基于STM32農業大棚系統的設計與實現

摘 要：農業大棚系統在傳統模式的基礎上進行了多項創新，結合現代技術顯著提升了種植效益和便利性。新型農業大棚系統通過實時監測環境數據，并結合歷史數據和環境變化趨勢進行預測，自動調節大棚內的溫度、濕度、灌溉和通風等參數，從而優化作物的生長環境。該系統以STM32為核心控制器，通過ESP8266芯片與后臺通信服務器連接，實現數據的實時傳輸。用戶可通過電腦訪問OneNET網頁平臺進行遠程操作，實現了對農業大棚系統的實時監測與控制。這一創新方案為現代農業的發展提供了更加高效和便捷的解決方案。

關鍵詞：農業大棚系統；ESP8266；OneNET云平臺；WiFi遠程控制；節能環保；STM32

中圖分類號：TP39 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2025）08-0-04

0 引 言

基于OneNET云平臺的Web可視化農業大棚系統研究背景融合了物聯網、云計算和Web可視化技術，旨在實現對農業大棚環境的實時監測、遠程控制和數據分析[1]。

在物聯網技術應用方面，得益于物聯網技術的快速發展，各類傳感器和執行器得以接入互聯網，實現數據的實時采集與傳輸。在農業大棚場景中，傳感器網絡可實時監測溫度、濕度、光照強度、土壤濕度等關鍵環境參數，執行器則可精準控制灌溉、通風、溫控等設備[2]。

在OneNET云平臺應用方面，作為專業的物聯網服務平臺，OneNET提供了完善的設備接入、數據存儲、數據分析和遠程控制等功能。研究者可借助該平臺實現農業大棚內各類傳感器和執行器的統一接入，并將采集的環境數據實時上傳至云端進行存儲和深度分析。

在Web可視化技術整合方面，通過先進的Web可視化技術，可將農業大棚采集的多維數據以直觀的圖表、曲線等形式呈現在Web界面。農業從業者可通過該界面實時掌握大棚環境參數變化，并遠程調控相關設備運行狀態，實現精準化管理。

在智能決策支持方面，結合大數據分析技術，可對采集的環境數據進行深度挖掘和分析，提取有價值的信息和規律。這些分析結果可為農業從業者提供科學的決策支持，優化農業生產流程，提升作物產量和品質。

綜上所述，基于OneNET云平臺的Web可視化農業大棚系統研究，旨在通過整合物聯網、云計算和Web可視化等先進技術，實現農業生產過程的智能化管理和優化，從而全面提升農業生產效率和質量[3-5]。

1 系統總體設計

1.1 設計原理簡介

本設計主要由STM32F103C8T6單片機核心板、OLED液晶、二氧化碳檢測、土壤濕度檢測、溫濕度傳感器、步進電機、排扇、光敏電阻、水泵、繼電器、加熱棒、舵機、蜂鳴器、ESP8266 WiFi模塊等組成，并可利用云平臺進行遠程控制。

1.2 設計流程

設計流程如圖1所示。

2 硬件設計

系統主控制器采用STM32F103C8T6嵌入式處理器，該處理器基于ARM Cortex-M內核，屬于STM32系列微控制器，具有高性能、低成本、低功耗等特點。作為32位微控制器，其接口豐富、易于使用，為系統提供了可靠的控制核心[6]。

通信模塊采用ESP8266 WiFi模塊，該模塊是一款超低功耗的UART-WiFi透傳模塊。系統通過STM32的串口1（PA9和PA10）與WiFi模塊通信。工作流程如下：WiFi模塊上電后自動連接預設熱點，隨后連接服務器IP地址，并通過MQTT（Message Queuing Telemetry Transport）協議登錄服務器。在訂閱APP服務后，系統可實現雙向通信：單片機定時以MCU身份發布數據至MQTT服務器，服務器接收到數據后自動轉發至已訂閱的APP端顯示；同時，APP端下發的指令也可通過相同路徑傳輸至單片機。

顯示模塊采用OLED12864液晶屏，通過I2C接口（PB6、PB7）與單片機連接，PB6連接液晶屏的SCL引腳，PB7連接SDA引腳。該模塊用于實時顯示系統數據和預設閾值。

報警模塊由蜂鳴器及其驅動電路組成。蜂鳴器工作電壓為5 V，1 kΩ電阻用于限流。單片機通過PA7引腳輸出高低電平控制蜂鳴器：當輸出高電平（1）時，三極管導通，蜂鳴器接地導通而發聲；當輸出低電平（0）時，三極管截止，蜂鳴器斷開連接而停止發聲。

執行控制模塊采用繼電器實現設備開關控制。繼電器線圈由1 kΩ限流電阻保護，通過PC13引腳進行控制：當輸出高電平（1）時，三極管導通，繼電器線圈得電，觸點閉合；當輸出低電平（0）時，繼電器線圈失電，觸點斷開。這種設計實現了對執行設備的可靠控制。

系統硬件設計如圖2所示。

3 軟件設計

MQTT通信協議技術解析：MQTT是一種專為物聯網（IoT）和分布式系統設計的輕量級、高效的通信協議。該協議特別適用于低帶寬、高延時或不穩定的網絡環境，為設備間通信提供了可靠的消息傳遞機制[7]。

MQTT采用發布/訂閱模式，設備通過向特定主題（topic）發布消息進行通信，其他設備則通過訂閱相關主題接收消息。這種設計實現了通信雙方的解耦，使系統具有更好的擴展性和靈活性，支持設備間無需直接連接的實時信息交換。

協議具有顯著的輕量級特性，主要體現在：精簡的消息頭部設計、較低的通信開銷、高效的資源利用率。這些特性使其適合在資源受限的物聯網設備和嵌入式系統中運行。

MQTT提供了三個可配置的服務質量等級（QoS）：QoS 0：至多一次傳輸；QoS 1：至少一次傳輸；QoS 2：恰好一次傳輸。

開發者可根據具體應用場景選擇適當的QoS等級，確保消息傳輸的可靠性。

協議提供兩項重要的會話管理機制。持久會話：客戶端在重新連接時可保持原有訂閱狀態；遺囑消息：設備異常斷開時自動發送預設消息。這些機制有效提升了系統的可靠性和容錯能力。

MQTT協議提供多層次的安全保障。傳輸層：支持SSL/TLS加密，確保數據傳輸的機密性；認證機制：提供用戶名/

密碼驗證；訪問控制：通過訪問控制列表（ACL）管理客戶端權限。

MQTT協議憑借其簡潔性、高效性、靈活性和可靠性，已成為物聯網和分布式系統通信的首選協議之一，為各類應用場景中的實時通信和數據交換提供了可靠的技術支持。

4 系統功能測試與結果分析

所設計的農業溫室大棚系統可實現內部環境溫濕度、土壤濕度、光照強度、CO2體積分數的智能監測，監測數據實時顯示在OLED屏上；系統通過WiFi聯網接入OneNET云平臺，支持遠程查看設備監測數據；系統配置有排扇（用于抽濕、降溫、通風）、水泵（用于澆水）、遮陽卷簾（用于遮光）、LED燈（用于補光）等執行設備，實物連接如圖3所示。

系統工作模式分為自動模式和遠程模式：自動模式下，系統根據傳感器檢測數據自動控制排扇、水泵、遮陽卷簾和補光燈的工作狀態；遠程模式下，用戶可通過云平臺遠程控制各執行設備的運行。

系統設置工作閾值，當監測數據超出閾值范圍時，蜂鳴器將發出報警提示，系統會根據閾值自動調節設備運行狀態。閾值支持通過按鍵調節，系統時間顯示支持按鍵修改校準，系統模式支持按鍵切換和自動切換功能。

Web可視化遠程監控端提供以下功能：數據可視化展示、實時數據數值顯示、數據波形圖顯示。

具體實現過程如下：使用電腦訪問OneNET登錄鏈接，進入OneNET控制界面。將手機熱點名稱和密碼設置為系統預設參數。在電腦端登錄OneNET網頁后，使用預設賬號密碼進行身份驗證，在增值服務中啟用數據可視化控制服務，進入監控頁面。通過USB線將開發板與電腦連接后，液晶顯示屏會實時顯示相關數據。經過調試，電腦端可同步顯示這些數據，并能夠通過電腦界面控制實際設備，如圖4所示。

基于OneNET云平臺的Web可視化農業大棚項目具有較高的可行性，主要基于以下幾個方面的考慮：

（1）技術成熟度

OneNET云平臺是一個成熟的物聯網平臺，提供穩定可靠的服務，包括設備接入、數據存儲、數據分析和遠程控制等功能。該平臺具備搭建農業大棚監測系統的技術基礎和相關支持，為項目的實施提供了可靠的技術保障。

（2）硬件設備的可獲得性

項目所需的傳感器、執行器等硬件設備在市場上較為常見且易于獲取，而且成本相對較低。這些硬件設備通常具備良好的兼容性，能夠與OneNET平臺進行有效集成。

（3）成本控制

相比傳統的農業大棚監測系統，基于OneNET云平臺的Web可視化方案往往成本更低。一方面，云平臺提供了靈活的付費方案，按需支付；另一方面，Web可視化方案減少了傳統硬件設備和專用軟件的成本，提高了系統的經濟性。

（4）用戶友好性

基于Web的可視化界面使得用戶可通過普通瀏覽器或移動設備實現對農業大棚的監控和管理，無需額外安裝復雜的軟件。用戶友好的設計有助于提高系統的接受度和使用率。

（5）應用前景

隨著農業現代化和智能化的發展，農業大棚監測系統在提高農業生產效率、優化資源利用、改善作物品質等方面具有廣闊的應用前景。基于OneNET云平臺的Web可視化方案能夠滿足農業生產者對信息化、智能化管理的需求，具有良好的市場潛力和推廣前景。

綜上所述，基于OneNET云平臺的Web可視化農業大棚項目在技術、成本、用戶體驗和應用前景等方面都具備較高的可行性，有望為農業生產帶來實質性的改進和提升。

項目實施的科學性：

（1）基于科學原理的系統設計

項目在設計階段考慮了農業生產的基本科學原理，如作物生長環境對溫度、濕度、光照等因素的敏感性，以及作物生長的不同階段對環境條件的需求變化。根據這些科學原理，設計了相應的傳感器布局方案、數據采集頻率以及控制策略，確保系統能夠準確、有效地監測和調控農業大棚的環境條件。

（2）數據分析和決策支持的科學依據

項目對從農業大棚采集的數據進行了科學分析，包括數據的統計分析、趨勢分析、相關性分析等。基于數據分析結果，為農業工作者提供科學的決策支持，例如根據作物生長情況調整灌溉量、調節溫度和濕度等。這些決策均基于科學原理和數據分析結果，能夠更好地促進作物生長和提高產量。

（3）系統性能的科學驗證

在項目實施過程中，進行了系統性能的科學驗證和評估。通過對系統的穩定性、準確性、實時性等關鍵性能指標進行測試和分析，驗證系統在實際農業生產環境中的適用性和可靠性。這些驗證結果為能夠有效實現農業大棚的監測、控制和管理提供了科學依據。

（4）科學研究和技術創新

在項目實施過程中，可能涉及到一些科學研究和技術創新工作，如新型傳感器的設計與應用、數據分析算法的優化與改進等。這些研究和創新工作能夠為項目提供更加科學和先進的技術支持，推動項目的進一步發展和應用。

綜上所述，基于OneNET云平臺的Web可視化農業大棚項目實施過程中注重科學性，從系統設計到數據分析再到系統性能驗證，都充分考慮了科學原理和科學方法，確保項目能夠達到預期的科學目標和應用效果。

5 結 語

基于OneNET云平臺的Web可視化農業大棚在應用前景方面具有廣闊的發展空間和潛力，主要體現在提高農業生產效率、降低生產成本、改善作物品質、智能決策支持、推動農業現代化和智能化發展以及滿足市場需求幾個方面[8]。

農業大棚系統通過實時監測農業大棚內的環境參數和作物生長情況，使農業生產者能夠及時調整灌溉、通風、溫度等設備，優化作物生長環境，從而提高農業生產效率和產量。基于物聯網技術和云平臺的智能農業管理系統可實現農業大棚的遠程監控和自動化控制，有效降低人工管理成本，減少能源消耗，進而降低農業生產成本。

通過精細化的環境監測和調控，能夠保持農業大棚內的環境穩定性和一致性，顯著提高作物的品質和市場競爭力。通過對從農業大棚中采集到的數據進行分析和挖掘，可為農業生產者提供科學的決策支持，幫助其做出更加準確和有效的決策，優化農業生產過程。

應用物聯網、云計算和Web可視化技術于農業生產領域，有助于推動農業現代化和智能化發展，提升農業產業的競爭力和可持續發展能力[9]。隨著人們對健康、安全食品需求的增加，農業生產者對生產環境的監控和作物品質的控制要求日益提高，基于OneNET云平臺的Web可視化農業大棚系統能夠滿足這一需求，具有良好的市場前景。

綜上所述，基于OneNET云平臺的Web可視化農業大棚研究具有重要的實踐意義和理論意義，可為農業生產提供科學、智能的管理方法，推動農業產業轉型升級，實現農業可持續發展。基于OneNET云平臺的Web可視化農業大棚具有廣闊的應用前景，在提高農業生產效率、降低生產成本、改善作物品質、智能決策支持和推動農業現代化等方面具有重要作用和價值[10]。

注：本文通訊作者為蔡昌友。

參考文獻

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