精准灌溉优化与高效水资源利用：基于IoT的农业解决方案
引言
传统农业实践缺乏实时监控和高效操作，导致效率低下和产量不高。本项目旨在利用物联网（IoT）技术和低成本通信协议，设计一个解决方案来解决这一问题。提出的解决方案将集成实时监测农业田地数据和天气条件，通过Wi-Fi、蜂窝接入和长距离通信协议进行数据传输。目标是通过灌溉实践、自动化病虫害管理、牲畜监测、车辆跟踪、田地、动物和鸟类轨迹以及库存监测等各种任务，提高操作效率和产量水平。
解决方案概述
本解决方案基于IoT技术，允许通过蜂窝通信协议远程执行所有这些必要任务。此外，将结合机器学习（ML）技术和图像处理技术，以维持田间三种植物养分的比例：氮（N）、磷（P）和钾（K）。目标是设计一个可持续的IoT解决方案，使传统农业实践更加便捷和高效。
硬件和软件需求
硬件需求：
- ESP32微控制器（WROOM）x 2
- SX1278 LoRa模块（Ra-02 433 MHz）x 2
- DHT-11温度传感器 x 1
- 土壤湿度传感器 x 1
- 继电器模块（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
- 跳线 x 15
软件需求：
- Arduino IDE（ESP32编程）
- Fritzing（电路设计）
- HTML
- CSS
- Javascript
- Bootstrap
- Flask
系统架构
系统架构主要分为两个部分：
- 农场现场部署
- 农民家庭设置
农场现场：
- 农场由一系列传感器组成，用于监测与土壤湿度和温度相关的参数。
- 传感器连接到农场现场的微控制器ESP32。所有由传感器收集和感知的数据首先在该ESP32上观察。
- ESP32然后将数据发送到LoRa发送器模块（RA-02），使用SPI通信协议。
- LoRa然后以相同的频率（433 MHz）传输这些数据到接收器模块，准备接收数据。
- ESP32还连接到田间的喷灌机制，以便根据接收到的数据进行分析来调节和控制电机泵。
农民家庭：
- 从农场现场传输的数据由农民家中的LoRa接收器接收，距离约15公里，数据损失不大。
- 接收器LoRa模块然后将这些数据传输到农民家中连接到互联网的ESP32。
- 家用ESP32充当Web服务器，收集并推送传入数据到本地托管的Flask网站，并使用AJAX进行实时数据上传和实时数据显示。
- 它还帮助存储和监测数据。
电子设置
本节展示了使项目运行所需的整体电子设置。左侧系统由农场现场的组件组成，LoRa模块建立了低成本和长距离通信，通信频率为433 MHz。右侧系统部署在农民家中，负责接收数据并将其推送到本地托管的ESP32 Web服务器，并在网站上实时显示数据。
编程实现
编程部分分为四个主要方面：
- 发送器
- 接收器
- 实时网站显示
- 用于水泵执行的基于ML的模型
发送器代码：
该代码旨在读取DHT11温度和湿度传感器以及土壤湿度传感器的数据，然后使用LoRa收发器无线传输读数。代码包括必要的库，定义引脚，设置函数和循环函数，用于初始化串行监视器，DHT11传感器和LoRa收发器模块，并在433 MHz频率下开始LoRa通信。
ESP32 --------------------------- Lo-Ra
GND ------------------------- GND
3.3V -------------------------- VCC
GPIO5 -------------------------- NSS
GPIO23 -------------------------- MOSI
GPIO19 -------------------------- MISO
GPIO18 -------------------------- SCK
GPIO14 -------------------------- RST
GPIO2 -------------------------- DIO0
接收器代码：
该代码旨在接收LoRa发射器的传感器数据，根据水泵状态控制LED，并提供Web界面以显示传感器数据和水泵状态。代码包括必要的库，定义引脚和变量，设置函数和循环函数，用于处理Web服务器的传入客户端请求，控制LED以及解析传入的LoRa数据包。
ESP32 --------------------------- Lo-Ra
GND ------------------------- GND
3.3V -------------------------- VCC
GPIO5 -------------------------- NSS
GPIO23 -------------------------- MOSI
GPIO19 -------------------------- MISO
GPIO18 -------------------------- SCK
GPIO14 -------------------------- RST
GPIO2 -------------------------- DIO0
ML管道预测：
主要目标是使用基于ML的方法根据从农场现场接收到的实时传感器数据打开和关闭水泵。它为我们提供了一个ML模型，该模型可以转换为ONNX格式，并用于执行必要的执行。
实时网站数据显示：
此Python代码使用Flask创建Web应用程序，根据传感器数据预测水泵状态和土壤湿度，使用ONNX模型进行推理。
运行项目
项目设置现已准备就绪，包括电子和编码方面。现在可以一次性运行整个项目。按照以下顺序运行项目：
- 首先打开Arduino IDE，然后运行第一个代码文件LoRa_Sender.ino。
- 一旦服务器运行，就在另一个ESP32上运行LoRa_Receiver.ino代码。
- 完成数据传输和接收后，记下您的ESP32服务器ID。
- 将此ID输入app.py文件，最后运行Flask应用程序以在网站上查看和显示数据。
希望这篇博文能帮助你了解如何使用IoT技术优化精准灌溉和高效水资源利用。如果你有任何问题或想要分享你的项目，请在评论区留言。让我们在农业科技的世界里一起探索和创新吧！
希望你喜欢这个项目，并在构建过程中找到乐趣！如果你有任何问题或需要帮助，欢迎在评论区交流。
作者：Svan.
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