該模型可以轉(zhuǎn)換為ONNX格式，并用于執(zhí)行必要的執(zhí)行。
實時網(wǎng)站數(shù)據(jù)顯示：
此Python代碼使用Flask創(chuàng)建Web應(yīng)用程序，根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)預(yù)測水泵狀態(tài)和土壤濕度，使用ONNX模型進(jìn)行推理。
運行項目
項目設(shè)置現(xiàn)已準(zhǔn)備就緒，包括電子和編碼方面?，F(xiàn)在可以一次性運行整個項目。按照以下順序運行項目：
- 首先打開Arduino IDE，然后運行第一個代碼文件LoRa_Sender.ino。
- 一旦服務(wù)器運行，就在另一個ESP32上運行LoRa_Receiver.ino代碼。
- 完成數(shù)據(jù)傳輸和接收后，記下您的ESP32服務(wù)器ID。
- 將此ID輸入app.py文件，最后運行Flask應(yīng)用程序以在網(wǎng)站上查看和顯示數(shù)據(jù)。
希望這篇博文能幫助你了解如何使用IoT技術(shù)優(yōu)化精準(zhǔn)灌溉和高效水資源利用。如果你有任何問題或想要分享你的項目，請在評論區(qū)留言。讓我們在農(nóng)業(yè)科技的世界里一起探索和創(chuàng)新吧！
希望你喜歡這個項目，并在構(gòu)建過程中找到樂趣！如果你有任何問題或需要幫助，歡迎在評論區(qū)交流。
作者：Svan.
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