城市绿植养护控制系统设计

城市绿植养护控制系统设计摘要随着我国城市绿化规模的持续扩张，传统人工养护模式存在人力成本高、水肥管控粗放、特殊点位覆盖不足、管理效率低下等诸多难点。本设计通过城市绿植养护硬件选型，方案设计，电路PCB板设计，软件程序的调试，最终以STM32F103C8T6作为控制核心的主控芯片。该系统集成土壤温湿度、氮磷钾养分含量、环境二氧化碳浓度，空气温湿度等数据采集功能和养护控制功能，实现基于预设阈值的自动灌溉与水肥一体化补给，配备本地声光报警与NB-IoT远程通信功能，支持手机APP远程数据查看、参数修改与手动控制。该系统解决了传统养护模式响应滞后、水肥浪费严重、分散区域管理难度大的问题，可有效提升城市绿植养护的精细化管理与自动化水平，适用于城市公园、道路绿化带、社区绿地等多种场景。关键词城市绿植；养护控制；STM32；数据采集；远程通信；AbstractAsurbangreeninginChinacontinuestoexpand,traditionalmanualmaintenancemodelsfacenumerouschallenges,includinghighlaborcosts,coarsewaterandfertilizermanagement,inadequatecoverageofspecificlocations,andlowoperationalefficiency.Thisdesignaddressestheseissuesthroughhardwareselection,systemplanning,PCBcircuitdesign,andsoftwaredebugging,ultimatelyadoptingtheSTM32F103C8T6microcontrollerasthecorecontrolunit.Thesystemintegratesdataacquisitionmodulesforsoiltemperatureandhumidity,nitrogen,phosphorus,andpotassiumnutrientlevels,ambientcarbondioxideconcentration,andairtemperatureandhumidity.Itenablesautomaticirrigationandintegratedwater-fertilizersupplybasedonpresetthresholds,featureslocalsoundandlightalarms,andsupportsNB-IoTremotecommunication.Userscanremotelymonitordata,adjustparameters,andmanuallycontroloperationsviaamobileapp.Thissystemeffectivelyovercomesthedrawbacksofconventionalmaintenancemethods—suchasdelayedresponse,significantwaterandfertilizerwaste,anddifficultiesmanagingscatteredareas—significantlyimprovingtheprecisionandautomationlevelofurbangreenerymaintenance.Itissuitableforvariousapplicationsincludingcityparks,roadsidegreenbelts,andcommunitygreenspaces.KeywordsUrbangreenplants;Maintenancecontrol;STM32;Datacollection;Remotecommunication目录TOC\o"1-3"\h\z\u32026声明 I11666摘要 I4706Abstract II1851绪论 184691.1研究背景及意义 1309211.1.1研究背景 157591.1.2研究意义 185361.2国内外研究现状 275671.2.1国内研究现状 2144861.2.2国外研究现状 5180881.3研究内容与结构安排 552311.4本章小结 6171092功能与设计方案 7126422.1系统功能要求 7301292.2系统设计方案 8167182.3器件选型 9316252.3.1单片机选型 94032.3.2通信器件选型 10280252.3.3显示屏选型 1169552.3.4土壤温湿度传感器选型 11152572.3.5二氧化碳传感器选型 1293922.4本章小结 12300733系统的硬件设计 13239103.1单片机最小系统 13234093.2电源与降压电路设计 14127413.3土壤温湿度采集电路设计 14101403.4氮磷钾检测电路设计 15238263.5二氧化碳采集电路设计 15131683.6按键操作电路设计 16227933.7OLED显示电路设计 1718733.8报警提示电路设计 1750403.9电机驱动电路设计 1829693.10远程通信电路设计 18257903.11系统总体电路设计 2038073.12PCB电路设计 21182373.13本章小结 22131964系统程序设计 23167294.1软件介绍 2399784.2软件程序的设计 23295524.2.1主程序设计 23221964.2.2按键控制子程序设计 24207074.2.3显示函数子程序设计 25155074.3采集程序设计 26225894.4本章小结 30247695系统的测试 3134875.1硬件电路焊接 31268685.2软硬件调试 32208935.2.1硬件调试 3216255.2.2软件调试 32163655.3实物模型搭建 33245875.4实物功能测试 33236975.4.1数据采集功能测试 33179305.4.2自动控制功能测试 34193105.4.3手动控制功能测试 3564065.4.4报警提示功能测试 35280045.4.5远程通信功能测试 36300845.5本章小结 3722377结论 3825889参考文献 3931537谢辞 4122125附录A 4226812附录B 431绪论1.1研究背景及意义1.1.1研究背景绿植是城市生态系统的核心组成部分，具有净化空气、改善城市微气候、美化环境、降低噪声等功能，是衡量一个城市的宜居性和生态文明程度的重要指标之一。近年来，我国持续推进着新型城镇化建设步伐的同时也注重生态文明建设，也随着各地城市绿化规模如公园、道路绿化带、小区绿地等区域的绿化覆盖面积的不断扩增，对绿化管护的要求也逐渐提高。但是传统的城市绿植管护方式仍是需要人工巡检、凭经验浇水和施肥，这不仅耗费大量的人力物力，还极易出现灌溉过量或不足、施肥比例失调，环境异常处置滞后等问题，不能够适配城市绿化分散化、规模化等管理的需求。在一些较为偏僻的绿化带、高架桥下绿化等特殊点位由于地理位置特殊，人力无法及时到达现场等原因难以进行常规的检查维护操作，遇到恶劣天气情况下绿植成活率会更加大幅下降；同时，传统的养护方式缺乏准确的环境信息，浇水施肥大部分都是凭经验，没有任何的数据支撑，这会造成大量水资源及肥料的浪费，同时也会导致出现土地硬化、土壤肥力下降，绿植缺少营养成分等问题。而随着物联网、嵌入式控制、无线通讯等技术的不断发展，通过使用物联网技术，远程通讯技术等无线通讯技术应用到绿植养护当中，对绿植生长环境进行实时监控、自动控制以及远程控制，能够解决大多数人工无法解决的技术难题，在此基础上设计一种能够适配多种场景绿化需求，成本适中，运行稳定，操作简便的城市绿植养护控制系统尤为重要。1.1.2研究意义本设计以解决城市绿植养护的需求为目标，搭建一套能够检测多种不同环境参数的环境检测系统、自动化的灌溉和施肥控制系统、人机交互系统、异常报警以及远程管理等多功能的自动控制养护系统，具有显著的工程使用价值与行业推广意义。从实际应用层面出发，可对土壤温湿度，空气温湿度，氮磷钾养分含量以及环境当中的二氧化碳浓度等绿植生长必需元素进行实时检测，并根据事先设定的阈值进行自动浇水施肥等工作，替代人工凭经验进行灌溉施肥等操作，避免灌溉和施肥的过量或不足，管理不当等带来的影响，保障绿植能够在良好的生长环境下生长，并提高绿植成活率。同时，使用NB-IoT无线通信技术可以实现远程监控，管理人员不需要到现场进行操作，可以通过手机APP进行远程查看各个点位的绿植生长环境数据信息并及时收到报警提醒，大幅度减少了人力成本高，耗时耗力等问题，并解决了自动化程度低以及多个点位难以一起控制等技术问题，在一些环境指标过高点位时，系统会通过事先设定的阈值进行对比，如果达不到系统所设置的阈值要求会立即发出警报，提醒工作人员采取措施来防止绿植受到伤害。在技术推广层面，本设计采用成熟的STM32嵌入式控制架构，硬件选型兼顾稳定性与低成本，软件采用模块化设计，便于调试、维护与功能扩展，区别于传统农业灌溉改造而来的通用方案，针对城市绿化分散化、多场景适配的需求进行了专项优化，可广泛适配城市公园、道路绿化带、社区绿地、校园绿化等多种场景。同时，本设计的研发思路与实现方法，可为同类园林智能管控系统、小型智慧农业系统的研发提供参考，推动智能控制技术在城市生态管护领域的深度应用。此外，系统实现的精准水肥管控，可有效减少水资源浪费与化肥过量施用带来的土壤污染问题，契合我国绿色低碳发展的理念。1.2国内外研究现状1.2.1国内研究现状国内在城市智能绿植养护、园林自动化灌溉领域的研究，随着我国智慧城市建设与生态文明建设的持续推进实现了快速发展，从基础的自动化灌溉到物联网远程管控、云端智能化决策，相关技术研发与工程落地成果丰富，已形成以嵌入式控制、多传感器融合、物联网通信为核心的成熟技术体系。在智能养护系统整体架构与远程管控技术方面，周磊在2024年完成的基于云平台的城市绿植远程养护控制系统设计中，搭建了面向城市绿化场景的全流程远程管控架构，实现了多分散绿化点位的云端集中监测、数据处理与养护指令下发，为城市级绿植养护的智能化升级提供了完整的设计思路与工程实现方案[1]。聂思怿在2021年基于物联网技术完成了室内立体化绿植养护系统的设计与实现，突破了多设备协同、多维度环境数据同步采集的技术难点，验证了物联网架构在绿植养护场景的可行性与稳定性，为户外城市绿植养护系统的物联网架构设计提供了重要的技术参考[2]。龚健超在2024年针对室内绿植养护的全周期需求，完成了绿植养护机器人的设计与关键技术研发，融合了环境智能感知、自主移动控制与精细化养护算法，大幅拓展了智能绿植养护系统的应用形态与功能边界[3]。刘文耀在2023年基于RTOS实时操作系统与智能控制算法，完成了室内绿植自动管理系统的设计，通过任务优先级分配与实时调度优化，解决了多任务并发场景下系统响应滞后的问题，为户外多传感器、多执行机构的绿植养护系统软件设计提供了关键的实时性优化思路[4]。付博在2021年基于SpringCloud微服务框架完成了绿植养护软件的设计与实现，搭建了高可用、可扩展的云端服务架构，实现了海量绿植养护数据的分布式存储、实时处理与可视化交互，为城市绿植养护系统的远程管控平台开发提供了成熟的软件架构参考[5]。在绿植生长环境参数监测与传感器技术研发方面，钱芝瑾在2025年针对氮、磷、钾减施结合绿肥种植对土壤肥力、作物生长的影响开展了系统性研究，明确了土壤氮磷钾养分含量精准监测对科学水肥管控、土壤长期肥力保护的核心作用，为城市绿植养护系统的养分监测模块与水肥一体管控功能设计提供了核心理论支撑[6]。葛道伟在2025年完成了面向区域通过性的遥感湿度传感器设计与研究，突破了传统点式监测的局限，实现了大范围区域土壤湿度的全域同步监测，为城市大面积连片公园绿地的土壤墒情整体监测提供了全新的技术路径[7]。鲍秋熙在2024年针对电容法土壤湿度传感器的设计方法开展了深度研究，通过结构优化与算法校准，大幅提升了传感器的检测精度、抗干扰能力与户外长期运行稳定性，为城市绿植养护系统的土壤湿度采集模块选型与硬件设计提供了关键的技术依据[8]。蒋雪在2022年完成了光纤光栅湿度传感器的研制，解决了传统电学传感器在高湿、强电磁干扰等特殊场景下监测精度不足、易受腐蚀的问题，拓展了湿度监测技术在城市高架桥下、滨水绿化带等特殊绿化场景的应用范围[9]。在系统核心控制架构与自动化灌溉施肥技术研发方面，黄元旭在2022年完成了基于单片机的自动灌溉系统开发，搭建了单片机控制灌溉系统的完整软硬件架构，明确了系统的核心控制逻辑与外设适配方法，验证了单片机架构在灌溉管控场景的稳定性与实用性，为城市绿植养护系统的核心控制架构设计奠定了基础[10]。高文、刘欣雨、陈佩等学者在2023年设计了基于STM32的智能绿植养护系统，实现了土壤温湿度、光照等多环境参数的同步采集与自适应自动灌溉管控，验证了STM32架构在多传感器融合、物联网管控场景的强适配性与高拓展性[11]。李明仁、芦阳、李东燕等在2021年完成了自动施肥系统的开发与性能测试，实现了水肥一体的精准化、自动化管控，通过多场景测试验证了系统的管控精度与长期运行可靠性，为城市绿植养护系统的水肥补给模块设计提供了完整的工程实现参考[12]。赵瑞明、邓可心、吕文一等学者在2023年完成了基于STM32的自动灌溉系统设计，针对园林养护的实际场景优化了系统的控制逻辑、低功耗设计与软硬件适配性，进一步完善了STM32架构在城市园林灌溉场景的工程化应用方案[13]。廖全林、邓桂骞、王成峰等在2023年完成了自动灌溉系统的设计与工程实现，针对农业与园林灌溉的户外应用场景，优化了系统的部署方案、运维成本与抗干扰能力，为城市绿化场景的灌溉系统规模化落地提供了丰富的实践参考[14]。孟磊、王冉、刘佳在2022年完成了基于单片机的绿植养护系统设计与实现，搭建了低成本、易部署、易维护的小型绿植养护系统方案，为城市零散绿化带、社区小型绿地等碎片化场景的智能化改造提供了高性价比的设计思路[15]。在城市绿植养护行业需求与数字化管护技术研究方面，丁军军在2022年针对城市绿植养护数字化管护平台的资源统计方法开展了专项研究，明确了城市绿化多点位、分散化场景下数字化管护的核心需求与技术实现路径，为城市级多点位绿植养护系统的集中管控功能设计提供了明确的方向指引[16]。傅金红在2022年针对园林绿化植物的种植与养护管理技术开展了系统性分析，全面梳理了当前城市园林绿化养护的行业现状、核心难题与技术需求，明确了智能化、精细化、数字化是未来城市园林绿化养护行业的核心发展方向[17]。眭喆在2021年针对城市园林绿地日常养护的现存问题与优化路径开展了深度研究，指出了传统人工养护模式存在的人力成本高、响应滞后、水肥管控粗放、特殊点位养护覆盖不足等核心短板，进一步印证了城市绿植养护智能化升级的现实必要性与紧迫性[18]。在无线通信技术在绿植养护场景的应用研究方面，杨翼在2022年完成了基于NB-IoT物联网架构的智慧园区信息采集系统设计，通过实际场景测试验证了NB-IoT技术广覆盖、低功耗、强穿透的技术优势，为城市分散绿化点位、偏远绿化带的远程通信模块设计提供了重要的技术参考[19]。肖祖才在2021年针对NB-IoT在物联网应用中的现存问题与应对策略开展了系统性研究，分析了户外场景下NB-IoT通信的常见故障原因，提出了针对性的稳定性优化方案，为本系统的远程通信电路设计与通信软件逻辑优化提供了关键的技术支撑[20]。综合来看，国内相关研究已覆盖智能绿植养护的核心技术环节，形成了丰富的理论成果与工程实践经验，但仍存在明显的优化空间：一是场景适配性不足，多数方案由农业灌溉系统改造而来，或聚焦于室内绿植养护场景，未针对城市户外绿化点位分散、环境复杂、供电与通信条件受限等特点完成专项优化；二是户外长期运行稳定性不足，现有研究多聚焦于功能实现，对传感器户外抗干扰、防腐蚀、防数据漂移的优化不足，难以适配城市户外长期连续运行的需求；三是智能化程度偏低，多数系统仍采用固定阈值的简单控制逻辑，缺乏基于绿植品种、季节变化、气象数据的自适应管控算法；四是集中管控能力不足，多数系统为单点位独立运行，缺乏适配城市级绿化管理的多设备集中管控平台，难以实现规模化、统一化的养护管理。1.2.2国外研究现状国外智能绿植养护与园林自动化管控技术起步较早，在以色列、美国、荷兰、日本等农业与园林产业发达国家已形成成熟的技术体系与产业应用，整体呈现高精度感知、多源数据融合、云端智能化决策、规模化集中管控的技术特点。在核心技术架构上，国外成熟系统普遍采用多传感器融合+气象站联动的全域感知架构，可同步采集土壤墒情、养分含量、环境温湿度、光照、降雨量、风速等多维度数据，结合绿植生长专家库与机器学习算法，自动生成灌溉、施肥、通风等全周期养护策略，真正实现按需供给的精细化养护。在无线通信与远程管控方面，国外系统多采用LoRa、NB-IoT、5G等广覆盖低功耗通信技术，配合专业云平台实现大面积园林、城市绿化带的集中监控与运维管理，部分高端系统已实现故障自诊断、远程运维、全生命周期数据溯源等功能，在城市公园、商业景观、高端社区绿化场景中得到了广泛应用。但国外成熟方案在国内城市绿化场景的应用中存在显著的局限性：一是系统整体成本高昂，高精度传感器、专业控制器与云端服务的采购与运维成本远高于国内城市绿化养护的预算水平，难以实现大范围推广；二是系统维护门槛高，软硬件调试、故障处置均需专业技术人员完成，与国内城市绿化养护的人员配置现状不匹配；三是本土化适配性不足，系统的绿植生长模型、管控逻辑、操作界面均面向国外的绿化品种与管理模式设计，直接引入国内易出现水土不服的问题；四是场景覆盖不足，国外方案多聚焦于大面积连片园林的集约化管理，对国内城市中大量存在的零散绿化带、社区小型绿地、高架桥下绿化等碎片化场景的适配性较弱。1.3研究内容与结构安排本设计以城市绿植养护需求为导向，完成一套集数据采集、自动控制、本地显示、异常报警、远程通信于一体的控制系统设计与实现。主要研究内容包括：确定系统整体方案，完成控制核心、传感器、通信模块等器件选型；设计硬件电路，包括控制电路、采集电路、驱动电路、电源电路等；完成软件程序编写，实现数据采集、逻辑判断、显示输出、控制执行、远程上传等功能；对系统进行硬件调试、软件调试与整体功能测试，验证系统可靠性与实用性。设计结构安排如下：第一章为绪论，介绍研究背景、意义、国内外现状与研究内容；第二章说明系统功能需求与总体设计方案，完成关键器件选型；第三章详细介绍系统硬件电路设计内容；第四章阐述系统软件设计流程与实现方式；第五章开展系统调试与功能测试，分析测试结果；最后为结论、谢辞与参考文献。1.4本章小结本章梳理城市绿植养护人工成本高，水肥管控粗放，特殊点位覆盖不足，管理效率低下等诸多难题，明确智能化、自动化、远程化需求。对比国内外现状，指出国内研究已形成以嵌入式控制、多传感器融合、物联网通信为核心的技术体系，在系统架构、参数监测、控制技术、通信应用等方面积累了丰富的理论与工程经验，但存在场景适配性不足、户外运行稳定性欠缺、智能化程度偏低、集中管控能力不足等优化空间。国外研究起步早，形成了高精度、智能化、规模化的成熟技术体系，但受成本高昂、维护门槛高、本土化适配性差、碎片化场景覆盖不足等因素限制，难以直接应用于国内城市绿化场景。2功能与设计方案2.1系统功能要求结合城市绿植养护的不同场景应用需求与行业难题，本系统以“精准感知、智能管控、远程运维、稳定可靠、便捷服务”为核心设计目标，明确需实现以下五大核心功能，具体要求如下：（1）系统能够对绿植生长至关重要的环境参数进行实时监测，其包括土壤温度、土壤相对湿度、空气温湿度，土壤氮磷钾养分含量以及大气中二氧化碳浓度等五项重要参数进行检测；并且所采集的数据具有可校准性，在国家规定的误差范围之内，能够适应户外长时间不间断的工作，具备抵抗外界干扰的功能，以便为养护提供准确信息。（2）系统应具备自动和手动两种切换模式，主要功能是基于阈值实现自动化水肥管理，在系统中可以对不同的植物设定土壤湿度以及氮磷钾养分上下限阈值，若检测到数值小于下限阈值，则自动开启灌溉泵、水肥一体化泵进行补水施肥；反之则停止这些设备运行，还可以通过手动模式分别控制灌溉和施肥，防止水肥混合导致绿植淹没，在手动状态下也可以强行控制设备开闭用于紧急情况或者设备测试等情况当中。（3）系统应具有本地显示和操作模块，能够显示所有实时监测数据、设备工作情况、控制方式、阈值等信息，可在阳光强烈情况下正常显示；通过单独按键来实现页面翻转、阈值设置、模式转换、人工干预等功能，简单明了易于操作，并且具备报警功能，在环境二氧化碳过高、传感器出现问题或者设备出现故障的情况下会发出声光报警，报警阈值可以自行设定，报警可以手动停止，直到问题解决为止。（4）系统需基于NB-IoT蜂窝网络进行远程数据通讯及运维管理，不需要连接局域网，在城市分布广泛绿化点或者偏远绿化带等需要较大范围覆盖的应用场景中具有明显优势，可以及时上传检测的数据、设备工作情况以及报警到服务器，同时推送到用户的智能手机上，可以在手机客户端查看当前和历史数据、收到故障报警通知、调整设定值、改变工作方式、人工控制水阀开关等操作以达到对多个点位进行远程养护操作目的。（5）系统能够应用于城市公园、道路绿化带、社区绿地、高架桥下绿化等多种环境，支持多个区域各自设置参数，可针对乔木、灌木、花卉、草坪等各种点位的需求进行维护，设备具备室外防护性，电源要求有较宽的电压范围，有过载、过压、反接保护；软件应是分模块形式，有自行诊断的能力，且具备对数据异常剔除以及网络断开后重新连接的功能，保障室外长时间不间断工作，平均无故障工作时间大于等于30天。2.2系统设计方案本系统针对城市绿化点位多而散、环境复杂、养护困难等主要问题，在整体上采取“分层架构、模块化设计、端云协同”的方法论思想，基于嵌入式控制为基础构建包括感知执行层、控制层、交互层以及通信层四个部分的城市绿植养护管理系统，结构组成简单、松耦合性强，易于开发、部署及后续增加新功能。整个系统的操作步骤为：系统上电启动之后，初始化并检测主控芯片、传感器、显示屏、通信模块、执行装置等各个外围设备，检测完毕进入正常工作状态，在工作中，感知层的各种传感器每隔一段时间获取一次土壤温湿度、氮磷钾含量以及环境中的二氧化碳浓度信息，然后通过相应的通信接口发送给控制层的主控芯片，主控芯片对接收到的数据进行滤波、标定和完善之后，一方面在本地交互层的OLED屏幕上显示，另一方面与之前设定好的控制门限进行比较。在自动控制模式中，主控芯片根据比较结果发出信号给执行层，如果土壤湿度小于预定下限，则控制灌溉泵进行工作，实现精确灌溉，如果土壤中氮、磷、钾等养分含量不足，则补充营养液泵进行运转，进行适量补充，如果空气中二氧化碳含量过高或者发现传感器、设备异常，立即启动报警器进行声光报警。出现需要人工进行干预时，通过手动按钮停止所有操作，只响应现场按钮或者是通过手机APP发送的人工控制命令，来控制养护系统的正常运转以及设置参数等相关过程。同时，控制层利用通信层的NB-IoT模块，将实时采集到的数据、设备工作情况以及报警信息每隔一段时间发送到云服务器上并同步到手机APP端中，该模块实时监测来自云端下达的命令，通过命令便立刻传送到主控芯片进行处理从而达到远程监控、设置参数、操作设备、消除警报等功能。系统电源模块给各个部分供电，保障其正常工作的同时也具有过流、过压、过热防护措施，在外界复杂供电环境的条件下也能够正常工作，如下图2.1所示。。图2.1系统结构组成框图2.3器件选型2.3.1单片机选型单片机是整个系统的核心部分，在市场上常见的有传统的8位51架构单片机和32位ARM架构单片机两种，而51架构主要以AT89S52、STC12C5A60S2为典型代表，具有学习难度低、价格便宜、资料丰富等特点，ARM架构则以STM32系列单片机为主流产品，在运算性能上更强，外部接口更多，抗干扰能力也更强，能够大量应用在工业控制以及物联网当中。本次设计为了实现多个传感器的数据获取、多任务的同时运行以及户外长时间正常工作的要求，在以上三种主流单片机中进行了对比选择。AT89S52没有集成模数转换器，8位处理器计算能力较弱，不能支持多个任务的同时执行，而STC12C5A60S2虽然拥有一个10位ADC但是其精度不高并且计算能力也不够强，不能支持复杂的通讯协议解码，STM32F103C8T6集成了三个12位的高精度ADC，有多条串行通信线以及中断线，性价比较高，确定其作为系统的主控芯片，如表2-1所示。表2-1单片机选型对比性能参数AT89S52STC12C5A60S2STM32F103C8T6内核架构8位51内核8位增强型51内核32位Cortex-M3内核最高主频12MHz35MHz72MHz内置Flash/RAM8KB/512B60KB/1280B64KB/20KB内置ADC规格无8路10位3路12位核心串口资源1路UART2路UART3路USART定时器/PWM通道2个定时器/无硬件PWM3个定时器/2路PWM4个定时器/多路PWM中断控制能力2级中断优先级4级中断优先级16级可嵌套中断优先级多任务并发处理能力弱，仅支持简单单任务中，可应对简单多任务强，支持复杂多任务并发户外运行抗干扰能力一般良好优秀批量采购单价（2025年）约3.5元/片约6元/片约8元/片与本系统需求适配度低，算力与外设不足中，精度与算力不足高，完全匹配需求选型结论弃用弃用最终选用2.3.2通信器件选型物联网通信器件主要分为蜂窝网络和无线局域网两大类，如常见的有GPRS模块、WiFi模块以及NB-IoT模块等。其中GPRS模块具有覆盖范围广但是能耗大、成本高等特点；WiFi模块价格便宜，延时小，但是需要连接到局域网中，不能应用于偏远的绿化点位；而NB-IoT模块具有大范围覆盖、低能耗、强穿透性等优点，可以满足城市中分布式的绿化点位需求。从覆盖范围、能耗及成本方面进行比较选择，本设计采用NB-IoT远程通信模块，也能够支持三大运营商网络，能较好的实现远程通信以及控制功能，如表2-2所示。表2-2通信模块选型对比型号通信方式功耗资费覆盖适用场景选型结论SIM800CGPRS高需流量费广偏远无WiFi区域功耗高，弃用ESP8266WiFi低无城区社区、公园、道路绿化带低成本，选用NB-IoT蜂窝窄带极低低资费广域全城市户外分散场景最优，最终选用2.3.3显示屏选型常用的用于嵌入式系统的显示设备有两类，一种是字符型LCD，如LCD1602，价格便宜但是只能显示英文字符以及数字，在阳光下无法看清内容；另一种是点阵式OLED显示屏，具有自发光的特点，视角大、对比度高，在白天或者夜晚都可以很好的区分其显示内容，而且还可以显示汉字及图像，只需要两根线就可以通过I2C进行通信，占用IO较少。从显示效果上来看较为突出，清晰可见无背光并且功耗很低，而且满足I2C等要求，具有无背光，可视角度广，功耗极低等鲜明的特点，最终选择其0.96寸OLED显示屏作为本地的显示模块，如表2-3所示。表2-3显示模块选型对比型号类型背光可视角度户外可读性接口功耗选型结论LCD1602字符屏有窄差并行较高户外看不清，弃用OLED0.96寸点阵屏无广优I2C极低清晰省电，选用2.3.4土壤温湿度传感器选型土壤温湿度传感器主要分为两种类型，一种是数字型，另一种是模拟型，在日常生活中常见的数字型传感器有DHT11和SHT30。其中DHT11使用单总线进行通信，线路连接方便、价格便宜，便于大量安装，能满足一般情况下对城市绿植植物浇水的需求；而SHT30是一种用于工业的高精度传感器，精度较高但是价格比DHT11高出约8到10倍，不适合大规模采购，成本较高，因此本设计主要考虑精度和成本问题，在保障具有一定湿度精度的基础上，供电稳定并且经济实惠基础上，最终选择DHT11数字温湿度传感器作为本次设计过程当中的采集绿植土壤温湿度的传感器模块，如表2-4所示。表2-4土壤温湿度传感器选型对比型号通信方式湿度精度温度精度供电电压成本户外适配性选型结论DHT11单总线±5%RH±2℃3.3V/5V极低中，可软件优化成本适配，选用SHT30I2C±2%RH±0.3℃2.4V~5.5V高优成本过高，弃用2.3.5二氧化碳传感器选型二氧化碳传感器一般使用NDIR非分光红外检测原理，其输出方式有模拟电压和数字串口两种输出形式。RBY-CO2模拟型二氧化碳传感器输出在0～3.3V之间变化的连续电压值，可以方便连接到STM32内部ADC上，硬件简单、易调试，价格较低；而MH-Z19B数字型二氧化碳传感器测量结果更准确、抗干扰能力更强，但是价格较贵，开发难度较大。根据成本和开发难度考虑，本设计选择RBY-CO2模拟型二氧化碳传感器，在硬件上进行滤波处理，在软件上进行标定以提高获取数值的准确性，如表2-5所示。表2-5二氧化碳传感器选型对比型号检测原理输出方式检测精度测量范围成本抗干扰能力选型结论RBY-CO2NDIR红外模拟电压±5%FS0~5000ppm中中，可硬件滤波适配性强，选用MH-Z19BNDIR红外UART/PWM数字±(50ppm+3%FS)0~5000ppm高优成本过高，弃用2.4本章小结本章明确系统功能与总体架构，完成核心器件选型。通过性能、成本、功耗、场景适配对比，确定STM32F103C8T6、NB-IoT、OLED0.96寸为最优方案，兼顾城市户外稳定性、低成本与易部署，为硬件电路设计提供器件依据。3系统的硬件设计3.1单片机最小系统控制核心是整个系统的运行基础，承担数据接收、逻辑判断、指令输出等全部处理工作，本设计选用STM32F103C8T6搭建核心工作电路。该芯片具备充足的输入输出接口，可同时连接多路传感器、按键、显示设备与执行部件，满足系统多设备协同工作需求。控制核心电路包含复位电路、晶振电路与启动设置电路，保证芯片正常启动与稳定运行。复位电路由复位按键与电容组成，在系统出现异常时，可手动复位恢复运行。晶振电路提供稳定时钟信号，保证芯片内部运算与外部通信时序准确。启动设置电路用于确定芯片工作模式，确保程序正常启动运行。芯片通过不同接口与外部设备连接，模拟量接口连接传感器采集模拟信号，数字接口连接按键与显示设备，串口接口连接通信模块与氮磷钾传感器，PWM接口连接电机驱动设备。各接口采用合理布线方式，减少信号干扰，保证数据传输准确。控制核心电路布局紧凑，走线简洁，能够在较小空间内实现全部功能，适合系统整体集成安装，如图3.1所示。图3.1单片机最小系统电路图3.2电源与降压电路设计电源与降压电路给整个系统提供稳定电压，系统使用外接5V供电，另外有备用电源接口，在主电源断开的情况下还可以短时间运行，防止数据丢失或者设备突然停止运转。外部电源接入之后先通过一个滤波电路消除噪声，提高供电质量。因为系统当中各个部分所需电压有所不同，控制器以及一些传感器要求3.3V的电压，所以需要用降压电路把5V的电压降低到3.3V的电压。降压电路使用XC6206稳压管，这个稳压管输出很平稳，纹波很小，有过流过热保护，可以持续为控制器以及对电压敏感的元器件提供可靠供电。电路内加入电容起到滤波及储能作用，减小电压变化，增强抗干扰能力。电源电路有一个电源指示灯，便于观察系统供电情况。整个电源电路简单，转换率高，发热量不大，适用于长时间的户外供电，也能够承受一定的电压范围的变化，保障系统在不同供电的情况下也能够正常运行，如图3.2所示。图3.2电源与降压电路3.3土壤温湿度采集电路设计土壤温湿度采集电路是用于获取绿植在生长环境当中的土壤温湿度的环境数据，本设计采用DHT11数字温湿度传感器进行温湿度的数据采集，该传感器能实现温湿度的同时采集，采用单总线通信方式，接线简单，只需要很少部分的外部元件就可以正常运转。传感器采用一个数据线与主控板上一个通用输入和输出的端口相连，在规定时间间隔内给传感器发出指令然后读取其返回的数据从而得到温湿度的采集数据。在电路中连接了一个上拉电阻用来保障数据线上的电平稳定，防止由于外界干扰造成的数据出错。传感器采用3.3V供电电压，功耗小，适合长时间的连续工作。传感器的探针可以插入土里，能够较好地反应出实际土壤环境采集数据，反应速度快，数据可靠。整个采集电路结构简单，便于安装，易于维护，可以应用于户外土壤环境当中，具有一定的防水、耐腐蚀性等优点。能够稳定获取土壤温湿度采集数据，为系统的自动灌溉提供了可靠的技术保障，如图3.3所示。。图3.3土壤温湿度采集电路3.4氮磷钾检测电路设计土壤中氮、磷、钾含量对绿植生长起着至关重要的作用，氮磷钾检测电路为了获取这方面的数据信息。本设计采用专用的氮磷钾检测探头，利用RS485接口与控制核心连接，具有传输距离较远以及较强的抗干扰能力，适用于户外恶劣条件。该探头可以测量氮、磷、钾三种养分浓度，并以数字形式输出，控制核心用串口指令读取其值，无需复杂的A/D转换过程，简单易用。电路中有通信匹配器件，使通信可靠并降低外部电磁干扰的影响。探头由适当电源供电，消耗的能量较小，便于长时间的实时监测。探头有较好的防水性和可靠性，在土壤当中能够正常工作，不需要人力的频繁检修。控制核心得到氮磷钾传感器的采集数据后与事先设定的阈值进行校准对比来决定是否开启灌溉水泵。氮磷钾检测电路的正常运转可以使得植物获得合理的营养液补充，更不会导致营养液的补充过多或过少，能够将营养液合理补充于所缺失营养液的植物当中，有利于提高养护质量和养护效率，保障植物体内营养液的合理补充，如图3.4所示。图3.4氮磷钾检测电路3.5二氧化碳采集电路设计环境当中的二氧化碳浓度过多或过少都不利于植物的生长发育，二氧化碳采集电路用于监测周围环境当中的二氧化碳浓度。本设计使用的是RBY-CO2传感器，该传感器能够精确测量出环境中的二氧化碳的浓度并将其转化为一个连续的电压值，这个电压值再次通过控制器读入，再经过一个转换的过程就得到了真实的二氧化碳的浓度。二氧化碳传感器供电来自系统的电源部分，稳定可靠且反应迅速可以及时反映出环境当中的二氧化碳的浓度变化情况，在电路中加入了滤波器来消除电源电压值以及外界的干扰信号依次来提高采集的准确性。二氧化碳传感器放置在系统的外部保证其空气流畅从而可以准确地测出环境当中的数据浓度，一旦二氧化碳浓度超标就会立即发出声光报警，便于提醒管理人员。采集电路的设计简洁易操作且有良好的可靠性和耐久性能够在城市的户外环境下正常运行，对植物的生活环境起到保障作用，如图3.5所示。图3.5二氧化碳采集电路3.6按键操作电路设计按键操作电路供用户进行本地操作以及实现页面翻转、参数调节、模式选择以及手动操作等功能，能够使管理者进行现场管控。设有多个独立按键，一个按键代表一种操作功能，通过通用I/O口与控制器相连。按键电路采用上拉方式，未被按下处于高电平状态，被按下则变为低电平状态，主要由控制器监测其电平变化从而得知按键响应状态。电路中配备消抖动措施，防止由于机械按键抖动而造成误操作，从而提高操作精确性。按键布置合理，标识明确，便于管理人员能够快速上手。用户可以通过按键切换显示屏幕内容，观察不同信息；也可以通过设定土壤湿度、二氧化碳浓度，氮磷钾的阈值等相关参数；也可以在自动与手动两种模式之间相互转换；而在手动状态下可以对灌溉水泵和施肥水泵进行开关操作。按键操作电路简单可靠，反应灵敏，不需要外接设备就可以完成整个系统的配置工作，提高了系统的易用性，如图3.6所示。图3.6按键操作电路3.7OLED显示电路设计OLED显示电路用于显示系统工作状态以及所获取的数据信息，便于用户现场观察。本设计采用128×64OLED屏，通过串口与主控制器相连，连接简单，占用较少端口，传输速度快，显示清晰。该屏不需要背对光源，自身具有发光显示，对比度高，可视范围广，在阳光下也能够正常查看显示内容。连接方便，只需要供电、地线、时钟和数据线即可实现通讯，安装简便。可以分区显示多种信息，如土壤温湿度、氮磷钾含量、二氧化碳浓度、设备运行状态、控制方式等。通过按键可以改变显示内容，既可以显示当前数据也可以显示设置阈值界面。显示的内容布局合理，信息全面，功耗小时间长，稳定性好，在现场用户进行调试、数据查阅及阈值设定上起到良好的作用，如图3.7所示。图3.7OLED显示电路3.8报警提示电路设计报警提示电路在环境参数异常情况下报警便于提醒管理人员及时发现问题并能够解决问题。本设计采用蜂鸣器以及LED灯进行声光报警提示，双重报警机制便于提高可靠性。蜂鸣器选用5V有源蜂鸣器，接通电源后会发出声音，音量适中，可以在户外引起管理人员注意，LED亮度较高，内容显示清晰，在明显位置，报警时亮起并且一直不断闪烁直到管理人员解除，表示有报警信息。报警模块由主控芯片控制，当二氧化碳浓度超过事先预设值时，主控芯片输出低电平，使蜂鸣器和LED灯运转，用户可以通过手动模式按住按键会停止报警，但是LED灯仍然处于闪烁状态直至数据恢复到正常范围内。报警电路组成简单，反应迅速，耗电量小，在系统出现问题时能够立即提示管理人员，防止植物生长环境长期处于不良状态而影响其健康成长，保障绿植的正常养护，如图3.8所示。图3.8报警提示电路3.9电机驱动电路设计电机驱动电路用于控制灌溉水泵和营养液水泵的开闭状态，是整个系统执行命令的重要组成部分。本设计采用MX1508驱动器，其具备体积小，接线简便等特点，适用于驱动小型直流电机，可满足植物灌溉以及补充营养液的施加要求。驱动器接受来自控制器PWM信号以及控制电平，根据命令使电机正转或者停止从而达到水泵启动或者关闭状态，在电路中加入保护器件以避免电机启停过程当中产生的反电动势对控制器及驱动器造成损害，提高了系统稳定性。驱动电路效率较高发热量较小，适合长时间的连续工作。控制器根据获取信息以及设定模式给驱动器发出相应信号使其自动或人工操作水泵进行运转，电机驱动电路反应迅速，控制精确可以很快完成灌溉以及施肥任务以保证植物生长需求，如图3.9所示。图3.9电机驱动电路3.10远程通信电路设计远程通信电路是整个系统完成云端数据传输和远程养护的重要组成部分，需要满足城市中分布广泛的绿地之间大面积、低功耗、高可靠通信的要求，在本次设计中采用了BC26NB-IoT通信模块作为远程通信电路，该模块支持中国三大运营商的NB-IoT频段，具有大范围、低功耗、良好穿墙性能、高稳定性等优点，非常适用于城市高架桥下的绿地或者偏远地区等信号较差的点位进行通信。电路主要包括五个部分：电源供电单元、串口通信单元、SIM卡接口单元、天线匹配单元、状态指示单元等，其具体设计为：(1)BC26模块射频发射时最大电流为200mA，需要设计稳定低纹波供电电源，防止供电不稳定造成模块重启或者通信异常，模块VBAT供电引脚由系统5V电源经过RT9193-3.3V低压差线性稳压器LDO进行供电，LDO最大可提供500mA电流，能够满足模块需求；其供电输入端并联一个100μF的钽电容以及一个100nF的陶瓷电容，在其供电输出端并联一个47μF钽电容及两个100nF的陶瓷电容，起到抑制电源纹波以及储存能量的作用，保障模块处于工作状态时供电电压稳定；此外还在供电路径上串接一根0Ω磁珠以阻断数字电路对于射频部分的影响。（2）模块利用USART1串口连接到主控制器上，串口电平为3.3VTTL电平，可以与主控制器IO口电平直接对接，不需要进行电平转换。模块TXD信号端连接到主控制器PA10（USART1_RX）的引脚上，RXD信号端连接到主控制器PA9（USART1_TX）引脚上，进行全双工串行通信；串口通信速率为9600bps，8位数据位，1位停止位，无奇偶校验位，满足AT指令集以及MQTT通讯协议的数据通讯要求，在串口线上串联一个220Ω电阻以限制电流大小，在其两端并联100nF电容起到防静电作用，提高串口通信鲁棒性和防静电能力；模块WAKEUP信号端连接到主控制器PB0引脚，用于使能或者禁止模块工作状态，降低整个系统的功耗。（3）SIM卡电路采用贴片式Nano-SIM卡座，支持物联网专用NB-IoT卡，卡座SIM_DATA、SIM_CLK、SIM_RST、SIM_VCC引脚对应该模块上相应SIM卡接口引脚，SIM_VCC引脚并联一个100nF去耦电容，每根信号线上串联一个33Ω限流电阻以及一个100nF静电放电保护电容，在卡座引脚处增加一个TVS瞬态抑制二极管以防止静电及浪涌对SIM卡造成损害，从而避免因室外插入或雷击而对SIM卡及模块造成破坏。卡座有防止反向插入的特点，SIM卡检测引脚连接到MCU的一个GPIO上，可以随时监测SIM卡是否存在，有利于故障排查。（4）模块射频输出引脚通过50Ω特性阻抗微带线连接到IPEX一代射频座上，外接NB-IoT专用胶棒天线以增强接收效果；射频走线为50Ω阻抗匹配设计，走线长度小于15mm，在顶层呈一直线，无直角弯折以及过孔，防止射频信号衰减及反射；在射频输出引脚与天线座间增加π型匹配电路，留有0Ω电阻及10pF电容焊盘，可根据实际情况进行阻抗匹配调节，保证射频通信的良好性。（5）电路设计NET_STATUS网络状态指示灯，由模块STATUS引脚控制，串联1kΩ限流电阻连接到3.3V电源上，模块入网成功后每隔一秒点亮一次，未入网则一直熄灭，便于观察模块是否正常工作；模块RESET复位引脚连接到主控板上的PB1引脚上，在主控板上拉低该引脚可以对模块进行硬件复位操作，当模块出现通信问题或者卡死等情况时可以在远程对其进行强制性硬件复位，不需要前往现场进行处理，增加了系统的自我恢复的能力。此外，在电路设计中还留有模块测试点以及AT指令调试串口用于现场调试以及出现问题时使用，能够使得现场管理人员迅速解决问题，如图3.10所示。图3.10远程通信电路3.11系统总体电路设计本系统完整电路原理图是在AltiumDesigner软件上完成，包括最小系统、电源管理、数据采集、人机交互、执行驱动以及远程通信六个部分，所有的连线都遵循电气设计要求，在整个电路中，以STM32F103C8T6为主控芯片，在左边有电源接入以及降压电路，提供5V和3.3V稳定的电源供应，在中间是主控最小系统以及外设接口，连接DHT11温湿度传感器、氮磷钾检测探头、RBY-CO2传感器、OLED显示屏以及独立按键，在右边是电机驱动电路以及NB-IoT通信电路，用于控制水泵工作并且进行远程的数据发送。在电路的设计中加入了过流保护、过压保护以及防静电等器件，模拟地和数字地采用一点接地的方式分开，有利于提高整个系统的抗干扰能力和可靠性，保障系统能够正常运行，电路如图3.11所示，详细的电路图请参考附录A。图3.11总电路图3.12PCB电路设计本系统的PCB电路是利用AltiumDesigner进行设计，采用两层板结构，大小为100mm×80mm，可以直接放入户外防水安装壳体内，在设计过程中主要考虑“功能实现、抗干扰、易生产、高可靠”，共四个部分完成，其设计流程如图所示。（1）设计之前进行原理图电气规则检查（ERC），检查电路是否存在短路、引脚悬空、网络标注错误等情况，使原理图电气连接正确；同时检查所有元件型号，创建与实物一致元件封装文件，防止焊接时出现元件无法正常安装情况发生。根据本项目需要在户外使用的特点，确定PCB设计主要限制条件，如最小线宽线距、过孔尺寸、电源走线宽度以及模拟与数字部分分离等要求，供后面的设计参考。（2）将PCB划分为五个部分：主控最小系统区、模拟采样区、电源管理区、执行驱动区、通信交互区，根据信号流向进行规划。主控最小系统位于板卡中央，晶振、滤波电容等外围元器件靠近主控相应引脚，减少连线距离；模拟采样区与数字驱动区相隔一定距离，防止电机启动停止或高速通讯造成的影响，降低对采样的准确性；电源接口、传感器接口、人机交互设备均放置在板卡四周，方便连接外部设备及在现场的使用，还有螺丝孔以及可扩展接口，用于固定以及后期增加新功能。（3）电源主回路采用加宽走线设计，降低大电流路径的压降与发热；模拟信号走线采用短距直连设计，不跨越数字电路区域，避免数字噪声串入模拟采集回路；串口、射频等通信信号线做等长与包地屏蔽处理，保障信号传输完整性；顶层与底层均采用大面积铺铜接地，模拟地与数字地通过0Ω电阻单点连接，大幅提升板卡的抗干扰能力；同时在电源输入、外部传感器接口处增加防护器件，提升系统户外运行的防雷、防静电与浪涌防护能力。（4）输出布线完成后，执行设计规则检查DRC，逐一排查短路、断路、线宽违规、间距不符等设计缺陷，同步完成可制造性校验，确保设计符合PCB生产与贴片加工要求。所有校验无误后，输出Gerber生产文件、BOM元器件清单、贴片坐标文件、钢网文件等全套生产资料，完成PCB全流程设计，如图3.12所示。图3.12PCB图3.13本章小结本章完成系统硬件全电路设计，含最小系统、采集、驱动、通信、PCB布局。电路兼顾稳定性、抗干扰与户外适配，实现多传感器协同、远程控制可靠执行，为系统稳定运行提供硬件支撑，适配城市户外多绿化场景的使用要求，完整实现了系统硬件电路的设计目标，为后续系统调试、软件开发与实物落地奠定了坚实的硬件基础。4系统程序设计4.1软件介绍本系统软件采用KeiluVision5开发环境完成程序编写、编译与调试工作。Keil5是一款专业的嵌入式开发工具，支持多种架构的微控制器，操作界面简洁，功能完善，编译效率高，生成的程序代码紧凑，运行速度快，适合STM32系列芯片开发。环境支持C语言编程，语法规范，代码可读性强，便于后期维护与修改。开发环境提供丰富的调试功能，支持在线仿真、断点设置、变量查看等，方便快速定位与解决程序问题。同时，环境支持库函数调用，简化外设驱动编写流程，提升开发效率。在开发过程中，通过合理配置工程参数，优化代码结构，保证程序运行稳定，资源占用合理。Keil5开发环境成熟，广泛应用于嵌入式产品开发，能够满足本系统从功能实现到稳定运行的全部开发需求，如图4.1所示。图4.1Keil_5软件界面4.2软件程序的设计4.2.1主程序设计系统上电之后，程序首先进行硬件外设时钟使能和端口初始化操作，接着通过不同的传感器驱动点亮并显示自检画面，在无限循环主程序中，程序每秒由系统滴答定时器唤醒一次进行一轮的读取操作，通过调用各底层驱动获取当前环境中的空气温湿度、土壤湿度等信息并存入相应内存变量内，接着程序判断当前土壤湿度是否小于之前保存在非易失性存储空间中设定干旱临界点，如果土壤过干并且湿度不小，则程序将指定控制引脚置位发送至开机泵进行信号传递，否则关掉水泵，最后程序调用屏幕刷新函数将最新获取的数据显示到屏幕上并重置看门狗计时器，如图4.2所示。图4.2系统主程序流程图4.2.2按键控制子程序设计按键处理程序实现用户的本地操作功能，能够及时接收按键输入并且做出相应的反应，在程序中不断监测按键的电平，判断是否有一个按键被按下了并且进行消抖动的操作以防止由于机械原因而导致的误触发，如果检测到有效的按键动作，程序就根据这个按键的编号做出相应的操作。切换界面按键用来不停地切换显示的内容，便于观察不同的信息以及设置界面。参数加减键用来调节各种参数大小，便于设置各项参数的阈值，程序对于这些参数也有一定的限定，避免参数的不合理性，模式切换键用来选择该模式是否处于自动或者手动的状态，而手动控制键是在手动状态下直接控制水泵的开或关状态。按键处理程序反应灵敏、操作简便、管理人员能够迅速上手使用，按键函数子流程图见图4.3所示。图4.3按键程序流程图4.2.3显示函数子程序设计显示程序负责将系统数据以及状态输出到OLED屏幕上进行显示，实现信息可视化。程序根据当前界面标志位，分区域显示不同的内容，在主界面上显示土壤温湿度、氮磷钾含量、二氧化碳浓度、阈值设置状态以及控制模式，在参数设置界面上显示土壤湿度、二氧化碳浓度、氮磷钾阈值等设置的内容供用户查看及设定不同的参数。显示程序定时刷新数据，使显示内容整洁、有序并且实时更新，程序对显示内容进行合理的安排，重要的数据予以突出显示便于管理人员快速获取数据内容。显示刷新频率适当，既能保证数据及时更新又不至于过于频繁而导致屏幕闪烁，显示程序运行良好，所消耗的资源较小，可以长时间稳定运行，能够为现场管理人员的操作带来更便捷的服务。显示函数子流程如图4.4所示，图4.4显示函数子程序流程图4.3采集程序设计(1)温湿度采集子程序设计温湿度采集子程序是根据DHT11数字温湿度传感器单总线通信方式编写其过程为，子程序运行时首先对STM32的一个普通IO口设置为推挽输出模式，然后给DHT11发送一个开始信号即先使该IO口的数据线保持低电平状态18ms再拉高20～40μs，之后把该IO口设置为上拉输入模式以接收DHT11的反馈信息，在此期间如果能在IO口读到一个持续时间为80μs的低电平之后紧接着又是一个持续时间也是80μs的高电平则说明传感器已经具备可以读取数据的能力，否则超时未收到反馈则认为此次采集失败回到主程序重新进行一次尝试。数据读取部分一次读取40位二进制位数据，即湿度整数部分、湿度小数部分、温度整数部分、温度小数部分以及8位校验码，每读入一个比特位需要检查引脚电平保持时间长度，高电平维持40μs表示数据“0”，维持70μs表示数据“1”，读取完毕后比较前四个字节求和结果是否等于校验码，如果相等，则将该数据转化为真实温湿度值，温度在0～50℃之间，湿度在20%～90%RH之间，更新全局变量temp和humi；反之认为读取错误，除去此次读取的数据并在日志中记录错误信息。此过程需要精确控制微秒级别延迟以保证单总线通信时序正确，借鉴鲍秋熙关于传感器抗干扰方法[8]，在读取过程中加入软件滤波防止外界电磁干扰造成误判，如图4.5所示。图4.5温湿度采集子程序流程图(2)氮磷钾检测子程序设计氮磷钾检测子程序是根据RS485Modbus-RTU通信协议编写，用于获取专用氮磷钾检测探头养分信息，过程为子程序开始时，先将STM32的USART2设置成9600波特率、8位数据位、无校验位、一位停止位，然后将RS485收发控制端定义为输出模式并且默认在接收状态。之后生成一个Modbus读取命令包，包括探头地址（默认为0x01）、功能码0x03（读取保持寄存器）、起始寄存器地址（0x0000）、寄存器计数（0x0003）以及CRC16校验值作为尾部添加到该程序中。将收发控制引脚切到发送状态，然后通过串口发送一条完整的命令帧，发送结束后回到接收状态，开启一个超时计时器，时间设定为200毫秒。通过在这段时间内读取到的探头反馈的信息帧，首先检查帧头地址是否正确，功能码是否一致，以及CRC16校验码是否相符合，如果都符合就解析出信息帧里边的三个寄存器内容，再将其转换成氮、磷、钾的真实含量，单位为mg/kg，更新到全局变量中N、P、K，但如果有一项不符合或者超时后没接受到信息帧，则认为此次检测失败，在回到主程序时会进行再次尝试，最多可以进行三次循环尝试。该过程借鉴李明仁[12]所提出的一种自动施肥机通信稳定性的改进措施，利用超时重传以及CRC双重校验来保证数据准确有效，从而有利于以后进行浇水施肥等工作时做出合理营养液供给判断，如图4.6所示。图4.6氮磷钾检测子程序流程图(3)二氧化碳检测子程序设计二氧化碳检测子程序采用RBY-CO2模拟传感器以及STM32内部集成12位ADC实现，流程为子程序开始时首先对STM32的ADC1进行初始化操作，打开其时钟，使能PA4为模拟输入，设置ADC分辨率为12位以及采样时间为55.5个时钟周期，之后对ADC进行校准接着进入等待读取状态。子程序执行后，开始ADC1软件转换，在等待转换完成标志位EOC被置位之前，如果超过一定时间，如设定为10ms仍未完成，则认为读数数据失败并退出运行，当转换完成后从ADC数据寄存器中读取数据范围在0～4095之间，再将此数值转换为对应的模拟电压值3.3V/4095，然后利用RBY-CO2传感器标定曲线，线性关系为二氧化碳浓度等于电压值1000ppm/V，通过计算出真实的二氧化碳浓度值，范围在0～5000ppm之间。为了降低外界电源不稳定以及电磁干扰造成的影响，在连续获取10个浓度之后需求取其均值作为最终的结果保存到全局变量value中。该方法借鉴了葛道伟提出提高传感器读数准确性的建议[7]，在使用ADC进行校正的同时也进行了软件滤波以保证数据可靠性来进行后续的异常报警工作，如图4.7所示。图4.7二氧化碳检测子程序流程图4.4本章小结本章基于KeiluVision5完成软件模块化设计，实现主流程、采集、显示、按键、控制、远程通信等功能。程序逻辑清晰、响应及时，支持自动/手动双模式，数据上传稳定，满足实时监测与智能控制要求，与硬件协同完成系统功能，系统功能图详细完整。5系统的测试5.1硬件电路焊接硬件焊接是系统实现的关键基础环节，严格按照原理图与PCB设计要求，采用防静电焊接工艺完成全部元器件焊接，保证电路无虚焊、短路、漏焊等满足长期稳定运行要求。焊接过程当中必须严格要求使用松香，高质量的焊丝，可以调节温度的焊枪，焊枪温度的过高或过低都会导致焊丝无法连接到PCB板当中，其中电烙铁建议选用30-60W恒温电烙铁，适配小型元器件的焊接，避免功率过大损坏芯片、烙铁架可用于放置电烙铁，防止烫伤或损坏物品、焊锡丝选用0.8-1.0mm无铅焊锡，焊接牢固且环保，适配精密元器件。剥线钳用于剥离导线绝缘层，避免损伤铜芯、尖嘴钳可以夹持小型元器件、整理引脚、镊子精准放置贴片元器件，清理焊渣、吸锡器可用于拆除错焊、虚焊的元器件，清理多余焊锡。助焊剂可以减少焊锡氧化，增强焊接流动性，避免虚焊、酒精、棉签在焊接后清理焊渣、残留助焊剂，保持电路板整洁、电路板使用定制的PCB板、各类元器件如STM32芯片、传感器，电阻，电容，二极管，接口插件等，在使用小型元器件的安装过程当中应多注意不让元器件受损，避免在焊接完成后无法进行二次焊接，保障焊接过程能够顺利进行，如图5.1所示。图5.1实物焊接现场图焊接之前清点检查每一个器件，如STM32F103C8T6主控芯片、DHT11温湿度传感器、氮磷钾传感器、二氧化碳传感器、0.96寸OLED屏、按键、蜂鸣器、电机驱动芯片、NB-IoT通信模块、XC6206稳压芯片等。准备好电烙铁、焊锡丝、吸锡器、万用表、防静电手环等工具，保证焊接过程规范安全。（1）先焊接贴片低矮元件：电阻、电容、稳压芯片、电机驱动芯片、滤波器件等。（2）再次焊接直插元器件：传感器接口、按键、蜂鸣器、OLED插座、通信模块插座、电源接口等。（3）最后焊接外部端子，完成整体电路板焊接；（4）焊接完成后用万用表逐点检测电源正负极、接地、关键信号引脚，排除短路以及虚焊等常规出现的问题。5.2软硬件调试5.2.1硬件调试硬件调试是保障整个系统的正常运转的基础性工作环节，主要是对电路连接情况、供电情况以及各个器件的工作情况进行检测。先是从电源开始调试，接入外部电源，查看降压电路输出电压是否稳定在3.3V、5V处，电源指示灯是否亮起。同时对控制核心电路进行测试，检查复位、晶振电路工作是否正常，芯片能否正常运行。然后逐个连接外围设备，检查传感器、按键、显示屏、驱动模块、通信模块等的连线是否正确，有无短路或者虚焊等现象。上电之后观察各个设备的状态，显示屏是否点亮，传感器是否能有数据输出，按键是否能被识别。利用万用表及逻辑分析仪观测信号传输的情况，保证信息交互正常，无较大噪声。在硬件调试中，一步步排查出问题所在，解决这些问题，使每一个硬件都能够正常工作。5.2.2软件调试软件调试是在硬件调试之后进行，主要是对程序运行、数据处理以及控制逻辑进行检查，在开发环境中把程序烧写到控制器上运行，看程序能否正常运行，不能出现死机或者卡顿的情况，调试数据采集程序，利用在线调试观察传感器采集的数据是否准确，与真实情况相比较，保证采集精度符合要求，调试显示程序，查看屏幕上的信息是否正确并且清晰，页面之间的转换是否平滑，调试按键处理程序，测试各个按键的功能是否正常，按键的动作是否及时，调试控制逻辑程序，设定不同的环境参数，测试自动控制、手动控制以及报警等功能是否能够按要求完成，调试远程通信程序，保证数据上传正常，远程发送的信息可以被正确接收并处理，在软件调试的过程中不断改进和完善代码，解决其中存在的问题使整个系统的稳定性得到提高。5.3实物模型搭建为还原城市绿植养护的真实工况，验证系统在实际应用场景中的运行效果，搭建缩小的实物模型，完整复现系统的监测、控制、@通信全流程功能，整体搭建过程简要叙述如下：（1）模型以城市道路绿化带、社区绿地为原型，划分为主控防护舱、土壤种植区、水肥供给区三个核心功能区域。首先将焊接完成的PCB主控板、OLED显示模块、按键操作模块、声光报警模块、NB-IoT通信模块集成固定于防水主控舱内，完成各模块的线路连接与绝缘防护，预留传感器与执行机构的外接接口，保证核心控制单元的防尘防水性能与安装稳定性。（2）在土壤种植区填充绿植种植土，将土壤温湿度传感器、氮磷钾检测探头按规范埋入种植层，确保探头与土壤充分贴合，避免接触不良导致的采集误差，二氧化碳传感器固定于主控舱外侧通风位置，保证与环境空气充分流通，还原户外真实监测环境，所有传感器外接线路均做防水密封处理。（3）水肥供给区设有清水储水箱以及营养液储存箱，对应灌溉水泵和营养液补给水泵，水泵经由MX1508驱动模块连接到主控板上，在输水管路通向土壤种植区并且安装有滴灌头的情况下，可以实现类似于城市绿化中常见的滴灌养护方式，同时也可以控制水泵开关来实现浇水和施肥工作。（4）最后完成供电系统搭建，在控制系统以及传感器部分使用5V直流电源供电，在水泵部分使用12V直流电源供电，整理并固定好所有线缆，检查是否有断路或接触不良等状况，将NB-IoT模块连接到外部天线及SIM卡上以保证良好室外无线网络环境，以便于之后进行软件硬件调试和功能测试提供一个可以反复使用的实物平台，如图5.2所示。图5.2实物模型图5.4实物功能测试5.4.1数据采集功能测试数据采集功能测试主要是检查系统的土壤温湿度、氮磷钾含量以及环境中的二氧化碳浓度等参数是否可以正常、持续地被获取并且保持数据完整性。开机后让其工作24小时，在每个小时内记录一次系统所得到的数据，查看有无异常波动、丢失或者长时间未变化等状况发生。从测试结果来看，所有传感器获取的数据都是连贯有效的，没有任何一秒钟的数据是缺失的，能够真实反应出植物所处环境的变化趋势，这些数据也可以用作后续工作的参考依据，如表5-1和图5.1所示。表5-1数据采集精度测试数据表测试参数测试序号系统采集值土壤温度(℃)114.7219.7324.8429.6534.5土壤相对湿度(%RH)128.6238.3358.1477.5586.8土壤氮含量(mg/kg)119.1247.8396.34144.85192.5土壤磷含量(mg/kg)119.2248.1396.74145.65193.2土壤钾含量(mg/kg)119.0247.6396.14145.25192.8环境CO₂浓度(ppm)14822968319424291554820图5.1数据采集5.4.2自动控制功能测试自动控制功能测试主要是对事先预设定的灌溉、施肥逻辑的参数测试，在开始之前设置土壤湿度下限值为40%，氮磷钾养分下限值分别为20mg/kg，在土壤里浇水以及施加水肥的方式来改变土壤环境条件，当土壤湿度下降到38%，则控制系统会启动灌溉水泵工作，直到土壤湿度上升到45%，控制系统停止灌溉水泵工作，当土壤中的氮元素浓度降低到18mg/kg时，则控制系统会启动营养液补充水泵进行工作，直到土壤中的氮元素浓度增加到25mg/kg时控制系统会停止营养液补充水泵工作。一共进行了10次重复实验，系统都能正常做出反应并且执行相应的操作，响应速度都小于2s，满足设计需求，如图5.2所示。图5.2自动模式5.4.3手动控制功能测试手动控制功能测试包括本地按键控制以及远程APP控制两种情况，在本地测试时，点击按键进入手动模式后，接着点击灌溉或施肥控制按键，水泵能够立即开启或者停止工作，反应速度小于1秒，而在远程测试中，利用手机APP发出对水泵的操作命令之后，系统会在3秒之内做出相应动作并且该操作除特殊情况之外，例如NB-lot通讯模块信号连接中断或人为的损坏之外都能够正常运转，手动控制功能正常可靠地发挥作用，可以用于紧急情况下的绿化维护工作以及设备调试等工作当中，如图5.3所示。图5.3手动模式5.4.4报警提示功能测试报警提示功能测试验证系统对环境异常或设备出现故障情况下报警情况，在设定二氧化碳浓度报警上限为2500ppm条件下，当环境中的二氧化碳浓度达到2600ppm后，系统立刻发出报警声音以及报警灯不断闪亮，用物理按键可以停止报警声音，报警灯一直闪烁直到浓度下降到2400ppm以下才会熄灭。另外还进行了传感器断开连接和无线网络中断实验，在这两种情况下，系统都能够及时发出报警并且把报警消息发送到手机APP上。测试过程中采用高精度秒表对报警响应时间进行了多次重复测量，每次测量记录从异常条件触发到系统发出声光报警信号的时间间隔，取10次测量的平均值作为最终响应时间。共进行10次报警测试，报警触发准确性为100%，如表5-2和图5.4所示。表5-2报警提示功能测试数据表报警类型触发条件测试次数触发准确率平均响应时间声光报警有效性报警解除准确率CO₂浓度超标报警2500ppm（超阈值）10100%0.72s有效100%3500ppm（超阈值）10100%0.65s有效100%1800ppm（低于阈值）100%（无触发）传感器采集异常报警土壤温湿度传感器断线10100%1.15s有效100%氮磷钾传感器无数据10100%1.23s有效100%通信中断异常报警NB-IoT模块断网超过30s10100%32.47s有效（APP推送）100%图5.4报警功能5.4.5远程通信功能测试远程通信功能测试验证数据上传以及远程指令交互可靠性，针对城市绿化中常见的乔木、灌木、花卉、草坪四种不同类型的绿植区域，分别部署了四套相同的系统进行为期72小时的连续测试。测试期间每间隔5分钟上传一条数据，同时测试远程参数修改和远程控制指令的响应情况。测试结果表明，四个区域的系统均能稳定运行，数据上传无延迟、无丢失情况发生。通过手机APP将不同区域的土壤湿度阈值分别设定为适合对应绿植生长的数值，设备均能在规定时间内接收并执行设置指令。远程发送报警静音信号，设备也能及时响应。由此可见，采用NB-IoT通信方式可以保证通信正常，信号良好，能够适应城市中分布广泛的绿化点位远程控制要求，如表5-3和图5.5所示。表5-3不同绿植区域远程通信功能测试数据表绿植类型测试时长数据上传总条数数据丢失条数数据上传成功率远程参数修改响应时间远程控制响应时间乔木72h8640100%1.8s2.3s灌木72h8640100%1.6s2.1s花卉72h864199.88%2.1s2.7s草坪72h8640100%1.5s1.9s注：花卉区域出现1条数据丢失是由于测试期间该点位附近进行了临时施工，遮挡了NB-IoT信号，施工结束后系统自动恢复连接并继续正常上传数据。图5.5远程控制5.5本章小结本章经硬件调试、软件调试与功能测试，验证系统采集准确、控制及时、远程稳定、报警可靠。各项指标达标，适用于城市多场景绿化养护，证明方案可行，为后续优化与推广提供测试依据，可完整实现城市绿植养护的环境监测、智能控制、异常报警、远程管理全流程需求，为系统后续的现场部署、推广应用与功能迭代奠定了坚实的基础，目前存在传感器精度与稳定性的问题，部分传感器在长期户外使用当中会出现测试结果不准确等问题，在功耗优化方面还需要一定空间的改进