基于STM32的智慧农业环境控制系统设计

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随着我国城镇化率突破65%，城市农业、高校科研育苗及家庭园艺对植物培育的智能化、标准化需求日益迫切。植物工厂作为农业现代化的重要载体，其环境调控能力成为提升培育效率的核心因素。然而，传统植物培育模式高度依赖自然光照与人工管理，温湿度波动大、灌溉与光照调节缺乏科学性，导致城市家庭植物养护存活率低，高校实验室因环境参数失控造成的实验失败率也较高，难以适配科研与民用场景的培育需求[2]。

目前，现有植物培育设备存在功能单一、系统整合性差的问题，需人工手动调节各项培育参数，不仅管理效率低、容错性差，而且无法实时反馈土壤与空气环境数据，进一步加大了植物养护难度[3-4]。针对上述痛点，本研究设计了一款基于STM32F103C8T6单片机的智慧农业环境控制系统，集成多维度传感器监测与智能调控模块，实现植物生长环境的自动化、精细化管理，以期降低人工管理成本，提升植物培育效率与存活率，为城市农业、实验室育苗及特殊环境种植提供技术支撑。

1 硬件设计

为实现植物工厂生长环境的自动化、精准化调控，本系统以STM32F103C8T6单片机为核心控制单元，搭建多模块协同的硬件架构，如图1所示。同时，详细阐述了系统整体硬件设计方案、各功能模块选型及电路连接设计等。

1.1 核心控制单元

本系统选用基于Cortex-M3内核的STM32F103C8T6核心开发板作为主控。其主频达72 MHz，内置64 KB闪存和20 KB SRAM，兼具充足的算力与存储能力，且集成丰富通信接口，可高效满足多传感器数据采集、多执行模块指令交互的系统需求[5]。此外，该主控内核供应链成熟、开发资源丰富，量产良率高，研发与量产衔接顺畅，具备良好的硬件拓展性，可充分适配植物工厂自动化环境控制系统的研发、样机制作及后续小批量量产需求。

1.2 环境感知模块1.2.1 温湿度检测

DHT11温湿度传感器使用单总线通信方式与主控核心连接，可实时采集环境空气温湿度参数，响应速度快，测控精度适配本系统应用场景，为恒温恒湿调控提供了基础数据[6]。

1.2.2 土壤pH值检测

该模块由485型土壤pH变送器与485转TTL模块组成。该模块基于RS485通信协议实现数据交互，抗干扰能力强，传输距离远，可精准检测土壤pH值，直观反映土壤生长环境适配性。此外，本系统额外使用RS485转TTL模块，简化了主控核心读取模块数据的过程和步骤。

1.2.3 水溶液检测

本系统采用模拟TDS传感器，通过将其模拟信号输出端与芯片AD采集口连接，检测土壤水溶液中的总溶解固体含量。该设计能够精准反映土壤盐度与养分状况，避免因盐度过高损伤植物根系，从而保障土壤生长环境的稳定性。

1.2.4 光照强度检测

本系统引入光敏电阻传感器作为光照强度检测的核心元件。其利用半导体光电导效应将环境光照强度转化为模拟电信号，经芯片AD转换后实现光照强度的量化检测，可为系统智能调节光照强度提供数据参考，适配植物不同生长阶段的光照需求。

1.3 数据存储模块

本系统选用AT24Cxx储存模块完成环境参数的存储，其具备非易失性，断电后存储数据不会丢失。该模块在本系统中主要用于存储系统采集的相关历史环境参数和系统运行的参数阈值，方便后续数据追溯与植物生长环境规律分析，同时避免系统每次上电重复配置，大幅提升系统的使用便捷性。

1.4 无线通信模块

本系统引入ESP8266无线通信模块，该模块基于TCP/IP协议，采用UART串口与STM32F103C8T6主控芯片连接，具备体积小、功耗低、通信稳定的特点，可实现串口与Wi-Fi的双向数据透传。在本系统中，该模块负责将主控芯片采集的各类环境参数上传至云端平台，同时接收云端下发的远程控制指令并传输至主控芯片，是连接本地硬件系统与远程终端的关键桥梁，为远程监控与控制提供无线通信支撑。

1.5 远程控制模块

本系统以机智云平台为远程交互核心，其借助ESP8266无线通信模块构建本地与云端的通信链路，实现植物培育环境的远程管控。主控单元将采集的环境参数经ESP8266无线通信模块上传至云端，用户可通过手机端机智云App实时查看参数；同时可远程设定参数阈值、下发调控指令，指令经云端转发后由ESP8266无线通信模块传输至主控单元，驱动执行模块完成相应调控，提升了系统的远程操控性与适配性[7]。

2 软件设计

本系统软件基于STM32F103C8T6核心板开发，采用模块化、分层式的编程思想，构建了集环境参数采集、人机交互、远程通信与智能控制于一体的软件体系。软件设计框架如图2所示。

2.1 软件整体架构

本系统软件采用分层式、模块化设计，由下至上依次为底层驱动层、功能模块层、应用调度层、云端交互层四级架构。底层驱动层用于实现OLED显示屏、各类传感器、ESP8266无线通信模块、按键等硬件的驱动适配；功能模块层用于封装环境参数采集模块、人机交互展示模块、远程通信与控制模块、设备控制与功能调度模块等核心子程序；应用调度层负责系统初始化、任务调度、逻辑判断与参数阈值管理；云端交互层用于实现数据上报、远程指令接收与云端协议解析，完成本地系统与远程平台的双向交互[8]。

2.2 核心功能模块设计2.2.1 环境参数采集模块

该模块适配多通信协议，以实现植物生长环境多维度参数的采集与解析，通过专用函数读取空气温湿度、光照强度、土壤理化参数、CO₂浓度等传感器数据，经协议解析与数值转换后，存储至全局变量，为后续的可视化展示与智能调控提供精准、实时的数据源[9]。

2.2.2 人机交互展示模块

基于OLED显示屏构建多页面图文交互系统，设计主页面、全参数展示页、分项控制页、阈值设置页、Wi-Fi配置页等功能页面，通过"图标+数值+文字"的方式实现环境参数的可视化展示；同时，支持本地按键交互，实现设备本地启停、环境参数阈值的增减调节及功能页面的切换与退出[10]。

2.2.3 远程通信与控制模块

以ESP8266为无线通信载体，基于机智云协议实现本地系统与云端的双向数据交互：通过gizwitsHandle()函数将采集的环境参数周期性上报至机智云平台；依托Wifi_date()函数实时接收云端下发的远程控制指令，为远程调控提供协议支撑。同时，实现Airlink配网、Wi-Fi出厂设置恢复功能，保障远程通信链路的建立与维护[11-12]。

2.2.4 设备控制与功能调度模块

该模块为系统的控制核心，一方面，通过按键扫描实现水泵、补光灯、风扇、加热器等执行设备的本地启停控制，基于环境参数与预设阈值的对比，完成智能联动调控；另一方面，通过专用调度函数实现各功能页面的有序切换，支持功能页面的快速退出与主页面回归，保障系统功能调度的实时性与有序性。

2.3 软件运行流程

1）系统上电初始化，完成外设驱动、通信协议、全局变量的初始化配置，加载参数预设阈值；

2）进入主页面循环，周期性执行环境参数采集、机智云云端数据交互等核心任务；

3）实时扫描本地按键指令，根据指令调度对应功能模块，完成参数展示、设备控制、阈值调节、Wi-Fi配置等操作；

4）功能执行完成后，支持一键返回主页面，系统持续循环执行核心任务，实现环境的不间断监测与调控。

3 实验效果

本系统完成软硬件搭建与调试后，经多维度测试验证，可实现植物生长环境参数的精准采集、可视化展示及本地/远程双端智能控制，各项功能均达到设计目标，系统整体运行稳定、响应及时。

3.1 环境参数采集

系统可稳定采集空气温湿度、土壤pH/TDS值、光照强度、CO₂浓度等核心参数，采集误差小、响应延迟<500 ms，数据更新频率为1次/s，无丢包乱码现象；采集参数实时存储至相应模块，断电不丢失，可实现数据追溯。系统运行时的环境参数采集与显示效果如图3所示。

3.2 人机交互展示

OLED显示屏多页面图文交互正常，以"图标+数值+文字"形式呈现参数状态及设备运行情况；按键响应延迟<100 ms，支持页面切换、本地设备启停、参数阈值调节，操作无卡顿，阈值修改即时生效并联动调控逻辑。系统内嵌多种拟真化图标，各类功能对应的图标设计及展示效果如图4所示。

3.3 无线通信与远程控制

ESP8266与机智云平台通信链路稳定，2.4G Wi-Fi环境下配网成功率≥95%；环境参数上传云端延迟<2 s，手机端App与本地OLED数据同步；远程设备控制指令执行延迟<1 s，启停状态双端同步，无指令丢失、误执行现象。

3.4 智能联动控制

系统基于预设阈值的智能联动逻辑运行正常，光照强度、CO₂浓度、土壤湿度等参数超出阈值时，补光灯、风扇、水泵等执行设备可自动启停，响应时间<1 s；异常参数可触发蜂鸣器报警，参数恢复后报警自动解除，无误报、漏报现象。

3.5 系统整体稳定性

系统经48 h连续通电测试，无死机、重启、数据中断等现象，各模块协同工作良好，硬件连接稳定，软件逻辑无漏洞，可满足植物工厂环境自动化控制的长期使用需求。系统整体硬件组成如图5所示。

4 结语

本研究设计了一款基于STM32F103C8T6单片机的智慧农业环境控制系统，完成了软硬件设计与测试，实现了环境参数采集、本地/远程控制、智能联动调控等核心功能，各项性能均达到设计预期。系统软硬件协同优化，主控性价比高、感知维度全面，无线通信与远程控制稳定，人机交互便捷，智能联动响应灵敏。

经48 h连续运行测试，系统无故障，可满足实际应用需求。未来可从提升采集精度、丰富通信方式、强化智能决策能力及硬件结构小型化等方面进行优化升级，进一步推动该系统在农业场景中的落地应用。

参考文献： [1]许正昊,张鸣岐,代建豪,等.基于STM32的智慧农业环境控制系统设计[J]. 声明：本文所用图片、文字均为转载，如有涉及作品版权问题，请第一时间告知，我们将根据您提供的证明材料确认并立即删除内容。本文内容系作者个人观点，不代表物联网123观点或立场。 特别提醒：物联网专业交流群欢迎物联网行业相关的人群加入，同时群内欢迎各路社牛、大咖、前辈加入，群内除了不能发敏感内容、色情内容，以及不太建议多次发送推广内容，其他内容皆可畅聊~——交流QQ群724511126，进群的朋友请备注：姓名-单位-研究方向（无备注请恕不通过），由编辑审核后邀请入群！