摘""要：隨著智慧農業的快速發展，精準的環境監測與調控對提高農作物產量和品質具有重要意義。針對傳統農業大棚環境監測與調控存在的問題，設計了一套基于STM32微控制器和云平臺的智能農業大棚環境監測與調控系統。系統通過集成多種傳感器實時采集大棚內環境數據，利用ZigBee無線傳感網絡進行數據傳輸，并通過ESP8266模塊實現遠程數據上傳至云平臺，云平臺采用消息隊列遙測傳輸（Message"Queuing"Telemetry"Transport，MQTT）服務框架和MySQL數據庫進行數據處理與存儲。系統設計考慮了成本、穩定性和用戶操作便利性，通過實際大棚測試，驗證了系統的有效性和實用性。

關鍵詞：智慧農業""農業大棚""環境監測與調控""云平臺"系統設計

Design"and"Implementation"of"a"Fruit"and"Vegetable"Greenhouse"Control"System"Based"on"STM32"and"MQTT"Integration

ZHU"Zhensong"MAI"Lihua"LI"Bolin"TAN"Haizhi"WEI"Cheng

Guangxi"Vocational"University"ofnbsp;Agriculture，"Nanning，"Guangxi"Zhuang"Autonomous"Region，"530007"China

Abstract："With"the"rapid"development"of"smart"agriculture，"precise"environmental"monitoring"and"regulation"are"of"great"significance"for"improving"crop"yield"and"quality."In"this"article，"a"smart"agricultural"greenhouse"environment"monitoring"and"control"system"based"on"STM32"microcontroller"and"cloud"platform"has"been"designed"to"solve"the"problems"existing"in"traditional"agricultural"greenhouse"environment"monitoring"and"control."The"system"integrates"multiple"sensors"to"collect"real-time"environmental"data"inside"the"greenhouse，"uses"ZigBee"wireless"sensor"network"for"data"transmission，"and"uploads"remote"data"to"the"cloud"platform"through"ESP8266"module."The"cloud"platform"adopts"Message"Queuing"Telemetry"Transport（MQTT）"service"framework"and"MySQL"database"for"data"processing"and"storage."The"system"design"considers"cost，"stability，"and"user"operation"convenience."Through"actual"greenhouse"testing，"the"effectiveness"and"practicality"of"the"system"have"been"verified.

Key"Words："Intelligent"agriculture;"Agriculture"greenhouse;"Environmental"monitoring"and"regulation;"Cloud"platform;"System"design

隨著全球人口的持續增長和土地資源的日益緊張，農業生產面臨著前所未有的挑戰。為了滿足日益增長的糧食需求，提高農業生產效率和可持續性成為了一個迫切需要解決的問題。智慧農業作為現代農業發展的重要方向，通過集成應用物聯網（Internet"of"Things，IoT）、大數據、云計算和人工智能等現代信息技術，實現對農業生產過程的精準化管理，已成為推動農業現代化的關鍵力量。

傳統的農業大棚環境監測與調控系統多采用有線連接方式，存在布線復雜、成本高、系統穩定性差等問題。此外，由于缺乏有效的數據分析和決策支持，傳統大棚的管理和調控多依賴于人工經驗，難以實現精細化和自動化。

針對上述問題，本文設計了一套基于STM32微控制器和云平臺的智能農業大棚環境監測與調控系統。通過集成多種高精度傳感器，系統實時采集大棚內的環境數據，包括空氣溫度、濕度、光照強度、土壤溫濕度、二氧化碳濃度等關鍵參數。利用ZigBee無線傳感網絡技術，系統實現傳感器數據的無線傳輸，有效解決了布線難題，降低了系統部署成本。通過ESP8266模塊，系統能夠將采集到的數據遠程上傳至云平臺，利用云計算的強大數據處理能力，實現數據的存儲、分析和共享[1]。

1"系統總體方案設計

1.1"系統功能需求

在深入進行需求調研與系統分析的基礎上，設計人員精心構建了農業大棚環境監測與控制系統的總體設計方案。該方案綜合考慮了現代農業生產的需求，將系統劃分為5個關鍵的技術部分：傳感器數據采集，單片機控制，，ZigBee無線通信，Wi-Fi數據上報和IOT平臺數據處理[2]。系統功能需求如表1所示。

1.2"系統設計目標

本文提出的智慧果蔬大棚調控設計方案精心構建了一個分層、高效、響應靈敏的智能監控系統。系統由感知層、傳輸層、應用層和用戶層4個關鍵層面組成，形成了一個從數據采集到用戶交互的完整技術鏈條[3]。

感知層裝備了多種高精度傳感器，它們如同智能大棚的感官，能夠全面捕捉植物生長所需的環境參數，包括溫濕度、光照、二氧化碳濃度、土壤溫濕度和酸堿度、降雨量等。

傳輸層作為數據流轉的中樞，由ZigBee無線傳感網、Wi-Fi互聯網和云計算云存儲平臺等構成。這一層面確保了感知層收集的大量數據能夠安全、高效地傳輸至數據處理中心，并通過云計算平臺進行初步處理和存儲，為智能決策提供了堅實的數據基礎。

應用層則是IoT技術與用戶需求相結合的體現，根據農業生產的具體需求，設計了多樣化的功能模塊。用戶可以通過PC、智能手機等終端設備輕松訪問大棚的數字信息，實現對作物生長環境的實時監測和控制。

1.3"系統布局

智能果蔬大棚控制系統的網絡架構涵蓋了從環境監測到設備控制的多個關鍵組成部分。系統以控制節點為核心，與電動化控制設備、網關節點與各類傳感器節點進行無線連接，實現數據的實時采集與處理。環境監測傳感節點包括溫濕度、光照、土壤水分和CO2傳感器，它們負責監測溫室內的微氣候狀態。圖像設備節點可能集成了攝像頭，用于捕捉作物生長的圖像信息。系統應用方案如圖1所示。

圖"1系統應用方案

2"系統硬件設計

2.1"硬件組成方案

基于STM32F103C8T6微控制器的智慧果蔬大棚調控系統是一個高效、集成化的智能農業解決方案。該系統由多個關鍵部分組成，包括數據采集、數據傳輸、數據處理、控制執行、數據顯示、目標設定與人為調節，形成了一個閉環的自動控制與管理系統。通過各種傳感器模塊收集數據，并通過Wi-Fi模塊與IOT云平臺進行通信，實現數據的遠程管理和控制

2.2"硬件模塊

2.2.1"電源模塊

本次設計中，將Li-Po電池與12"V太陽能電池板相結合，形成了一個高效、環保且可靠的能源供應系統。在這一系統中，CN3791轉換器發揮著核心作用，它通過DC/DC轉換電路巧妙地將輸入的電源轉換為系統所需的5"V和3.3"V穩定電壓，為大棚內的各種電子設備提供精準的電力供給。在日光充足的白天，太陽能電池板不僅為系統提供即時的電力支持，還承擔著為Li-Po電池充電的重要任務[4]，確保了系統在夜間或光照不足時的持續運行能力。

2.2.2"土壤濕度監測模塊

電容式土壤濕度傳感器的核心工作原理是基于一個簡單的物理現象：土壤的介電常數（或稱為相對電容率）會隨著土壤中水分含量的變化而變化。當電容式土壤濕度傳感器被植入土壤中時，它薄膜下的2個導電金屬極板就與土壤形成了一個電容，這個電容的容量取決于極板周圍的土壤介質，即土壤中的水分含量。在干燥的土壤中，由于水分較少，所以，土壤的介電常數較低，導致電容容量減小；相反，在濕潤的土壤中，水分增多，介電常數升高，電容容量隨之增大。

根據公式可知：如果電荷量"Q"保持不變，電容"C"變小，則電壓"V"將會變大；反之，電容C變大，電壓V將會變小。由此，本文采用空氣中的讀數和水中的讀數作為干、濕的參考區間，進行空氣中的土壤濕度測試和水中的土壤濕度測試。在空氣中觀察讀數，讀數大約穩定在4"010左右；把傳感器插入水中，觀察讀數，大約穩定在"1"100左右。至此"我們就獲得了兩個極值。

從上述測量值，可以看出，模擬輸出的數值與濕度成反比。在本文中，我們就理想化地認為它符合線性關系，水中值1"100記為Lmax，空氣值4"010記為Lmin，土壤濕度100%記為Tmax，土壤濕度0%記為Tmin，單片機讀取的數值記為Lcur，當前土壤含水量記為Tcur，整合上述變量，構造線性函數如下式所示。

2.2.3"DHT11溫濕度傳感器

DHT11數字溫濕度傳感器集成了溫度和濕度的測量功能，并通過內部的八位單片機進行精確控制。這款傳感器內部配置了高靈敏度的電阻型感濕器件和NTC溫度測量元件，確保了測量的準確性和可靠性。

它能夠提供寬廣的溫度測量范圍，從0"℃延伸至50"℃，并且具有±2"℃的精確度，這意味著，無論是在冬季還是夏季，DHT11都能準確地捕捉到環境溫度的細微變化。同時，濕度的測量范圍覆蓋了20%～90%"RH，誤差控制在±5%"RH之內，這為監測大棚室內環境提供了一個非常實用的工具。

2.2.4"光照強度檢測模塊

BH1750模塊中的PD光敏二極管利用光生伏特效應，通過"PD"可以得到光強信息[5]"，將接收到的光信號轉化為電信號。這種效應是指當光敏二極管受到光照時，會在其兩端產生電壓，光照強度越大，產生的電壓也越高。隨后，運算放大器對這些電信號進行放大處理，以便更準確地測量。

2.2.5"ZigBee通信模塊

本文系統的設計中，設計人員選用了性能卓越的CC2530芯片[6]作為ZigBee串口通信模塊的核心，它不僅能夠提供穩定、可靠的無線數據傳輸，而且與系統設計要求完美契合。設計人員采用了功能強大的STM32單片機作為各個節點的主控芯片，它不僅能夠高效地處理ZigBee數據傳輸任務，還能夠確保系統的靈活性和擴展性。通過STM32的精確控制，設計人員可以輕松實現復雜的數據處理和邏輯判斷。本文在ZigBee協調器中集成了ESP8266"WiFi芯片，這一創新的結合使系統能夠將收集到的大棚土壤濕度、氣溫、二氧化碳濃度等環境數據實時上傳到IoT云平臺，實時監控環境狀態。

2.2.6"ESP8266WIFI模塊

ESP8266通過串口通信獲取到從主機端發過來的數據后，會進一步封裝，使用MQTT協議進行數據遠程上報。MQTT是一種消息隊列協議，使用發布/訂閱消息模式，提供一對多的消息發布，解除應用程序耦合。相對于其他協議，MQTT協議開發更簡單。MQTT協議是工作在TCP/IP協議上。由TCP/IP協議提供穩定的網絡連接。所以，只要具備TCP協議棧的網絡設備都可以使用MQTT協議。本次設備采用的ESP8266就具備TCP協議棧，能夠建立TCP連接，因此，配合STM32代碼里封裝的MQTT協議，就可以與阿里云平臺完成通信[7-8]。

3"系統程序設計

3.1"智慧大棚程序工作流程

整個系統的總體思路是把溫度、濕度、光線等信息通過屏幕進行顯示。系統采用土壤濕度傳感器對土壤含水量進行測量，并將其傳輸至主控制器。水泵和繼電器以通過主控板獲取到的土壤濕度數據做出閾值的判斷，并將判斷后發出的指令傳回，進而來控制水泵的開關。當未達到設置的閾值時，將不會進行操作，此時會將數據在液晶屏上顯示，并且對傳感器等進行控制，以使其能夠滿足自動澆水的需要。該系統還有一個遠端控制模式，在Web或App上對系統繼續進行監控控制，主控芯片將根據回傳數據對相應的執行器進行控制，并間隔上報傳感器采集到的數據。

3.2"云平臺數據處理

數據處理在IoT云平臺完成，能夠對設備采集到的各項數據進行深入分析和處理。通過IoT平臺進行數據分析，登陸網頁，即可查看歷史數據、更新狀態等，顯示的參數信息包括大氣壓、光照強度、環境溫濕度、土壤濕度均值、CO2濃度等；還可以對數據進行實時監控、趨勢預測、模式識別和異常檢測，從而確保數據的準確性和可靠性。

4"結語

本研究成功設計并實現了一套基于STM32微控制器和云平臺的智能農業大棚環境監測與調控系統。該系統不僅提高了農業生產的智能化水平、優化了資源利用，還提升了作物產量和品質，為現代農業的發展提供了有力的技術支持。展望未來，該系統還有進一步優化和擴展的空間，如可以增加更多的環境參數監測、引入機器學習算法對作物生長模式進行更深入的分析、開發更加用戶友好的界面以提高系統的交互性和可訪問性等。

參考文獻

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[3]"陳茂芳，譚程霈，李偉賓，等.基于STM32的溫室大棚調節系統的設計與實現[J].電子制作，"2024，32（4）：49-52，"23.

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[5]"楊雨暉.融合光敏二極管和圖像傳感器的可見光定位系統[D].南京：東南大學，2021.

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[7]"盧于輝，秦會斌.基于MQTT的智能家居系統的設計與實現[J].智能物聯技術，2019，51（2）："41-47.

[8]"姚丹，謝雪松，楊建軍，等.基于MQTT協議的物聯網通信系統的研究與實現[J].信息通信，"2016（3）："33-35.