基于STM32的溫室大棚智能控制系統設計

葉偉光 石堅

[摘? ? 要]為了有效增強我國溫室大棚的智能化管理效果，文章介紹了溫室智能化調控系統的國內外研究和發展現狀，并提出一款基于STM32F103系列芯片的溫室環境智能調控系統，主要收集室內的溫濕度與光照強度信息進行分析，通過LCD顯示器進行數據圖標呈現，并增加無線信息傳輸組件，有效地創建溫室的智能化環境調控系統。

[關鍵詞]STM32;溫室大棚;智能控制

[中圖分類號]TP368.1 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2021）07–00–02

Design of Intelligent Control System for Greenhouse Based on STM32

Ye Wei-guang，Shi Jian

[Abstract]In order to effectively enhance the domestic intelligent management of greenhouse effect， this paper first introduces the greenhouse intelligent control system research and development situation at home and abroad， and puts forward an intelligent greenhouse environment control system based on STM32F103 series chips， the main indoor temperature and humidity and light intensity information were collected for analysis， through the LCD monitor data Standard presentation， and the addition of wireless information transmission components， effectively create a greenhouse intelligent environmental control system.

[Keywords]STM32; Greenhouse; Intelligent control

溫室環境的智能化控制研究是現代化溫室大棚的一個研究重點。提升智能化溫室大棚中植物的栽培效率與質量是較為重要的研究內容，通過對植物生長周期進行分析，科學檢測溫室條件并進行高效的規劃。現階段，國內科學領域已經研發出了多種可以改善作物生長效率，提高生產質量的智能設備，并被廣泛的應用在溫室大棚里，然而這些設備基本不具備智能調節能力，無法獲取大棚內的具體情況，同樣也無法實現遠程調節的效果，僅可以實現一些初步的功能目的。

1 溫室大棚智能化控制的國內外研究和發展現狀

在國外很多發達國家特別是在歐美，十分重視溫室栽培方面的研究，例如，美國等發達國家已經通過一些監管設備對大棚內的環境信息進行監控，并結合預期設定數值進行調節，達到農業生產的智能化效果。而這種智能化植物栽培技術僅是對室內的單一因素進行調控，也就是僅實現對大棚內的溫度、濕度、光照、氣體條件進行管理。隨著科學技術的不斷發展，溫室大棚栽培技術也得到了全新的改變，在美國，科學家們研制了一款能夠結合氣候管理、農作物灌溉與施肥能力為一體的智能化溫室大棚管控系統，這系統能夠有效地結合各類農作物的管理內容，利用傳感器所接收的信號對系統的各項功能進行管理，實現最優質這一高效的方式對溫室內農作物的生長進行管理。以色列通過計算機設備對溫度環境進行管理，并建立科學的溫室構造，配備優質的環境調節、天窗以及幕簾等，對溫濕度、光照效果、氣體環境進行有效控制。并且將中的控制器與管理室內的中央電腦進行遠程連接，提高溫室管理的便捷性，更精準的對灌溉施肥系統進行控制，提升對于肥料與水資源的利用效果。加拿大的農業利用計算機軟件來輔助溫室調節，收集農作物去過程中的信息，并展開及時的處理研究，進行針對性的優化，實現對于成本的控制，降低農藥的投入，提升生產效益。總而言之，相較于我國，國外對于自動化溫室生產技術研究時間更早，已經具備良好的發展效果。如今，科技水平逐漸提高，通過在溫室智能發展中運用現代監控、數據傳輸以及遠程管理等技術，能夠大幅度提升溫室控制系統的智能化效果。同時有眾多學者不斷提出各類新興的控制理念來優化對溫室環境的管理效果。隨著科技的發展，基于計算機技術的溫室智能化控制系統，已經正式進入了智能化、自動化的發展時代。

國內對于農業的研究已經有了極為悠久的歷史，早在兩千多年前，我國古代人就已經開始研究一些農作物與栽培技術。上個世紀30年代時，國內北方就已經在冬季時研究通過簡單的塑料大棚方式進行農作物種植，然而，這樣搭建的溫室環境，其中所構建的條件難以支撐一些喜溫植物的正常生長。直到后來，國內農業科研人員開始在溫室管控的領域內運用計算機技術，探究如何能夠更好地控制溫室環境中的溫濕度、陽光等因素。在1982年，我國農業科學研究院正式成立了，是國內首個農業計算機研究部門，開始在溫室條件的管理工作當中正式運用計算機技術，從這時開始，國內正式開始了對于溫室條件管理系統的研究與發展。到了90年代，國內研究人員結合當時的具體國情以及現有的溫室技術，展開對于符合國內溫室條件管理系統的研發，由農機化研究院開發出了當時的全新溫室智能管理系統。到了21世紀，隨著科學技術的飛速提升，我國的溫室智能調控技術又實現了進一步的提升。但是，因為大多數的控制系統通常基于單片機系統進行工作，因此導致人機交互界面操作不夠人性化，未經過專項培訓的使用者無法靈活運用，使得智能管理模式沒有得到有效運用，沒有發揮應有的作用。從整體角度進行分析，國內溫室環境管理系統的智能化水平較發達國家而言還有一些落后，并與那些國際一線的溫室控制技術有著不小的距離。所以，有關研究人員應當積極學習國外先進技術，不斷結合國內農業的實際發展狀況，研發與國情相符的溫室智能調控系統，并將其有效的運用在現代農業發展當中。如今，在農工業技術與科技技術不斷提升的背景下，溫室管理系統也逐漸向著智能化、自動化、高性能、低成本的趨勢進步。

溫室內的溫濕度、光照、CO₂濃度等條件之間具有極強的關聯性，其中任意因子的改變，都會對剩余環境因素帶來干擾，因此，單因子的控制模式無法高效的對溫室內環境條件進行管理，因此，對于溫室環境控制系統管理模式應當從單因子管理模式向多因子控制模式進行轉變，有效提升對于溫室內各項因素的均衡控制效果。但是，多因子控制模式雖然具有極大的運用空間，但憑當下的技術手段難以實現多因子的控制效果^[1]。

在計算機技術不斷發展的背景下，溫室管理系統的智能化水準也在逐漸提升，從以往對于單項因素的收集分析，逐漸轉變為專家系統的優質控制模式。因為溫室條件的管理工作極為繁瑣，會涉及到眾多變量、強關聯性、干擾性以及非線性的繁瑣系統，很難建立與其相關的數學模型，所以也就無法通過常見的管理方式進行調控。在國外重視溫室研究的發達國家中，在智能溫室管理系統的研究中運用模糊控制、神經網絡控制等高級算法，使得溫室環境的控制效果變得更加智能化。

隨著信息技術的發展，如今社會中的網絡化，信息化發展水平也在不斷提高。所以，結合時代的發展，在溫室環境調控系統中運用互聯網信息技術也是一項必然的趨勢，在現代測控技術、互聯網技術、WiFi技術飛速發展的背景下，溫室條件管理系統也必然會朝著多因子、開放性以及全面性的趨勢進步。

2 總體方案設計

文章所探究的溫室環境管理系統是基于STM32芯片進行功能實現的，此芯片是整個系統的重要基礎^[2]。整體化框架內主要包含了環境監控管理模塊、WIFI模塊、自動報警模塊等。溫室環境管理系統通過與各模塊中的智能芯片進行信息交互，實現遠程管理，并通過ZigBee拓撲網絡來優化交流效率，實現智能化溫室環境調控系統所設計的功能。

3 硬件電路設計

通過現代監測技術設備，系統能夠實時獲取溫室內溫度、濕度、光照以及二氧化碳具體信息，通過對應的智能控制設備展開分析，控制系統結合農作物的生長需求，對溫室那的條件因素進行調控^[3]。若是檢測模塊所獲取到的信息超出預設的調控范圍，那么需要對裝置進行設計，結合具體的情況展開針對性修改。例如：在溫室環境中，可以利用溫室環境調控系統通風設備進行控制，實現降溫的目的;利用加熱電阻實現對于溫室的增溫，通過灌溉設備為土壤補充濕度。直到溫室內的環境條件符合預期設計范圍時，調控系統便會自動停止工作。

4 軟件部分設計

4.1 軟件功能基本流程

文章所討論的這種基于STM32的溫室環境調控系統需要通過專業的編譯器進行程序編碼，由編譯器完成編碼后，在上傳到單片機中，實現程序的正常工作。溫室環境調控系統再利用配備的現代監測工具來實時獲取溫室內的環境條件數據。通過設計的程序軟件，可以實現各功能模塊之間的有效通訊。例如：溫室環境調控系統在收集到環境參數不滿足預期要求時，就會利用無線通訊技術，安排對應的模塊進行控制處理。每次在使用溫室環境智能調控系統之前，需要對軟件程序進行初始化操作，這樣操作是為了讓系統可以加載所配備的各類傳感器與功能性硬件設施。

4.2 wifi的遠程控制操作

文章所提出的溫室環境智能調控系統，是通過WiFi技術進行通訊，并利用Zig Bee拓撲網絡結構對信息交流效率進行優化，利用上位機實現對溫室環境內的各項環境信息采集與調控模塊進行遠程管理，優化國內溫室環境智能調控系統的便捷性以及工作效率。將計算機設為管理系統當中上位機，有關工作人員只需要在計算機上操作對應的客戶端，就可以遠程獲取到溫室當中的實時圖像以及環境信息，并結合自身的目的，通過計算機實現遠程調控，利用溫室內的控制模塊對溫室條件進行調控，使得溫室智能調控系統具有更高的人性化特征。該智能管理系統利用系統增加端口的轉發性原則，有效地確定目標IP地址。同時，利用路由器設備，實現溫室系統與外網聯系，使得工作人員可以實現通過外網計算機對溫室內的環境條件進行管理，達成系統遠程操作的功能。

5 結束語

智慧型溫室環境調控系統研發對現代智能化、自動化溫室管理的實際需求進行了充分研究，并且針對性地使用了低功耗，高性能的STM32芯片。充分利用多種現代監測技術設備，實現對溫室環境數據的實時獲取，并通過計算機分析是否滿足預期的設計范圍，實現對溫室環境的智能化、機械化控制效果，使得整個系統擁有良好的工作精度以及效率，在國內智能科技的有效發展背景下，智能型溫室環境調控系統也會具有更廣泛的應用前景。

參考文獻

[1] 張憲陽，謝邵春，丁黎明，等.基于STM32的溫室大棚溫度控制系統[J].電子技術與軟件工程，2020（17）：121-123.

[2] 潘澳，周麗麗，何源長，謝欣秀.基于STM32的溫室大棚控制系統設計[J].南方農機，2020，51（24）：96-97.

[3] 嚴凱，姚凱學，韋付芝，等.基于STM32F103ZET6的溫室大棚多點光照采集系統[J].計算技術與自動化，2018，37（2）：42-46.