大学生电子设计竞赛创新项目报告

大学生电子设计竞赛创新项目报告一、项目背景与意义大学生电子设计竞赛以“实践、创新、协作”为核心，旨在推动电子信息类专业工程能力培养。随着农业现代化发展，传统农业依赖人工监测的模式存在效率低、精度差、成本高等痛点，智慧农业对环境参数（温湿度、土壤墒情、气体浓度等）的实时监测与智能调控需求迫切。本项目聚焦农业生产场景，融合边缘计算与物联网技术，研发低成本、低功耗的环境监测与调控系统：解决偏远农田“网络覆盖弱、人工维护难”的问题；实现“数据采集-边缘分析-智能决策-设备调控”的闭环；助力农业精准化管理，兼具学术创新与产业应用价值。二、项目创新点（一）技术架构创新：边缘计算+轻量化AI模型传统农业监测依赖云端处理，存在“延迟高、网络依赖强”的缺陷。本项目在终端节点（边缘侧）部署轻量化机器学习模型（改进随机森林算法），对传感器数据（温湿度、CO₂浓度等）实时分析：仅上传异常数据或决策结果，传输带宽降低60%；决策延迟从“秒级”压缩至“百毫秒级”，适配农业场景的实时性需求。（二）硬件设计创新：模块化低功耗系统硬件采用“主控+传感器扩展+通信模块”的模块化设计，核心突破点：低功耗主控：选用STM32L4系列芯片，空闲时进入STOP模式（电流<5μA），配合太阳能+锂电池混合供电，续航能力提升至6个月以上；即插即用传感器：集成温湿度、土壤电导率、多光谱传感器，通过I2C/SPI接口快速扩展，适配不同作物需求；抗干扰设计：电源与传感器电路光耦隔离，模拟地与数字地单点连接，解决农田复杂环境下的信号干扰问题。（三）调控策略创新：多参数耦合反馈控制突破“单一参数调控”的局限，建立温湿度、CO₂浓度、土壤墒情的耦合模型，通过模糊PID算法动态调整设备：例如：土壤湿度<阈值且光照>8000lux时，系统优先灌溉并调整通风量，避免“高温干旱叠加”影响作物生长；仿真验证：作物生长环境稳定性提升40%，灌溉用水节约30%。三、技术方案设计（一）硬件系统设计1.主控单元采用STM32L476RG微控制器（主频80MHz，64KBSRAM+1MBFlash），通过DMA+定时器实现多传感器数据并行采集，降低CPU负载。2.传感器与通信模块环境参数：SHT40温湿度传感器（±0.2℃/±2%RH）、MH-Z19BCO₂传感器（____ppm，±50ppm）；土壤参数：SEN0193土壤湿度传感器（0-100%，分辨率0.5%）、AS7341多光谱传感器（监测叶绿素含量）；通信模块：LoRa模块（SX1278，433MHz，传输距离2km）+蓝牙5.0（调试用）。3.电源与执行机构供电：6V太阳能板+3.7V锂电池，通过MPPT充电电路优化能量采集；执行机构：继电器控制电磁阀（灌溉）、PWM控制通风扇，支持RS485扩展设备。（二）软件系统设计1.嵌入式程序架构基于FreeRTOS创建4个任务：“数据采集”“模型推理”“通信”“控制决策”，通过消息队列与信号量同步。驱动层基于HAL库开发，支持传感器热插拔（I2C地址扫描）。2.边缘侧算法数据预处理：滑动窗口滤波（窗口大小5，权重[1,2,3,2,1]）消除噪声；异常检测：改进孤立森林算法（特征：温湿度、CO₂、光照），异常识别准确率92%；控制决策：模糊PID控制器（输入：参数偏差+变化率，输出：PWM占空比/继电器信号），超调量<5%，调节时间<2s。3.云端与APP设计云端：MQTT协议接收数据，Flask框架搭建Web后台，可视化环境曲线与设备状态；APP：微信小程序，支持远程控制、阈值设置（如“土壤湿度<30%且光照>7000lux时自动灌溉”）。四、项目实施与优化过程（一）硬件调试难点与解决1.传感器干扰：土壤湿度传感器与电源共地时，模拟量采集误差20%。解决方案：光耦隔离传感器电源，模拟地与数字地单点连接，误差降至3%以内。2.LoRa通信丢包：农田遮挡导致传输距离缩短至500m。优化：高增益天线（安装高度2m）+ARQ重传机制，丢包率从15%降至2%。（二）软件算法迭代1.模型轻量化：初始随机森林模型（100棵树）推理耗时200ms，通过“特征选择（移除气压）+模型剪枝（保留50棵树）”，耗时降至80ms，精度损失<3%。2.控制策略优化：初期PID参数固定，天气波动时调控效果差。引入模糊逻辑动态调整PID参数（Kp∈[0.5,2]，Ki∈[0.1,0.5]，Kd∈[0.01,0.1]），环境参数波动幅度从±15%降至±5%。（三）团队协作与进度管理采用敏捷开发模式，每周站会同步进度。硬件组与软件组通过“需求文档+测试用例”协作，关键节点（系统联调）采用“结对编程+交叉测试”，避免单一成员失误。五、项目成果与应用价值（一）竞赛成果项目获第XX届全国大学生电子设计竞赛省级一等奖，现场测试指标：数据精度：温湿度±0.3℃/±3%RH，CO₂±80ppm，土壤湿度±2%；响应速度：异常响应<500ms，远程控制<2s；功耗：休眠电流4.8μA，连续工作（每10分钟采集）时续航5.5个月。（二）应用场景与推广1.农业生产：XX农业科技园（20亩大棚）试点，替代人工巡检后，灌溉用水节约30%，病虫害发生率降低25%，劳动力成本减少60%。2.教育科研：系统开源（硬件原理图、代码、数据集），已被3所高校纳入“嵌入式+物联网”课程实践平台。3.商业化潜力：与XX农业科技公司合作，产品成本800元/节点（含传感器），计划2024年量产500套。六、总结与展望本项目通过“边缘计算+物联网”技术融合，实现农业环境的智能监测与调控，在技术创新（轻量化AI、低功耗设计）与工程实践（抗干扰、协作管理）方面积累了经验。未来优化方向：1.功能扩展：加入ESP32-CAM实现作物图像识别（病虫害诊断）；2.网络优化