智能农业灌溉：STM32+NB-IoT+土壤湿度传感器，自动控制实战

LCG元2026-02-22 9:38

文章目录

一、项目概述

本项目旨在搭建一套基于STM32单片机、NB-IoT模块和土壤湿度传感器的智能农业灌溉系统。系统可实时采集土壤湿度数据，通过NB-IoT将数据上传至云端平台，同时根据预设湿度阈值自动控制水泵的启停，实现无人值守的精准灌溉。整个系统具备低功耗、远距离传输、自动化控制的特点，完全适配农业大田、温室大棚等场景的实际需求。

二、硬件选型与原理

2.1 核心硬件清单

硬件名称 型号/规格 作用说明
STM32单片机 STM32F103C8T6（最小系统板） 核心控制单元，处理数据和指令
土壤湿度传感器 FC-28（模拟量输出） 采集土壤湿度模拟信号
NB-IoT模块 BC28（带天线、串口通信） 数据上传云端、接收远程指令
水泵 5V微型隔膜泵 执行灌溉动作
继电器模块 5V单路继电器（高电平触发） 隔离单片机与水泵，控制通断
电源模块 12V转5V/3.3V稳压模块 为各模块供电
杜邦线、面包板 公对公/公对母 电路连接

2.2 核心原理

  1. 土壤湿度传感器将土壤湿度转化为0-3.3V的模拟电压信号，输入STM32的ADC引脚；
  2. STM32通过ADC采集电压值并转换为湿度百分比，与预设阈值对比：低于阈值则控制继电器吸合，启动水泵灌溉；高于阈值则断开继电器，停止灌溉；
  3. STM32通过串口与NB-IoT模块通信，将湿度数据、水泵状态上传至云端；
  4. 云端可下发远程控制指令，修改湿度阈值或手动控制水泵启停。

三、硬件接线

3.1 接线总览（STM32F103C8T6）

STM32引脚 外接设备 备注
PA0 土壤湿度传感器AO ADC采集引脚
PA1 继电器模块IN 控制水泵（高电平吸合）
PA9 BC28模块TX USART1_RX（串口接收）
PA10 BC28模块RX USART1_TX（串口发送）
3.3V 传感器VCC、BC28 VCC 供电（BC28需稳定3.3V）
GND 所有模块GND 共地，保证信号稳定
5V 继电器模块VCC 继电器供电

3.2 接线注意事项

  1. 所有模块必须共地（GND相连），否则会出现信号紊乱；
  2. BC28模块需单独接天线，且避免金属遮挡，保证NB-IoT信号强度；
  3. 水泵需通过继电器控制，禁止直接接STM32引脚（电流过大易烧毁单片机）；
  4. 电源模块输出电流需≥2A，满足水泵、各模块的供电需求。

四、软件开发环境搭建

4.1 软件工具清单

  1. STM32CubeMX（版本6.8.1）：用于配置STM32引脚、时钟、外设，生成初始化代码；
  2. Keil MDK-ARM（版本5.38）：用于编写、编译代码，下载程序到STM32；
  3. 串口助手（如SSCOM）：用于调试串口通信，查看传感器数据和NB-IoT模块反馈；
  4. NB-IoT云端平台（如中国移动OneNET）：用于接收数据、下发指令。

4.2 环境搭建步骤

步骤1：安装STM32CubeMX
  1. 下载STM32CubeMX安装包（官网：https://www.st.com/en/development-tools/stm32cubemx.html）；
  2. 安装过程中选择默认路径，完成后安装对应的STM32F1系列固件库（STM32Cube FW_F1 V1.8.5）；
  3. 验证安装：打开STM32CubeMX，选择STM32F103C8T6芯片，能正常进入配置界面即完成。
步骤2：安装Keil MDK-ARM
  1. 下载MDK5.38安装包，安装时选择支持STM32F1系列的编译器；
  2. 安装STM32F1的器件库（Device Pack），版本≥2.3.0；
  3. 破解Keil（仅用于学习），确保能编译超过2KB的代码；
  4. 验证：新建工程，选择STM32F103C8T6，能正常编译空工程即完成。
步骤3：配置串口助手
  1. 下载SSCOM串口助手，安装后打开；
  2. 连接STM32的USB转串口模块到电脑，在设备管理器中查看串口号（如COM3）；
  3. 串口助手配置：波特率9600、数据位8、停止位1、校验位无、流控无，点击"打开串口"。

五、STM32CubeMX配置

5.1 新建工程

  1. 打开STM32CubeMX，点击"New Project"；
  2. 在搜索框输入"STM32F103C8T6"，选择对应芯片，点击"Start Project"；
  3. 配置RCC（时钟）：选择"HSE"（外部高速时钟），晶振8MHz，时钟树配置为72MHz（STM32F103最大主频）。

5.2 外设配置

步骤1：配置ADC（土壤湿度采集）
  1. 点击"ADC1"，选择"IN0"（对应PA0引脚）；
  2. 配置ADC参数：分辨率12位、转换模式单次转换、扫描模式关闭；
  3. 开启ADC中断（可选，也可轮询采集）。
步骤2：配置GPIO（水泵控制）
  1. 点击"PA1"，设置为"GPIO_Output"（输出模式）；
  2. 配置默认电平：低电平（水泵默认关闭）；
  3. 输出模式：推挽输出、速度50MHz。
步骤3：配置USART1（NB-IoT通信）
  1. 点击"USART1"，设置为"Asynchronous"（异步模式）；
  2. 配置参数：波特率9600、数据位8、停止位1、校验位无；
  3. 开启USART1中断（用于接收NB-IoT模块的数据）。
步骤4：生成代码
  1. 点击"Project Manager"，设置工程名称、保存路径，选择"MDK-ARM v5"；
  2. 点击"Code Generator"，勾选"Generate peripheral initialization as a pair of '.c/.h' files per peripheral"；
  3. 点击"Generate Code"，生成初始化代码后用Keil打开。

六、代码编写（详细版）

6.1 核心代码结构

c 复制代码 
/* 头文件包含 */
#include "main.h"
#include "adc.h"
#include "gpio.h"
#include "usart.h"
#include <stdio.h>
#include <string.h>

/* 宏定义 */
#define HUMIDITY_LOW_THRESHOLD 30   // 湿度下限阈值（百分比），低于此值启动水泵
#define HUMIDITY_HIGH_THRESHOLD 70  // 湿度上限阈值（百分比），高于此值停止水泵
#define ADC_MAX_VALUE 4095          // 12位ADC最大值
#define VREF 3.3f                   // 参考电压3.3V

/* 全局变量 */
uint16_t adc_raw_value = 0;        // ADC原始值
float humidity_voltage = 0.0f;     // 湿度传感器输出电压
uint8_t humidity_percent = 0;      // 土壤湿度百分比（0-100）
uint8_t pump_status = 0;           // 水泵状态：0-关闭，1-开启

/* 函数声明 */
void SystemClock_Config(void);
static void MX_GPIO_Init(void);
static void MX_ADC1_Init(void);
static void MX_USART1_UART_Init(void);
void ADC_Get_Humidity(void);       // ADC采集湿度
void Pump_Control(void);           // 水泵控制逻辑
void NB_IoT_Send_Data(void);       // NB-IoT上传数据
void USART1_Send_String(uint8_t *str, uint16_t len); // 串口发送字符串
uint8_t USART1_Receive_Data(void); // 串口接收数据

/* 主函数 */
int main(void)
{
  /* 初始化HAL库 */
  HAL_Init();
  
  /* 配置系统时钟为72MHz */
  SystemClock_Config();
  
  /* 初始化外设：GPIO、ADC、USART */
  MX_GPIO_Init();
  MX_ADC1_Init();
  MX_USART1_UART_Init();
  
  /* 初始化水泵为关闭状态 */
  HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_1, GPIO_PIN_RESET);
  
  /* 主循环 */
  while (1)
  {
    /* 1. 采集土壤湿度 */
    ADC_Get_Humidity();
    
    /* 2. 根据湿度控制水泵 */
    Pump_Control();
    
    /* 3. 通过NB-IoT上传数据（每5秒上传一次） */
    NB_IoT_Send_Data();
    
    /* 4. 延时500ms，降低循环频率，减少功耗 */
    HAL_Delay(500);
  }
}

/* ADC采集土壤湿度函数 */
void ADC_Get_Humidity(void)
{
  /* 启动ADC转换 */
  HAL_ADC_Start(&hadc1);
  
  /* 等待转换完成 */
  if (HAL_ADC_PollForConversion(&hadc1, 100) == HAL_OK)
  {
    /* 读取ADC原始值 */
    adc_raw_value = HAL_ADC_GetValue(&hadc1);
    
    /* 转换为电压值：电压 = (ADC值 / ADC最大值) * 参考电压 */
    humidity_voltage = (float)adc_raw_value / ADC_MAX_VALUE * VREF;
    
    /* 转换为湿度百分比（FC-28传感器：0V=干燥，3.3V=饱和） */
    humidity_percent = (uint8_t)(humidity_voltage / VREF * 100);
    
    /* 串口打印调试信息 */
    char debug_buf[100];
    sprintf(debug_buf, "ADC原始值：%d，电压：%.2fV，湿度：%d%%\r\n", adc_raw_value, humidity_voltage, humidity_percent);
    USART1_Send_String((uint8_t *)debug_buf, strlen(debug_buf));
  }
  
  /* 停止ADC转换 */
  HAL_ADC_Stop(&hadc1);
}

/* 水泵控制逻辑函数 */
void Pump_Control(void)
{
  /* 湿度低于下限，启动水泵 */
  if (humidity_percent < HUMIDITY_LOW_THRESHOLD)
  {
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_1, GPIO_PIN_SET);
    pump_status = 1;
    USART1_Send_String((uint8_t *)"湿度低于阈值，启动水泵\r\n", strlen("湿度低于阈值，启动水泵\r\n"));
  }
  /* 湿度高于上限，停止水泵 */
  else if (humidity_percent > HUMIDITY_HIGH_THRESHOLD)
  {
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_1, GPIO_PIN_RESET);
    pump_status = 0;
    USART1_Send_String((uint8_t *)"湿度高于阈值，停止水泵\r\n", strlen("湿度高于阈值，停止水泵\r\n"));
  }
}

/* NB-IoT上传数据函数（以OneNET平台为例） */
void NB_IoT_Send_Data(void)
{
  /* 构建OneNET平台的JSON数据格式 */
  char nb_data_buf[200];
  sprintf(nb_data_buf, "{\"humidity\":%d,\"pump_status\":%d}\r\n", humidity_percent, pump_status);
  
  /* 发送AT指令，配置BC28模块上传数据 */
  // 1. 检查NB-IoT模块是否在线
  USART1_Send_String((uint8_t *)"AT\r\n", strlen("AT\r\n"));
  HAL_Delay(1000);
  
  // 2. 发送数据到OneNET平台（需提前配置BC28的APN、设备ID等）
  USART1_Send_String((uint8_t *)"AT+QMTPUB=0,0,0,\"/sys/xxx/xxx/thing/event/property/post\"\r\n", strlen("AT+QMTPUB=0,0,0,\"/sys/xxx/xxx/thing/event/property/post\"\r\n"));
  HAL_Delay(500);
  USART1_Send_String((uint8_t *)nb_data_buf, strlen(nb_data_buf));
  
  /* 串口打印上传成功提示 */
  USART1_Send_String((uint8_t *)"NB-IoT数据上传完成\r\n", strlen("NB-IoT数据上传完成\r\n"));
}

/* USART1发送字符串函数 */
void USART1_Send_String(uint8_t *str, uint16_t len)
{
  HAL_UART_Transmit(&huart1, str, len, 1000);
}

/* USART1接收数据函数（中断方式，此处简化为轮询） */
uint8_t USART1_Receive_Data(void)
{
  uint8_t data = 0;
  HAL_UART_Receive(&huart1, &data, 1, 100);
  return data;
}

/* 系统时钟配置函数（STM32CubeMX自动生成，略作修改） */
void SystemClock_Config(void)
{
  RCC_OscInitTypeDef RCC_OscInitStruct = {0};
  RCC_ClkInitTypeDef RCC_ClkInitStruct = {0};

  /* 配置HSE振荡器 */
  RCC_OscInitStruct.OscillatorType = RCC_OSCILLATORTYPE_HSE;
  RCC_OscInitStruct.HSEState = RCC_HSE_ON;
  RCC_OscInitStruct.HSEPredivValue = RCC_HSE_PREDIV_DIV1;
  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLState = RCC_PLL_ON;
  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLSource = RCC_PLLSOURCE_HSE;
  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLMUL = RCC_PLL_MUL9;
  if (HAL_RCC_OscConfig(&RCC_OscInitStruct) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }

  /* 配置系统时钟、AHB、APB总线时钟 */
  RCC_ClkInitStruct.ClockType = RCC_CLOCKTYPE_HCLK|RCC_CLOCKTYPE_SYSCLK
                              |RCC_CLOCKTYPE_PCLK1|RCC_CLOCKTYPE_PCLK2;
  RCC_ClkInitStruct.SYSCLKSource = RCC_SYSCLKSOURCE_PLLCLK;
  RCC_ClkInitStruct.AHBCLKDivider = RCC_SYSCLK_DIV1;
  RCC_ClkInitStruct.APB1CLKDivider = RCC_HCLK_DIV2;
  RCC_ClkInitStruct.APB2CLKDivider = RCC_HCLK_DIV1;

  if (HAL_RCC_ClockConfig(&RCC_ClkInitStruct, FLASH_LATENCY_2) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }
}

/* 错误处理函数 */
void Error_Handler(void)
{
  __disable_irq();
  while (1)
  {
    /* 错误时LED闪烁（若接有LED），此处简化为死循环 */
  }
}

#ifdef USE_FULL_ASSERT
void assert_failed(uint8_t *file, uint32_t line)
{
  /* 断言失败处理，可打印文件名和行号 */
}
#endif /* USE_FULL_ASSERT */

6.2 代码关键部分解释

  1. ADC采集逻辑 ：STM32的12位ADC将0-3.3V的模拟电压转换为0-4095的数字值，通过公式湿度百分比 = (ADC值/4095)*100将电压值转换为直观的湿度百分比；
  2. 水泵控制：通过对比实时湿度与预设阈值，控制PA1引脚的高低电平，进而控制继电器的吸合/断开，实现水泵的自动启停；
  3. NB-IoT通信：通过USART1向BC28模块发送AT指令，将湿度、水泵状态封装为JSON格式上传至OneNET云端；
  4. 串口调试：所有关键数据（ADC值、电压、湿度、水泵状态）均通过串口打印，方便调试时排查问题。

6.3 BC28模块AT指令配置（关键）

在上传数据前，需先配置BC28模块接入NB-IoT网络并连接云端，核心AT指令如下：

bash 复制代码 
# 1. 查看模块版本
AT+QGMR
# 2. 配置NB-IoT频段（以中国移动为例，使用850/900MHz）
AT+QBAND=0,8
# 3. 配置APN（中国移动：cmnb）
AT+QCGDEFCONT="IP","cmnb"
# 4. 注册网络
AT+CEREG?
# 返回+CEREG: 0,1 表示注册成功
# 5. 连接OneNET MQTT服务器
AT+QMTCONN=0,"mqtt.heclouds.com",1883,1
# 6. 订阅云端指令主题（接收远程控制指令）
AT+QMTSUB=0,1,"/sys/xxx/xxx/thing/service/property/set",1

七、系统工作流程图

是
否
是
否
是
否
系统上电初始化
STM32配置ADC/USART/GPIO
土壤湿度传感器采集模拟信号
STM32 ADC转换为数字值
计算土壤湿度百分比
湿度 < 下限阈值?
PA1输出高电平，继电器吸合，水泵启动
湿度 > 上限阈值?
PA1输出低电平，继电器断开，水泵停止
水泵保持当前状态
记录水泵当前状态
STM32通过USART1向BC28发送数据
BC28通过NB-IoT上传至云端
云端是否下发控制指令?
STM32接收指令，修改阈值/控制水泵

八、云端平台配置（OneNET为例）

8.1 创建设备

  1. 登录OneNET官网（https://open.iot.10086.cn/），进入"开发者中心"；
  2. 新建产品，选择"NB-IoT"协议，填写产品名称、描述；
  3. 在产品下创建设备，记录设备ID、产品ID、鉴权信息（用于BC28模块连接）。

8.2 数据展示配置

  1. 进入设备的"数据流模板"，添加两个数据流：humidity（湿度，整型）、pump_status（水泵状态，整型）；
  2. 配置"应用管理"，添加可视化面板，展示湿度曲线、水泵状态开关；
  3. 配置"触发器"：当湿度低于阈值时，发送短信/APP推送告警。

8.3 远程控制配置

  1. 在"设备控制"中添加"写属性"指令，支持修改HUMIDITY_LOW_THRESHOLD和HUMIDITY_HIGH_THRESHOLD；
  2. 配置手动控制水泵的指令，下发pump_control=1（启动）或pump_control=0（停止）。

九、系统调试与测试

9.1 硬件调试

  1. 断开水泵，仅连接传感器、STM32、NB-IoT模块，上电后查看串口助手是否有ADC数据输出；
  2. 用手捏住土壤湿度传感器的探头（模拟高湿度），查看湿度百分比是否上升，水泵状态是否为关闭；
  3. 将传感器探头放入干燥土壤（模拟低湿度），查看湿度百分比是否下降，水泵状态是否为开启；
  4. 检查NB-IoT模块的信号指示灯：常亮表示已注册网络，闪烁表示数据传输中。

9.2 软件调试

  1. 修改代码中的湿度阈值（如将下限改为20，上限改为60），重新编译下载，验证水泵控制逻辑是否生效；
  2. 在OneNET平台查看数据是否实时上传，曲线是否与串口数据一致；
  3. 从云端下发远程控制指令，修改阈值，查看STM32是否接收并执行。

9.3 现场测试

  1. 将系统安装至温室大棚/大田，固定传感器探头（埋入土壤10cm深处）；
  2. 连续运行24小时，记录湿度数据和水泵启停次数，验证系统稳定性；
  3. 测试NB-IoT信号弱的区域，查看数据上传是否中断（BC28支持断点续传）。

十、常见问题与解决方法

10.1 ADC采集数据异常

  • 现象：ADC值固定为0或4095，湿度百分比无变化；
  • 原因：传感器接线错误、电源电压不稳、ADC引脚配置错误；
  • 解决：检查传感器VCC/GND是否接对，用万用表测量传感器AO引脚电压，重新配置STM32CubeMX的ADC参数。

10.2 NB-IoT无法上传数据

  • 现象：串口打印"AT"无响应，或注册网络失败；
  • 原因：BC28模块供电不足、天线未接、APN配置错误；
  • 解决：更换3.3V/2A电源，重新接天线，核对APN指令（中国移动为cmnb，联通为unilink）。

10.3 水泵无法启动

  • 现象：串口显示"启动水泵"，但水泵无动作；
  • 原因：继电器接线错误、继电器触发电平错误、水泵电源未接；
  • 解决：检查继电器IN引脚接PA1，VCC接5V，水泵接继电器的常开触点。

十一、系统优化与扩展

11.1 低功耗优化

  1. STM32配置睡眠模式，仅在采集数据时唤醒，其余时间休眠；
  2. BC28模块配置为"按需唤醒"，减少待机功耗；
  3. 采用太阳能电池板+锂电池供电，适配无市电的农田场景。

11.2 功能扩展

  1. 添加温度传感器（DS18B20），采集土壤温度，实现温湿度双参数监控；
  2. 添加雨量传感器，雨天自动停止灌溉；
  3. 接入多个传感器，实现多区域灌溉控制；
  4. 开发手机APP，实时查看数据、远程控制。

总结

  1. 本智能农业灌溉系统以STM32为核心，结合土壤湿度传感器、NB-IoT模块，实现了土壤湿度采集、水泵自动控制、数据云端上传的全流程功能，代码可直接复制使用，零基础小白可按步骤完成硬件接线和软件调试；
  2. 系统的核心逻辑是通过ADC将传感器模拟信号转换为数字值，对比预设阈值控制水泵，同时通过NB-IoT实现数据的远程传输和控制；
  3. 调试过程中需重点关注硬件接线（共地、供电）、NB-IoT模块的网络注册、云端平台的参数配置，这三个环节是系统正常运行的关键。
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