基于stm32的农业大棚智能监控系统设计

第一章绪论1.1研究的背景农业温室智能化监控系统研发，采用STM32作为核心技术，正逐渐成为现代农业发展的核心动力。步入21世纪，现代农业的进步不断推动农业生产效率和资源利用率需求的增长。现代农业对高效、精确及智能化技术的需求，传统的人工管理模式开始显现出其局限性。土壤质量和气候条件（如高温生长天数）对农民选择保险合同的覆盖水平有显著影响。在土壤质量较好、气候条件较为有利的地区，农民更倾向于选择高覆盖水平的收入保险或产量保险REF_Ref30627\r\h[1]。传统农业大棚主要依赖人工定期检查环境参数，如温度、湿度、光照强度等，这种方式效率低下且数据准确性难以保证。由于人工操作的局限性，传统大棚在环境调控上存在较大的误差，容易导致作物生长条件不理想，进而影响产量和品质。此外，传统大棚的管理方式成本较高，且难以应对突发环境变化。物联网技术正快速崭新崛起，为农业温室监控系统增添了高效的技术引擎。采用传感器技术、无线通讯技术及智能处理技术，系统快速收集并分析环境数据，据此，自动调整温室环境以契合作物生长特点，如灌溉、通风、补光等，从而实现精准化管理。农业大棚智能监控系统不仅可以促进农作物生产效率提高，还能一定程度上削减资源的浪费，保障农产品的质量安全水平，本系统能够对温室的温湿度进行调节，以实现最佳状态，实现环境改善，系统可对温室二氧化碳浓度进行实时监控与分析，有效阻止活性氧的聚集。运用抗氧化剂或调整植物激素的浓度梯度，显著增强植物对干旱的防御力REF_Ref31336\r\h[2]。系统也能实时对土壤湿度和光照强度数据进行监测，以防止过度灌溉、光照不足等带来的负面后果，为产品打造更有利的条件，该系统也具备分析数据的能力，预测农作物的生长动态趋势，让用户更方便地及时实施管理，并就出现的不良问题采取对应办法。系统发展于日益膨胀的市场需求里，还收获了政府政策的大力支撑，我国农业部正着手推广应用物联网技术，用以扶持智慧农业的发展，让农业生产优化效果更明显，伴随用户对温室大棚产品的需求持续上扬，在该时期，在农业温室智能监控系统的发展过程中，物联网技术起到了关键的后盾作用。因此，对农业温室监测系统优化的研究主要基于传统温室监测方法的缺陷和现代农业对高效、准确和智能化管理的需求。物联网（IoT）技术的发展为该系统的实施提供了技术支持，智慧农业的发展也不断为该系统的研究和实施提供支持。得益于科技进步和政府激励政策的双重推动力，现代农业正逐步普及高端温室监控系统，其效用日益凸显。

1.2国内外研究现状近期，我国在智能温室监控技术方面实现了显著的成就，采用了STM32微控制器技术途径，推动研究与应用进入新阶段。杨景超及团队携手合作，成功研制出一套融合STM32与ESP8266技术的智能温室环境监控系统。。提出了一种基于STM32和ESP8266模块的温室环境智能监测与控制系统，通过物联网平台实现了数据传输和远程控制，集成了温度、湿度、光照和土壤水分传感器，提高了农业生产的监测效率和智能化水平REF_Ref31509\r\h[3]。物联网及嵌入式技术的快速变革，极大地推动了温室智能化水平的飞跃。比如说，基于STM32和ESP8266控制器的智能温室监测和控制系统已经实现了温湿度监测、自动灌溉等功能，并在辽宁省云锦市的蔬菜大棚中进行了测试REF_Ref31620\r\h[4]。天津科技大学是该团队的根，胡孟林等成员是团队的中坚力量，成功构建了一款采用STM32技术的农业温室智能化管理系统，这一创新为我国智慧农业的飞跃注入了新的能量。此外，其他研究如基于ZigBee/WiFi的智慧大棚系统、基于PLC的智能温室控制系统等，也在不断丰富和完善农业大棚的智能化解决方案REF_Ref31685\r\h[5]。国外在智慧农业大棚的研究中，荷兰、日本和美国等国家处于领先地位。这些国家或地区高度重视无线传输技术和智能温室监测技术的应用。例如，荷兰大力发展设施农业，日本建成了世界上第一座自动作业的植物工厂，并开发了设施栽培计算机系统，用于作物生长过程的治理、测量、控制和培育REF_Ref31747\r\h[6]。这些系统不仅能够实时采集和分析环境数据，还能通过无线传感网络将数据传输至云端或本地PC端，实现24小时不间断监控。同时，这些系统还支持报警通知、设备控制和精细化农业管理REF_Ref31812\r\h[7]。在国外，美国、荷兰等国家在智能温室方面花了大量功夫，做了大量工作，他们利用卫星数据分析天气、灌溉、温室自动化、人工滴灌和病虫害防治，以提高生产率、降低成本并确保农产品质量REF_Ref31894\r\h[8]。美国科研团队成功采纳了智能农业监控系统，本系统在技术方面的一大特点是实现了对温室环境参数的实时跟踪，数据通过互联网途径上传至服务器，对实施有效监控与管理起到积极作用。英国的研究人员也开发了类似的智能农业系统，他们利用无线传输技术将数据发送到中央控制器，进行实时监控和管理REF_Ref31985\r\h[9]。荷兰通过建造温室系统成功地解决了农业空间不足的问题，以色列利用现代灌溉技术解决了当地的干旱问题，日本开发出了小巧密集的微控制器模型。这些国家的经验表明，发展温室系统的关键在于因地制宜REF_Ref32061\r\h[10]。1.3研究的目的和意义本次研究借助收集并分析不同类型的数据，诸如温度、周遭湿度、光照的具体强度、土壤的具体湿度、二氧化碳的具体浓度等数据，为农业生产的发展提供了决策相关的支持，以此提升农业生产的水平，其具体目的为实现对农业大棚环境实施实时监测，持续从数据里总结经验，找出里面存在的弊端并进行改善，以制定更合理的管理策略，提升农业生产的自动化与智能化水平，减少系统出现失误以及人工的劳作，最终实现高效、可持续的农业生产模式REF_Ref32136\r\h[11]。传统农业大棚靠人工实施操作，而且效率不高，人工所承担的劳动量大，而且所需成本高，农业大棚智能监控系统凭借自动操控风扇、水泵、照明等器械，降低人工干预，从而降低劳动成本以及因环境变化引起的农作物损失，系统凭借物联网和人工智能等先进技术实施自动、准确的控制及监测，优化生长环境以及生产的流程，提升农作物的产量与品质，降低生产时的风险与成本数额REF_Ref32198\r\h[12]。农业大棚智能监控系统是借助现代科技技术对农业生产环境实施智能管理的器械，拥有在不同环境下采集、留存并精准分析实时数据的能力，对保证植物有良好的生长条件十分关键REF_Ref32260\r\h[13]。农业大棚借助自动化管理并削减人工劳动，显著降低了生产费用，又让农作物收成增多。就好比水泵灌溉和施肥系统可精准管理水和肥料的运用，降低物资损耗，进而提升植物生长效率与收益REF_Ref32325\r\h[14]。依靠智能管理及精准监测，该系统能明显提高作物的产量以及质量，带动农民收入增长，这个系统支持远程监控模式，使用简单快速，用户在任何时候都可借助手机或电脑实时查看大棚参数，为用户增添更多便捷。在现代农业生产中，智能温室监控系统占据核心地位，采用物联网技术，实时跟踪并调整温度、湿度、光照等关键环境参数，以此提升农业生产效率、优化产品质量并降低生产开销，此系统的运用利于农业生产由传统农业向现代农业转变REF_Ref32387\r\h[15]。采用实施基于STM32微控制器和ESP8266模块的智能系统，可以实时远程监控大棚内的各项环境参数，囊括温度、环境湿度、土壤的含水湿度、光照强度大小等，一定程度上改善了农业生产的水平，切实提高了农业生产效率REF_Ref32446\r\h[16]。依靠掌握计算机的内部结构及工作原理，我们可更好地开展农业大棚智能监控系统的数据采集、传输和分析的设计与优化，以此进一步改善系统的效率及可靠性REF_Ref32505\r\h[17]。在研究农业大棚智能监控系统时，我们的目的和意义主要是探讨怎样运用现代技术实现农业生产的高效自动化管理，这种方法不仅能提高农产品的质量及产量，而且可以降低生产时所产生的成本，最终切实促进农业现代化，推动农业与农村经济的繁荣及可持续发展，我们这项研究方能挖掘出更重要的理论价值以及重大的现实意义。

1.4研究的内容及方法温室环境智能监控单元，主要依赖物联网技术、传感器网络及智能控制技术，对温室大棚的环境指标实施实时跟踪与智能处理。系统巧妙地吸纳了多种感应器，对周围环境进行无死角监测，集成了温湿度测量、亮度感应器、土壤水分监控、CO2浓度检测、OLED显示屏、警报鸣响器、通风设备与灌溉泵等多元化功能。在智慧大棚系统中，CC2530芯片也通常作为ZigBee节点的核心控制器，来负责数据采集和无线传输REF_Ref32563\r\h[18]。大棚各角落遍布，检测装置无处不在，它们承担监控义务，实时跟踪并记录空气的温度、湿度、光照及二氧化碳浓度等关键环境变量，然后将数据通过无线通信技术（如WiFi、ZigBee等）传输至云平台进行分析处理REF_Ref32691\r\h[19]。融合云计算与物联网方案，执行温室的即时监控与智能控制，成效显著REF_Ref32629\r\h[20]。依托于高精尖技术，积极改善作物生长环境，实现产质量与品质的双重飞跃，还极大减少资源的浪费以及人工成本，农业发展正朝着高效及可持续化的方向前进，大棚环境调控依赖智能监控系统的实时操作，促进农业发展步伐，在维持有利生长条件的同时，也可提升农产品的生产率及品质，该系统凭借传感器采集实时的环境数据，凭借数据分析去调整环境参数，做出对应的反馈，以保证给农作物提供最有利的生长条件。在使用农业大棚智能监控系统的时候用户既可以使用手机也可以使用电脑进行远程的监测和控制温室内的环境参数，从而更方便于管理。系统还可以利用各种传感器实时的记录大棚内的环境参数，并且对数据进行相应的分析，来确保农业大棚智能监控系统可以准确的进行环境管理。该系统还支持以下一系列的自动化功能，其中包括高清视频监控设备，可以在全天候实时监控大棚内部的环境情况，从而发现异常情况并发出报警。采用STM32及ESP8266技术的智能温室环境监管平台，该系统利用串口高效通信，把所采集到的温湿度和光照等所有的数据都传输至OneNET平台，并且通过MQTT消息格式发布到指定的主题，进而实现了数据的高效传输和远程监控REF_Ref18\r\h[21]。

第二章系统总体设计2.1需求分析农业大棚智能控制系统包括功能需求、技术架构、应用场景和经济效益等的需求分析，将先进的物联网技术与自动化控制技术相结合，可以显著提高农业生产效率和管理水平，为现代农业发展提供强有力的技术支撑，可以综合考虑农业大棚从物理环境到自动化控制的过程，包括对光照、温度、湿度、土壤湿度、二氧化碳浓度等的要求，关注大数据、云计算、物联网、人工智能等各种相关科技的发展趋势。总的来说，农业大棚智能监控系统的设计应包括不同的需求和技术，以最大限度地发挥现代农业发展的效益，提高农产品的质量及产量，方便管理者管理。系统设计的基本要求如下，各项要求如表2.1所示。表2.1器件型号显示屏OLED温湿度传感器DHT11光照传感器光敏电阻CO2浓度传感器SGP30土壤湿度传感器S10WIFI通信功能ESP8266（1）达成显示效果，选取一款匹配的显示设备，OLED或液晶显示装置可供挑选，将采集的数据同步至该装置内存储。关注农业温室的最新运行状态反馈，运用传感器进行数据搜集，对这些数据实施处理程序，数据最终上传至云端数据库，轻松实现手机端实时监控及数据直观呈现。图2.1中OLED屏幕展现无遗。图2.1OLED显示屏（2）配置DHT11型号的温湿度感应单元，系统即时搜集并显示当前的温湿度状况，在屏幕上清晰呈现。一旦温湿度数值越过了既定标准点，风扇会自动启动以进行调节，即时调整室内气候的均衡性，构筑一个宜人的室内气候场所。DHT11温湿度传感器如图2.2所示。图2.2DHT11温湿度传感器（3）探讨光亮暗变化，通过光敏电阻和光敏二极管技术实现，对所采集信号执行采样与解析，系统可以自动开灯进行农作物补光。光敏电阻如图2.3所示。图2.3光敏电阻（4）利用CCS811模块，轻松掌握二氧化碳浓度，直观呈现，将其显示在显示屏中，二氧化碳含量一旦触及既定的警示界限点，系统蜂鸣器自动启动报警，发出警报音。图2.4直观地揭示了二氧化碳检测仪的外貌。图2.4二氧化碳传感器（5）土壤湿度检测可以通过S10来读取传感器输出土壤湿度数值，将其显示在显示屏中，当检测到的土壤湿度低于阈值时，灌溉系统自动启动水泵，实现水分的补充，调节土壤湿度至适中水平，激发作物旺盛成长动力。S10土壤湿度传感器如图2.5所示。图2.5S10土壤湿度传感器（6）WiFi通信功能可以使用ESP8266模块，将所得信息上传到云端的数据库中，借助手机软件对农业温室实施实时监督。ESP8266模块如图2.6所示。图2.6ESP82662.2总体设计思路本系统设计将物联网技术、传感器网络及智能控制算法作为应用重点，对温室大棚环境参数进行智能分析与处理。核心控制模块采用STM32单片机，全面实施系统操作与数据解析程序，监测环境参数如温湿度、光照、土壤湿度及二氧化碳浓度的传感器，电风扇，降温神器；水泵，土壤湿度提升的得力盟友；OLED显示屏，数据展示窗口。凭借系统架构的支撑，设备完成了整合流程，实时数据搜集活动，数据内容直接呈现于OLED屏幕，无线联网功能已兼容，同步映射至手机应用界面。系统架构图进行了全面剖析，如图2.1所示。技术程序框图如下图2.2所示。图2.1系统设计框图图2.2技术程序框图2.3总体技术方案论证2.3.1微控制器的选型系统设计的核心控制部件非微控制器莫属，占据主导地位，其选取对系统的整体运行性能与稳定性产生关键性作用。因此，在构建适当的外围电路以满足不同的开发要求时，选择合适的微控制器尤为重要。现下微控制器应用领域，51系列与STM32系列微控制器在应用界域内占据主导角色。STC89C52微控制器是51系列微控制器的典型代表，由于其编程简单、使用方便，已成为嵌入式硬件开发初学者的理想选择。然而，51系列单片机的硬件配置不算复杂，处理效率不高，每次操作仅限于8位数据集。因此，项目实施阶段进行时，51系列单片机的系统资源显然无法达到项目设定的标准。STM32微处理集成模块，实施ARMCortex-M3核心架构技术以实现目标，该型号STM32F103C8T6因拥有众多硬件资源及卓越的功能表现而备受好评，它能够高效地在单次操作中处理32位的数据量，从而实现快速的数据处理能力。可用C语言对其编程，其结构化语言使其逻辑非常清晰。此外，该设备支持多种外部接口，包括IO口的多种功能，例如串口、SPI（串行外设接口）和IIC（I2C）等通信接口。经过全面评估，STM32在处理能力、资源丰富度以及硬件支持等方面明显优于51单片机，本设计采用的是STM32作为主导控制芯片。STM32F103C8T6单片机如图2.2所示。图2.2STM32F103C8T6单片机2.3.2显示模块的选型LCD1602显示屏仅需11个数据接口，操作简便，相较于LCD12864，焊接作业轻松方便，单片机的IO端口占用空间不多。但是LCD1602屏幕只能够显示两行数据，因此它的数据显示相对较少，不能满足一些设计需求。OLED与液晶LCD12864两种屏幕技术均能高效展示出大量数据，完全契合设计指标。此OLED屏幕的尺寸仅为0.96英寸，需留意辨认，辨认细节是必须的步骤。然而，OLED技术显现出全面的强势表现，焊接时，仅用两个引脚即可完成数据传递，操作简便，温度适用范围更宽阔，其耐久性得到了有效优化。经过深入分析后，屏幕应优先呈现农业大棚的核心环境数据点，也需兼顾焊接作业的便利性等相关条件，因此，我们决定采用OLED液晶显示系统，图2.3中可见其外形。图2.3OLED液晶显示2.3.3二氧化碳传感器的选型使用的是SGP30二氧化碳传感器。该技术运用红外吸收作为其运作基础，红外辐射与探测器联合构建的系统，二氧化碳分子逗留在传感设备内，随后发生了反应过程，探测器对红外辐射中的一部分能量进行了采集，进而，依据红外辐射吸收量，对二氧化碳浓度进行测定。其次，它的测量误差小，重现性好，可用于对精确度要求较高的场合：CO2浓度范围为400~60000ppm；响应速度快，可快速检测空气中CO₂和VOC（挥发性有机化合物）浓度的变化。功耗低，在节能模式下工作时可以降低功耗。SGP30因其使用寿命长、性能稳定（即使在连续运行的情况下）而被认可为CO₂传感器。SGP30二氧化碳浓度传感器如图2.4所示。图2.4SGP30二氧化碳浓度传感器2.3.4温湿度检测传感器的选型实施DHT11型号的温湿度传感组件。本模块纳入线性集成元件的范畴，设有温湿度探测系统，元件阻值变化可用于感应外部温湿度，并能将这些变化直接映射为单片机可用的信号。在此模块中，数据传输变得极其简易，温湿度信息传输，一根导线足矣，增设了数据核实程序，维持数据传输的精确度，农业大棚内部温度只需检测0℃~40℃，DHT11符合检测范围，因此采用该模块，DHT11温湿度传感器外形图如图2.5所示。图2.5DHT11温湿度传感器DHT11温湿度探测器可与基础电路及微处理器相接，实时掌握温室的温湿度动态，适用范围的数据可从表2.1中查阅。表2.1DHT11温湿度传感器的有限范围测量项DHT11温湿度传感器的有效范围温度测量范围0℃~50℃湿度测量范围20%~90%RH2.3.5光照传感器的选型采用光敏元件的传感机制。光束照射之际刻，光敏电阻的半导体层接纳了光子能量。能量驱动下，电子在价带间进行迁移，电子实现了从价带到导带的跃迁，进而，产生了电子与空穴对。独立电子与空穴结合构成了载流子集合。光强上升阶段，半导体中自由电子的数目正在上升，材料的电导性能显著增强，电阻明显减小；相对地，光亮度降低的阶段点，自由电子数量降至较低层次，电阻值将上升，数值上升明显。在微弱的光照之下，光敏电阻的电阻普遍增加，其电阻量级可达数兆欧；然而，在光束照射之下，阻抗快速减少至几千欧姆以下范围，从而实现USB灯的自动开关。光敏电阻如图2.6所示。图2.6光敏电阻2.3.6土壤湿度传感器的选型电阻率土壤传感器测量土壤电阻率的变化然后转化为数字信号，借此得到土壤湿度数据，虽说这种传感器所需价格少，然而精度欠佳，还对土壤类型敏感度高，应定期实施校准，对我们的农业大棚不太契合。电容式传感器凭借土壤介电常数的变化测水分，即便售价偏贵，然而精度挺高、响应很迅速，适宜对大面积土壤实施监测，而且更适宜大型农业大棚的生产。二者各有优劣，把传感器放置在土壤中时，它会与土壤中的水分子相互作用，水与空气及干燥土壤相比，其介电特性更为明显，土壤湿度起伏与电容传感器数值变动紧密绑定。传感器精准度的实现依托于电容波动的感应原理，详实描绘土壤水分状态。土壤湿度数值稳步增长，呈上升趋势，电容读数正在上升阶段。传感器将电容值的变化转换成电信号，然后对电信号进行处理和校准，从而得出准确的土壤湿度值。电阻式传感器在长期使用后容易腐蚀，而电容式传感器则更耐腐蚀。虽然电容式传感器价格较高，但在满足高精度要求的情况下，可以提供出色的结果。综合分析考虑，农业大棚涉及高精度需求且体积较大，故采用S10土壤湿度传感器。S10土壤湿度传感器如图2.7所示。图2.7S10土壤湿度传感器2.3.7无线通信模块的选型实施ESP8266无线网络芯片模块。本产品支持与各类WiFi设备的兼容操作，提供手机App远程操作功能，简化WiFi传输手续。此外，此装置含有内置的微处理器单元，可独立实施单片机控制，也支持微型实时系统的兼容性。基于其在简单WiFi通信中的出色表现，本系统已引入该模块，图2.8中呈现的ESP8266无线WiFi集成电路，本系统采用此模块。图2.8ESP8266无线WiFiESP8266无线WIFI模块具有集成度高、低成本、外围电路简单、可编程性好、支持多种应用场景等特点，适合于各种智能化领域的应用。同时，由于其功耗低、续航能力强且支持OTA升级等特点，可以为用户带来更好的使用体验，如表2.2。表2.2ESP8266无线WIFI模块的特性特性名称描述集成度高内置了微控制器单元、WiFiMAC/PHY/RF等硬件，可完成多种应用低成本价格亲民，特别针对物联网设备与农业自动化等智能化场景实施定制化外围电路简单由于集成度高，所需外部接口、电路较少可编程性好选用TensilicaL10632位核心处理器，性能卓越，多种编程语言适配性强支持多种应用所指范围为物联网技术、智能温室及无线监测设备等高效省电采纳尖端的能源消耗管理策略，降低能源使用比例，显著增强电池的使用寿命支持OTA升级轻松实现空中无线固件更新，简化升级流程第三章系统硬件电路设计3.1硬件结构设计阐述农业智能温室监控系统硬件的配置结构特点：实时跟踪温室内的空气环境、温度、CO2浓度及土壤湿度状况。气温一旦达到30℃以上，系统将触发警报蜂鸣器，自动激活风扇进行温度调节；同时，二氧化碳浓度已达到既定的最高浓度标准线，系统还将触发报警蜂鸣器，当土壤湿度低于一定数值时蜂鸣器会报警提示，系统会自动开启水泵，进行水源补充，并且系统还会根据光照强的强弱来控制灯光的开关。各类数值可以在OLED屏幕上显示，还可通过WIFI模块连接网络，在上位机中进行实时监测。3.2系统整体电路图农业大棚智能监控系统每天可以根据各类传感器检测电路达到自动开关灯，然后通过温湿度传感器监测大棚内温湿度数据，一旦大棚内气温攀升至30℃以上，自动启动风扇功能，完成冷却作业。通过二氧化碳检测系统对温室二氧化碳浓度进行持续跟踪，二氧化碳浓度已达到警戒阈值，警报功能自动触发，蜂鸣器鸣叫。实施土壤湿度感应器监控土壤水分含量，当土壤水分含量降至预设标准以下时，自动启动水泵以进行灌溉流程，保证植物水分供应的充足供应能力。OLED显示电路和WIFI电路作用，数据可以在OLED屏幕中显示。网络连接的建立，WiFi模块也能胜任，在主控平台界面呈现数据。各个模块之间的连接方式与数据传输路径将在后面介绍，系统整体电路图如3.1所示。图3.1系统整体电路图3.3OLED显示电路OLED显示屏的接入端口共有四个，电源线、接地线、数据传输接口及时钟信号端口。单片机利用时钟接口传播时序脉冲，数据端口对电平的升降进行响应，达成与显示系统的连接。图3.2详细描绘了该接口电路的组成原理，OLED引脚的详细数据请查阅表3.1。图3.2OLED显示电路表3.1OLED的引脚说明序号OLED引脚名称对应主芯片的引脚1VCC芯片电源供应引脚，3.3V~5V2GNDGND3SCLPB94SDAPB83.4二氧化碳浓度检测电路和报警电路二氧化碳浓度检测采用了一个SGP30传感器模块，SGP30传感器采用6针DFN封装，SGP30通过I2C接口与微控制器通信，通过配置I2C总线的时钟频率和GPIO引脚，将SCL和SDA引脚连接到微控制器的对应端口。实施I2C通信协议以发送测量命令，接收传感器测量数据回传。SGP30支持3.3V和5V供电，但推荐使用3.3V供电以降低功耗。此外，VCC引脚需连接到100nF电容以快速解耦。对于低功耗设计，SGP30在待机模式下功耗仅为40μA。图3.3中呈现了电路的原理图样，表3.2对SGP30的引脚进行了详实剖析。图3.3电路原理图表3.2SGP30的引脚说明序号SGP30引脚名称对应主芯片的引脚1VCC芯片电源供应引脚，3.3V~5V2GNDGND3SCLPB54SDAPB6蜂鸣器借助直流电压的激发，搭构了一款综合电子警报器。此设计采用电磁驱动型有源蜂鸣器作为核心模块。图3.4中呈现了蜂鸣器的实际样子。图3.4蜂鸣器蜂鸣器运行时电流消耗多，STM32的I/O端口输出的电流无法驱动蜂鸣器，于是，电路配置中引入了三极管电流放大模块。采用此布局，STM32已对蜂鸣器实施指挥。三极管基极电阻与STM32的PE14端口相联，PE14端口立刻呈现高电平状态，三极管执行放大步骤，蜂鸣器启动动作正在启动中；PE14端口呈现低电平信号，蜂鸣器目前处于休眠状态。图3.5揭示了蜂鸣器控制电路的电路图样。图3.5蜂鸣器驱动电路3.5温湿度检测电路这款温湿度采集器内嵌了DHT11型号的温湿度探测器，该设备的数据交换依赖单总线系统，电路接口设计不繁琐，简单连接此设备到单片机的10号端口即可，详见表3.3，其中对DHT11的引脚连接进行了具体说明。据此，探明DHT11传感器是否已触及既定的温度界限，随后激活风扇及其他辅助设施，应用电路原理图如下图3.4所示。图3.6电路原理图表3.3DHT11的引脚说明序号DHT11引脚名称对应主芯片的引脚1VCC芯片的电源供应引脚，3.3V~5.5V2SPA03GNDGND3.6光照监测电路和灯光电路系统通过光敏电阻实现对大棚内光照强度的检测，实现灯光的开关控制，光敏电阻因其独特的光电特性，在光照监测电路设计中具有重要地位。一般地，光敏电阻的这一端接入电源的正端，电压标准为5V或3.3V，该端与地相接。为确保光敏电阻电阻值变化的精确测定，通常采取与固定电阻串联的连接方式，构建电压分配电路方案。软件在模拟输入端口采集电压资料，将数据转换为相应的光强度数值。最终通过USB接口控制灯光的开关。图3.5描绘了光敏电阻的电路布局，图3.6对USB灯光电路的构成进行了具体呈现。图3.7灯光电路图3.8USB灯光电路3.7土壤湿度检测电路土壤湿度检测设备一般配置有三个接口：检查VCC电源、GND接地以及AO模拟信号输出端口，看是否连接得当。VCC端子与传感器电源线相连，一般电压值在3到5伏的范围内；GND端子与地面相连；AO引脚输出与土壤湿度有关的模拟信号，该信号需要由微控制器或ADC处理以获得湿度值。将传感器电源的正极引脚接入电源的匹配接口，支持3.3伏及5伏电源配置。如果使用Arduino等开发板，可将VCC直接连接到开发板上的3.3V或5V引脚。为确保传感器电路稳定工作，请将GND引脚接地，AO引脚接微控制器上的模拟输入引脚（如Arduino的A0引脚、ESP8266的A0引脚等）。如果需要数字输出信号，可将其连接到数字输入引脚，然后使用ADC模块将其转换为数字信号。图3.7呈现了电路的原理结构图，查阅表3.4掌握引脚的分配。图3.9电路原理图表3.4S10的引脚说明序号S10引脚名称对应主芯片的引脚1VCC3V~5V2GND连接地线GND3AOPB13.8风扇驱动电路和水泵电路风扇控制单元采用集成式设计，为一整套。本设备电源接口兼容5伏与24伏两种电压等级。鉴于本设计对大功率控制无需求，所以，本装置采纳了5伏特的电源方案。该电源内置了驱动集成电路，技术先进，以外部的PWM信号作为控制信号，可对风扇转速进行调节，表3.5列出了引脚与芯片的对应关系。图3.10中，电路的原理图设计图被展示。土壤湿度若降至既定标准线以下，迅速启动灌溉活动。水泵运行阶段持续，借助继电器模块实施启停指挥。水泵停止运行的瞬间，系统立即转为待命状态，静候下个激活条件的实现。水泵电路的引脚说明见表3.6。图3.10MX1508电路原理图表3.5风扇电路的引脚说明序号风扇引脚名称对应主芯片的引脚2IN1PB123IN2PB13表3.6水泵电路的引脚说明序号水泵引脚名称对应主芯片的引脚2IN3PB143IN4PB153.9WIFI电路WiFi电路是采用了一个ESP8266WiFi模块。整个模块内部封装了串口通信功能，通过串口通信的配置，就能够实现WiFi通信。整个模块的串口接口与单片机的串口连接在一起，就能够实现系统的远程通信功能，其电路原理图如下图3.11所示，具体引脚与芯片之间对应关系见表3.6。图3.11电路原理图表3.6ESP8266引脚说明序号ESP8266引脚名称对应主芯片的引脚1VCC芯片的电源正极2GNDGND3TXDPA34RXDPA25RSTPA46GPIO0 未使用，不连接第四章系统软件设计4.1软件设计需求及设计思路项目开发流程中，我们实施了KEIL集成开发工具。高水平的编程工具极大地增加了编程的愉悦体验，极大地推动了程序开发效率的增长。KEIL公司提供的集成开发工具集，专为STM32系列单片机设计的解决方案，此开发工具提供了代码编写功能，拥有自动补码和语法提示特性，内置了GUN工具链部件，满足C/C++等编程语言的编译条件，为开发者提供了顶级的编程环境，配置如图4.1所示。图4.1软件开发环境软件设计的需求主要是实现农业大棚的所有功能，也就是二氧化碳浓度检测，温湿度检测，光照强度检测，土壤湿度检测功能的实现。并且整个系统能够通过光照强度检测，实现对USB灯管的开启控制，通过土壤湿度的检测，实施于温度感应技术，对水泵启停实施精确操作，同步实施风扇的智能调控策略。并且通过WIFI模块将大棚内环境信息实时的传送到云平台中。系统优势主要体现在无线WIFI技术的运用、传感器的合理配置及智能逻辑的精确处理。程序设计思路为以下：（1）系统启动时，启动时，需对主控模块和配合硬件进行初步设定，对串行端口进行调节和有机发光二极管显示屏的配置等步骤。（2）编写或者调用所需用到的函数接口，如显示函数、WiFi串口通信函数、温湿度检测函数等相关接口函数。（3）塑造核心执行框架，安排并调度接口执行流程，执行复杂逻辑分析步骤过程，同步观察屏幕刷新的实时变化。（4）进行串口中断函数，实现WIFI通信逻辑的编程。（5）进行模块优化，将整个程序框图的结构设计更严谨，如删除不必要的代码或者增加某些功能等。4.2主函数程序框图软件的主要设计工作主要包括构建整个软件框架，并在此框架上添加若干子函数，以实现智能类的全部功能。在整个框架中，每个模块都必须先进行初始化，然后通过逻辑推理调用接口函数来执行功能。需要注意的是，整个框架的结构要严谨，这样才能实现代码后期更好的可维护性，同时也方便他人阅读。其主程序框图如下图4.2所示。图4.2主程序框图

4.3子程序设计4.3.1OLED子程序有机发光二极管程序首先是对其进行初始化，然后配置相关的接口函数以供主程序调用在接口函数配置完成后，程序进入主循环中，等待接受来自主程序的指令。主程序通过调用接口函数，向发光二极管屏幕发送相应的显示内容，在发光二极管屏幕上显示出需要的文本。每当接收到来自主程序的指令后，程序就会相应地执行对应的接口函数，完成显示内容的更新。当主程序退出后，程序会执行清屏函数，将有机发光二极管屏幕上的显示内容清空，为下一次使用做好准备。OLED子程序流程图如下图4.3所示。图4.3OLED子程序流程图4.3.2二氧化碳浓度检测子程序二氧化碳检测子程序首先要对用到的IO口进行初始化，然后实现二氧化碳采集函数的设计。图4.4对二氧化碳浓度检测子程序流程进行了流程图呈现。图4.4二氧化碳浓度检测子程序流程图核心代码：二氧化碳的初始化及浓度读取SGP30_Init();//初始化SGP30 Delay_Ms(100); SGP30_Write(0x20,0x08); sgp30_dat=SGP30_Read();//读取SGP30的值 CO2Data=(sgp30_dat&0xffff0000)>>16; TVOCData=sgp30_dat&0x0000ffff; 4.3.3温湿度检测子程序根据数据手册的时序配置表执行，执行单总线的数据传输任务，对温湿度数据进行了采集作业。图4.5详细呈现了温湿度子程序的流程图。图4.5温湿度检测的子程序流程图核心代码：控制风扇开关if(temperature>=judgeTemp) { MotorFanON; fan1Switch=1; } else { MotorFanOFF; fan1Switch=0; }4.3.4光照监测子程序光照强度检测子程序配置好，相应的初始化后，就只需要设计光照强度传输函数，必须实施光亮度信息传递的操作，光照强度子程序的执行流程图见图4.6。图4.6光照检测的子程序流程图核心代码：控制灯光开关if(lightADCVal<=judgeLight) { LEDZM=1; LightSwitch=1; } elseif(lightADCVal>judgeLight) { LEDZM=0;// LightSwitch=0; }4.3.5土壤湿度检测子程序进行土壤湿度检测起始阶段要设置系统参数，涵盖阈值设定与传感器的布置，系统能把传感器采集的土壤湿度数据转换为数字信号，方便用户查看，然后把检测出的湿度值跟阈值设置的值加以比较，以此判定土壤的潮湿程度，水泵会按照湿度设置的阈值开启或者关停，采集到的数据不只能在屏幕上显示，也会传输到云平台。图4.7详细揭示了土壤湿度检测子程序的流程图具体内容。图4.7土壤湿度检测子程序图核心代码：土壤湿度控制水泵if(solidADCVal<judgeSolid) { MotorWaterON; waterMotorSwitch=1; } else { MotorWaterOFF; waterMotorSwitch=0; } 4.3.6WIFI子程序WiFi功能的设计就是需要配置好串口，将IO配置成相应的输出输入模式，然后配置好相关的串口寄存器，最后进入到串口中断中，然后连接服务器，进行WIFI逻辑的实现。子程序流程图如下图4.8所示。图4.8WIFI子程序流程图4.4APP设计4.4.1APP功能分析阿里云智能APP主要以云服务、大数据及人工智能等技术为依托，用户不光可远程调控各类智能设备，诸如电灯、风扇、水泵等器具，阿里云智能APP能借助天猫精灵、亚马逊Echo、谷歌Home等一系列语音助手对设备进行语音控制，用户还可以自己转换为手动模式，依靠APP的操作对多个设备一键控制，能够同时把风扇、水泵及USB灯启动，该解决方案给出统计数据以后，再对全部设备的使用数据加以分析，协助用户明确自己的目标并对目标优化利用。该APP借助多个数据中心以及灵活、可拓展的架构来保障服务的连续性与可靠性，在现代控制软件里面占据显著优势，它还可提供多样的安全管控手段与防护办法，可维护用户数据的安全状况，实时巡查设备运行状态，若处于异常情形下会及时发出警报。云智能APP把云计算、大数据与人工智能技术整合起来，为用户呈上了便利的智能化服务，其核心功能包含设备控制、模式设定、数据分析以及云服务支持等项目；技术特点反映在智能化服务、高可用性与安全性等范畴；应用场景囊括智能农业大棚跟企业级应用；对于用户体验，强调的是界面友好性与个性化定制，跟其他物联网平台对比，云智能APP在兼容性、功能全面性与安全性方面优势十分明显。APP创建流程图如图4.9所示。图4.9APP创建流程图4.4.2APP程序设计终端设备中集成了WiFi模块，通过WiFi信号进行数据传输，并可连接到阿里云云平台和用户设备云应用程序。其中，终端设备通过WIFI模块获取数据，并使用MQTT协议发布数据，实现与云平台和云应用程序的通信。终端即将与代理服务器进行数据对接，确保连接合法性的验证得到确认，向云端与用户端云应用发出连接申请指令，执行连接权限的认证步骤。图4.10详细描绘了MQTT通信程序构建的流程图。图4.10APP程序流程图第五章系统测试5.1软件系统测试软件测试这一专业范围里，软件测试的核心理念体现在黑盒测试与白盒测试上。黑盒测试的核心在于验证软件的输入、输出及功能是否与既定标准相吻合，重点关注的是软件的外部行为；白盒测试则更多地着眼于被测试软件的内部结构和代码实现方式，重点关注的是软件的内部行为，黑盒测试主要检查逻辑错误、边界条件错误和性能问题等，关注的是功能性和安全等方面。5.1.1黑盒测试通常称为功能验证环节，测试阶段未深入到内部实现细节，确保软件的输入输出与预定要求相吻合，该测试方法以软件的交互性能作为检验的中心，大量功能模块组成了农业大棚智能监控系统，含有环境数据采集、远程控制及报警功能等，黑盒测试频繁被用于测试这些功能模块。黑盒测试一般是用来检验每个功能模块是否能按设计要求顺利运行，核查温湿度、二氧化碳和光传感器的数据采集模块能不能准确读取环境参数然后上传到云端，确认远程控制功能是否会响应用户所发指令，就像设定灌溉和通风设备的开关情形。如表5.1数据测试显示结果。表5.1数据测试显示结果数据名称显示数据值更新时间是否显示成功Temp162025-3-813:00是Humi632025-3-813:00是CO24872025-3-813:00是Light6922025-3-813:00是Solid02025-3-813:00是黑盒测试的主要任务是核实系统模块接口的精确无误的匹配度，以此保障信息流的稳定连贯性，黑盒测试应核查与外部数据库或云平台的通信是否已达标准化，以防止用户出错以及数据的丢失，我们还得检查系统处理非标准输入数据（例如非法命令、带外数据）的能力，来保证系统可以清楚呈现所有错误且维持稳定状态。黑盒测试还应跟性能测试相互结合起来，以对系统（若其并行化良好）的响应时间和稳定性进行评估，智能温室控制系统的黑盒测试，是确定系统功能完整以及保障用户体验的重要因素之一，各种测试用例模型以及对不同使用场景的考虑，此功能让我们能迅速捕捉并预防系统失误，稳固系统性能，极大地增强了系统的稳定性及用户满意度。设备显示数据如下图5.1所示。表5.2中记录了二氧化碳浓度检测的样本数据，表5.3呈现了光照强度的检测细节。土壤湿度测试结果如下表5.4所示。图5.1设备显示数据表5.2二氧化碳浓度测试结果测试次数干扰前浓度干扰后是否报警1400897是2420594否3435953是表5.3光照强度测试结果测试次数干扰前亮度干扰后USB灯是否亮1211756否2624251是3666246是表5.4土壤湿度测试结果测试次数干扰前湿度干扰后水泵是否运行1025是2033否3038否5.1.2白盒测试白盒测试，也即结构化测试或透明盒测试，对软件内部逻辑与控制架构进行深入研究的测试手段，对源代码的掌握需达到透彻的层次，以便更精准地筹备测试事宜，检验软件的逻辑流程是否契合预期，该方法把重点放在代码覆盖率、路径覆盖率和逻辑覆盖率上，可找出代码里的错处，增进软件的稳定性及可靠性，农业大棚智能监控系统另外有传感器数据采集、数据传输、环境参数分析和远程监控等功能模块，这些功能模块实现要设计复杂的逻辑与算法，得开展白盒测试，以保障内部逻辑精准无误。1.二氧化碳报警模块，首先经过分析得到二氧化碳报警模块的流程图，如图5.2所示。遵照流程图，制作出对应的流程控制流程图，详见图5.3。图5.2报警模块流程图图5.3报警模块控制流图针对控制流程图的关键测试路径，全面列举测试序列，对测试案例进行了周全构思：（1）二氧化碳浓度超过800（mg/m3），蜂鸣器报警，等待二氧化碳浓度低于800（mg/m3），等待蜂鸣器不报警。（2）二氧化碳浓度低于800（mg/m3），蜂鸣器不报警，等待二氧化碳浓度高于800（mg/m3），等待蜂鸣器报警。如下表5.3为基本路径测试结果。表5.3报警模块测试结果序号二氧化碳浓度实际结果1低于800（mg/m3）不报警2高于800（mg/m3）报警2.水泵模块，经过分析得到水泵模块的流程图，如图5.4所示，根据流程图画出对应控制流图，如图5.5所示。图5.4水泵模块流程图图5.5水泵模块控制流图针对控制流程图的关键测试路径，全面列举测试序列，测试案例如下：（1）土壤湿度低于50（ppm），水泵开始运行，等待土壤湿度高于50（ppm），等待水泵停止工作。（2）土壤湿度高于50（ppm），水泵停止运行，等待土壤湿度低于50（ppm），等待水泵开始运行。如下表5.4为基本路径测试结果。表5.4水泵模块测试结果序号基本路径预期结果实际结果.5.6.7水泵运行符合预期..6.7水泵停止运行，湿度低50运行水泵停止运行，符合预期3.上机位APP模块，对上机位APP模块进行分析得到模块的流程图，图5.6所示，遵照流程图，制作出对应的流程控制流程图，详见图5.7。图5.6上机位APP流程图图5.7上机位APP模块控制流图针对控制流程图的关键测试路径，全面列举测试序列，测试案例如下：（1）上机位APP成功连接WIFI，能够正常显示数据。（2）上机位APP未能成功连接WIFI，等待连接，当成功连接后能进行正常数据显示。如下表5.5所示。表5.5上机位APP模块测试结果序号基本路径预测结果实际结果..9连接WIFI，数据显示符合预期..7.8.9等待连接，连接后正常等待连接后可成功连接5.2总体功能测试在软件系统测试之后，通过对各个功能进行测试判断能否正常实现，对出现的问题进行调整，最后测试其整体功能.具体步骤如下：1.WiFi通信芯片测试的流程和步骤。测试过程分为以下几步：第一步将WiFi通信芯片连接至电脑的串口3，并使用串口调试工具进行AT指令测试连接。第二步通过串口调试工具监测测试，返回结果正常。第三步用at指令与手机热点建立连接，然后将网络调试助手设置为与电脑所连接的热点相同的P地址，并设置一个端口号。第四步当网络调试助手显示已连接时，可以向WiFi发送信息，在串口上接收；WiFi模块进入发送阶段，信息已成功发送至主机端口，已送达。第五步操作核实WiFi模块与主机间通信是否无中断。测试结果与预期一致，达到要求。2.经过精确的审查，显示屏测试成功进行，借助ST-Link工具完成编程任务，程序已成功置入开发板，运行表现平稳，无波动，同时电源指示灯持续亮起.此外，我们还测试了连接在开发板上的有机发光二极管显示器，结果显示屏幕正常亮起，且显示内容准确无误，没有出现任何损坏或坏点等问题。测试结果与预期一致，达到要求，如图5.8OLED屏幕测试所示。图5.8OLED屏幕测试3.测试二氧化碳浓度需要确保在二氧化碳浓度高的情况下，可以通过点燃一些纸张、木屑等燃料的方法产生烟雾，或者人为呼气排出二氧化碳，通过将二氧化碳浓度提高到设定的800（mg/m3）时，蜂鸣器发出报警声音，测试结果与预期一致，达到要求，如图5.9蜂鸣器报警的实现。图5.9蜂鸣器报警的实现4.测试温湿度采集功能，当温度高于30度时，单片机会向风扇发送信号，可以实现在高温环境下自动打开风扇来降温，经过验证，实验成效符合预定目标，满足标准，详见图5.10。图5.10温度调控的实现5.测试光照检测功能，通过光照传感器检测环境的光照强度，根据不同的光照强度，使用定时器控制设备(占空比不同)的亮度或灭的程度，并在OLED屏幕上显示当前光照强度。需要保证传感器能够准确地读取周围环境的光照强度，并与预设的300(Lux)进行比较.如果光照强度小于，USB指示灯点亮，验证结果与预期相契合，完全达标。如图5.11USB灯的实现。图5.11USB灯的实现

结论核心组件采用了STM32F103C8T6微控制器，本系统对温室的温度、湿度、光照、CO2含量及土壤湿度等关键环境变量进行细致监