无人绿植检测与控制系统设计

无人绿植检测与控制系统设计摘要针对智能家居市场快速普及与家庭绿植养护的刚性需求，聚焦家居种植广泛的同源绿植，本设计研发了一套基于STM32单片机的无人值守绿植智能检测与控制系统。本文首先梳理了智能绿植养护行业的发展背景、国内外研究现状与现有方案的核心短板，明确了针对绿植生长特性的设计目标与技术路线；系统整体分为硬件设计与软件设计两大核心部分，最终完成全模块联调、多场景性能测试与设计总结。硬件系统以STM32F103C8T6单片机为核心主控单元，搭建了电源模块、环境参数检测模块、按键输入模块、OLED显示模块、WIFI通信与报警传输模块、执行机构驱动模块六大功能单元，可同步实现绿植生长环境多参数实时采集、本地人机交互、远程双向通信、养护设备精准驱动四大核心功能；软件系统基于模块化编程思想，采用C语言在MDK5开发环境完成编写，实现了主程序运行逻辑、WIFI通信与数据透传、按键处理、多通道数据采集与滤波、自动养护控制、异常报警推送全流程软件逻辑。系统通过ESP8266模块连接到腾讯云物联网平台，可实现在手机APP上远程对植株进行远程监控和手动操作，完成手动/自动两种功能的切换。用户可以根据绿植不同生长周期、季节养护需求，设定温度、土壤湿度、光照强度的高低阈值，自动完成补水、加热、降温、补光全部工序的无人化管理；当绿植生长环境出现如温度过高、低温冻害、土壤干旱、光照异常等异常情况时，可通过WIFI模块立即将报警信息推送至用户手机APP中，实现异常情况的快速响应及处置。本系统在家庭室内、小型大棚两类绿植应用场景中，完成了多场景与全季节条件下的实际测试验证，整体运行状态较为稳定，在环境参数检测与控制逻辑层面能够保持较高精度，同时自身功耗偏低，适配实际使用环境的能力较强。依托可靠性相关核算工作可以看出，系统平均无故障工作时间（MTBF）能够达到5000小时，单片机、各类传感器这类核心功能部件整体故障率偏低，借助断网缓存、基础数据备份的容错设计方式，可在一定程度上规避硬件失效、网络波动带来的运行隐患，对比市面上同类型绿植养护设备，整体可靠性能具备一定优势。从成本角度进行考量，系统全部元器件的BOM总成本可控制在150元以内，前期开发投入和后续维护所需成本均处于较低水平，和市面上现有同类绿植智能养护产品相比，整体成本可降低40%。借助该系统的落地使用，绿植养护工作里人工参与依赖度高、环境管控难以量化、无人值守模式下植株异常状况难以及时察觉的现实问题得到了有效改善，对绿植实际成活率以及生长品质均起到明显提升作用，也能够为家庭与小型大棚景下的绿植智能养护工作，提供一套偏向低成本、高可靠性的实现方案，因此该系统在实际应用层面与市场推广方面，均存在一定的发展空间。关键词：绿植养护；单片机；WIFI通信；智能检测；自动控制ABSTRACTAgainsttherapidpopularizationofthesmarthomemarketandtherigiddemandforhouseholdgreenplantmaintenance,thisdesigndevelopsanunattendedintelligentdetectionandcontrolsystemforcommonhome-growngreenplantsbasedontheSTM32single-chipmicrocomputer.Thispaperfirstsortsouttheindustrybackground,researchstatusathomeandabroad,andshortcomingsofexistingsolutions,thenclarifiesthedesignobjectivesandtechnicalroutebasedongreenplants’growthcharacteristics.Thesystemconsistsofhardwareandsoftwarecomponents,withfull-modulejointdebuggingandmulti-scenarioperformancetestingcompleted.TakingtheSTM32F103C8T6single-chipmicrocomputerasthecore,thehardwaresystemincludessixfunctionalmodules,realizingreal-timemulti-parametercollectionofgrowthenvironment,localhuman-computerinteraction,remotetwo-waycommunication,andprecisedriveofmaintenanceequipment.ThesoftwaresystemisprogrammedinClanguageunderMDK5basedonmodulardesign,coveringmainprogramlogic,Wi-Ficommunication,dataacquisitionandfiltering,automaticmaintenancecontrol,andabnormalalarmpush.ConnectedtoTencentCloudIoTplatformviatheESP8266module,thesystemsupportsremotemonitoringandmanualcontrolthroughmobileAPP,withone-clickswitchingbetweenmanualandautomaticmodes.Userscansetthresholdsoftemperature,soilmoistureandlightintensitydynamically,andthesystemcanautomaticallycompleteunattendedmaintenancesuchaswaterreplenishment,heating,coolingandlightsupplement.Abnormalconditionswilltriggerreal-timealarmpushtothemobileAPPforrapiddisposal.Testresultsshowthatthesystemoperatesstablywithhighdetectionaccuracy,lowpowerconsumption,highpracticalityandstrongadaptability,suitableforindoorandsmallgreenhousescenarios.Iteffectivelysolvesthecorepainpointsofgreenplantmaintenance,improvessurvivalrateandgrowthquality,providesalow-costandreliableintelligentsolution,andhashighpracticalvalueandmarketprospects.KEYWORDS:greenplantmaintenance,microcontroller,WIFIcommunication,intelligentdetection,automaticcontrol前言近年来，随着我国居民生活品质的持续提升与智能家居行业的高速发展，家居绿植种植已成为都市人群改善居住环境、净化室内空气、舒缓生活压力的重要方式。据IDC发布的《2025年中国智能家居市场白皮书》可知道2025年我国智能家居的规模已经突破7200亿元REF_Ref229584176\r\h[5]，其中家庭环境监测与智能种植类设备的年复合增长率达28.6%，室内绿植种植的家庭渗透率已提升至41.2%，这些表明智能家居在中国的普及度和接受度正在快速提升REF_Ref229141285\r\h[14]。而多数年轻人希望家居环境中能够有一些绿植做装饰，然而种植后却经常忘记照料或者因工作原因无法照料而达不到预期的效果导致绿植枯萎死亡REF_Ref229128939\r\h[2]。在此背景下，国内外围绕智能绿植监测与控制技术开展了大量研究，传感器网络、无线通信、自动控制与图像识别等技术逐步应用于土壤湿度、环境温湿度、光照强度、CO₂浓度等绿植生长关键参数的采集与调控。这样有效的节省使用者的时间和精力,有助于室内环境优化和美观,可以有效促进室内绿化的普及REF_Ref229131786\r\h[3]。国外在设施农业自动化、植物表型精准监测等领域技术成熟度较高，荷兰、以色列、美国等农业强国已将智能环境管控技术从规模化设施农业向民用家庭场景延伸，开发出适配小型种植场景的全自动智能养护设备，系统集成度与智能化水平突出，可实现多参数协同管控与无人化运维；国内研究多聚焦于硬件实现与单一功能优化，多数方案仅能实现基础的自动浇水功能，在针对特定绿植品种的生长特性适配、多参数协同决策、无人值守全流程管控、低成本与高可靠性兼顾等方面仍有较大提升空间。现有市场产品与学术研究方案普遍存在功能单一、自适应能力不足、缺乏一体化异常报警与远程处置机制、针对特定绿植品种的养护适配性差等短板，难以实现真正意义上的全周期无人化运维。为解决上述行业痛点，填补针对绿植专用智能养护系统的研究空白。基于该模块，绿植监护系统彻底实现居家无人化、智能化、便捷化等特点REF_Ref229128379\r\h[1]。系统以嵌入式控制器为核心，针对绿植的生长特性，集成多类型环境传感器与执行机构，实现绿植生长环境参数的实时采集、异常状态智能判断与灌溉、通风、补光、温控等设备的自动控制，同时支持远程监控、阈值动态调整与异常报警推送。本文设计的一种基于STM32单片机的绿植生长环境监控系统，通过传感采集关键节点获取植物生长环境的参数REF_Ref229128939\r\h[2]。用户还可以通过观察实时数据、接收信号并且记录植物生长过程。与传统的养护方式相比,该设计大大降低了绿植养护门槛,使非专业用户能够方便、准确地对各种植物进行养护REF_Ref229145707\r\h[17]。后续章节将依次阐述系统研究背景与意义、整体方案设计、硬件电路开发、软件程序设计、系统测试与验证，最终完成一套可落地、高适配的绿植无人化智能养护系统。目录摘要 [6]。图2-SEQ图2-\*ARABIC9水泵实物图Fig.2-SEQFig.2-\*ARABIC9ActualPhotoofWaterPump温控与补光执行终端：选用低压LED补光灯、加热灯与直流散热风扇。LED补光灯采用植物生长适配的红蓝光配比，光照效率高、功耗低、使用寿命长。绿植的正常生长需要稳定的光照强度，室内/大棚场景中因阴天、楼层遮挡、夜晚灯光不足等问题造成绿植长势衰弱。LED补光灯在环境光照传感器检测到低于设置阈值时自动开启补光功能，把光照强度维持在适合绿植生长的水平范围，解决“缺光”导致养护失败的情况。图2-SEQ图2-\*ARABIC10LED补光灯实物图Fig.2-SEQFig.2-\*ARABIC10ActualPhotoofLEDGrowLight不同绿植的正常生长需要适宜的温度，直流散热风扇可以在温度传感器检测到环境温度强度高于设定阈值时，自动进行降温，把环境温度控制在绿植生长的最适区间。图2-SEQ图2-\*ARABIC11直流散热风扇实物图Fig.2-SEQFig.2-\*ARABIC11ActualPhotoofDCCoolingFan加热灯和散热风扇均为低压供电，驱动安全、噪音较小、温控响应速度快，能快速对绿植生长环境进行温度调节，适用于家居场景下使用。加热灯如图2-12所示。图2-SEQ图2-\*ARABIC12加热灯实物图Fig.2-SEQFig.2-\*ARABIC12ActualPhotoofHeatingLamp2.3本章小结本章完成了系统的整体方案规划和全链路核心元器件选型工作。首先明确了系统主要研究内容，明确了系统核心功能：环境参数实时监测、远程手动控制、模式切换与阈值设定、全自动智能养护。搭建系统整体架构；根据系统的设计需求与应用场景进行主控芯片、环境检测传感器、人机交互器件、无线通信模块、执行机构器件等元器件的选型，详细阐述各元器件的选型依据及其性能优势，并完成了系统开发顶层设计，为后续软硬件设计提供了明晰的设计依据与技术路线。

3系统的硬件设计3.1单片机模块STM32F103C8T6单片机是一款基于ARMCortex-M3内核的32位单片机，性能介于51系列单片机与高端嵌入式芯片之间，具有超强的性价比、强大的运算能力和丰富的外设资源以及简洁精美的外围电路等优点。被广泛应用于各类工业控制、智能家居、消费电子的产品开发中，也是目前国内高校对单片机相关设计研究最为常见的单片机型号；该单片机拥有48个外围引脚，虽然在STM32全系列中属于引脚数量较少的型号，但完全可以满足本设计的引脚使用需求，不必额外增加IO口；作为32位单片机，其每次处理的数据宽度达到了32位，其运算能力远大于传统的8位51单片机，能够轻松应对本设计中多通道进行数据采集、数据校准、逻辑判断、通信传输等多任务并行处理的需要；同时，单片机还具备出色的环境适应性，并且能够在-40℃~+85℃的环境温度范围内稳定运转工作，能够适合应用于家庭生活、办公等场景，不会因为环境温度而导致工作异常。该单片机内置3个12位的ADC转换器，最多支持16个外部采集通道可直接完成本设计中土壤湿度、光照强度等模拟量采集任务，无需额外添加ADC转换芯片，大幅简化了系统硬件电路设计；内置多个串口通信接口可满足与ESP8266WIFI模块相关通信要求，内置多路通用IO口能直接满足按键、显示、执行机构驱动控制使用需求，真正实现一个芯片完成全系统控制需求，不再另行增补外围芯片，减少系统的硬件开销和故障发生概率。图3-SEQ图3-\*ARABIC1单片机接线情况Fig.3-SEQFig.3-\*ARABIC1WiringDiagramoftheMicrocontroller3.2环境参数检测模块3.2.1温度检测模块本设计选用DS18B20数字温度传感器完成温度数据采集，该传感器内置A/D转换电路，能够直接将采集到的温度模拟量转换为数字量使设计起来更加的简单便捷。DS18B20的测温范围为-55℃~+125℃，完全能够覆盖家居绿植生长的温度范围，测温精度能够满足绿植养护的需求，同时具备体积小、功耗低、抗干扰能力强等优势，非常适合本设计的应用场景。该传感器是全球首款采用单总线通信协议的温度传感器，可以快捷的实现与单片机的双向数据通信，硬件接线极为简洁。传感器的VCC引脚接入5V直流电源，GND引脚直接接地，DQ数据引脚接入单片机的PB5引脚，同时搭配10kΩ上拉电阻，保障通信信号的稳定。传感器采集到的温度数据，通过单总线直接传输至单片机，完成温度数据的实时采集，同时该传感器支持多点并联测温，后续可根据需求扩展多个测温点，提升系统的扩展性。图3-SEQ图3-\*ARABIC2温度检测模块接线情况Fig.3-SEQFig.3-\*ARABIC2WiringDiagramofTemperatureDetectionModule3.2.2土壤湿度检测模块本设计选用电阻式土壤湿度传感器完成土壤湿度数据采集，该传感器通过检测土壤的导电率变化来判断土壤湿度，而导电率越强越能反映土壤的含水量高，当传感器输出的电压值越高，能够将土壤湿度的变化转换为模拟电压信号的变化，适配单片机的ADC采集需求。传感器的供电引脚接入5V直流电源，GND引脚接地，模拟信号输出引脚对应单片机的PA1引脚，与单片机内置ADC相同的1号采集通道。单片机利用ADC采集传感器输出模拟电压值后转换为数字量后根据校准公式可以得到0-100%的土壤相对湿度值，完成土壤湿度实时检测工作。该传感器具有响应快、检测精确性好、接线简单、低廉等特点，能够更加真实反映土壤的干旱程度，便于系统自动补水功能需求。图3-SEQ图3-\*ARABIC3土壤湿度检测模块接线情况Fig.3-SEQFig.3-\*ARABIC3WiringDiagramofSoilMoistureDetectionModule3.2.3光照检测模块本设计选用光敏电阻作为光照检测电路，完成环境光照强度的采集。光敏电阻的阻值会随着周围环境光照强度的改变而发生线性的变化，通过串联分压电路可以实现光照强度和模拟电压信号的实时转换；光照检测电路由一对光敏电阻与10kΩ定值电阻串联组成，接入3.3V直流电源，将分压节点接入单片机的PA0引脚中，该引脚即单片机内置ADC0号采集孔，利用单片机内部ADC来采集分压节点所得模拟电压值，然后进行数字量转化，通过校准公式将其转化成对应的光照强度数值，最终完成环境光照的检测。本设计光照检测电路设计精简，成本极低，响应速度快，能够实时反映出环境光照的变化情况，为系统自动补光功能提供了可靠的数据支撑，完全满足家居绿植养护的光照检测需求。图3-SEQ图3-\*ARABIC4光照检测电路接线情况Fig.3-SEQFig.3-\*ARABIC4WiringDiagramofLightDetectionCircuit3.3显示模块本设计选用OLED液晶显示屏作为系统的本地显示单元，对比市面上常用的LCD1602、LCD12864显示屏，OLED显示屏具备明显的应用优势。LCD1602仅能显示数字、英文字母与基础符号，无法显示汉字，无法满足本设计的中文显示需求；LCD12864虽然支持汉字显示，但功耗较高，体积较大，且并行通信需要占用大量单片机IO口，串行通信的驱动复杂度较高。而OLED显示屏为自发光器件，无需背光电路，功耗远低于LCD显示屏，同时支持128*64的分辨率，能够显示汉字、数字、英文字母与各类符号，完全满足本设计的显示需求。该显示屏支持I2C串行通信，仅需2根信号线即可完成与单片机的通信，大幅节省了单片机的IO口资源，同时驱动电路设计精简，开发资料丰富，能够快速完成驱动程序的移植与调试。显示屏的VCC引脚接入3.3V直流电源，GND引脚接地，SCL时钟引脚和SDA数据引脚分别接入单片机IO口，通过I2C总线实现与单片机的双向通信。显示屏主要功能是对系统采集的土壤温度、湿度、光照强度等进行实时显示，同时还可以显示出当前系统所处的运行状态，及用户设置的各项养护阈值，让使用者清晰地了解到系统在本地的工作情况、绿植的生长环境等，方便人们实现本地交互。图3-SEQ图3-\*ARABIC5显示模块电路接线情况Fig.3-SEQFig.3-\*ARABIC5WiringDiagramoftheDisplayModuleCircuit3.4按键模块本设计选用了4个独立的轻触按键作为系统的按键输入单元，完成系统在本地的手/自模式切换、阈值调整等人机交互。按键消抖分为硬件消抖和软件消抖。一般来说，对于按键数较少的场景，只需要使用RS触发器构成双稳态消抖电路即可，而且能够输出稳定的电平信号；而对于按键数量较多、电路相对复杂的场景，通过程序延时的方法避开按键抖动的时间段后再检测按键电平状态即可达到消抖效果。由于本设计系统所搭建的电路比较繁琐，单片机的IO口资源有限，因此采取软件消抖的方式实现系统电路的消抖，不需要额外增加硬件消抖电路，简化了硬件设计的同时也能够达到良好的消抖效果。若按下，IO口变成高电平；若不按下，IO口变为低电平，明确了IO口的电平变化后，单片机即可判断是否按键。4个按键分别接入到单片机PB8、PB9、PC15、PC14引脚上，功能分别定义为模式切换键、数值增加键、数值减少键、手动/自动模式切换键，满足用户本地操作的全部需求。图3-SEQ图3-\*ARABIC6按键模块电路接线情况Fig.3-SEQFig.3-\*ARABIC6WiringDiagramoftheKeyModuleCircuit3.5WIFI通信模块为保障WiFi模块的通信兼容性、数据传输稳定性及互联互通性，所选用的WiFi模块应严格符合IEEE802.11系列协议标准，确保其能满足无线数据传输的标准化要求。本设计选用ESP8266串口WIFI模块实现系统的无线通信功能。该模块是目前智能家居中应用最广泛的WIFI通信模块，具有体积小、功耗低、性能稳定、开发难度低等优点，能够快速完成串口设备与无线网络的连接，进行数据的无线传输以及远程指令的接收。ESP8266工作电压为3.3V，待机功耗小于1mW，具备较高的功耗水平，非常适合家居类型低功耗设备的开发需求。支持标准AT指令配置，能够快速完成对WIFI热点的连接、云平台的连接、透传模式设置等操作，核心采用了透传传输模式，在数据传输过程中不再需要额外的编码加密，数据在发送端和接受端相同的部分代号就像导线一样可以直接连接到该接入端，大幅简化了通信程序的开发难度并且保障了数据传输的稳定性。模块的VCC引脚接入3.3V直流电源，GND引脚直接接地。模块的UTXD发送引脚接入单片机的PB10引脚，URXD接收引脚接入单片机的PB10引脚，与单片机的串口1对接，实现了模块与单片机的双向串口通信，其他控制引脚悬空处理，不需要额外接线，更加方便硬件设计。通过AT指令配置，模块可以快速接入周边的WIFI热点，实现与腾讯云平台的对接。通过单片机实时传输单片机环境参数和系统运行状态，将生成模块上载至腾讯云平台并显示在手机APP端；用户在APP发出控制指令、阈值设置参数，经过云平台下发到模块，再通过串口传输给单片机，单片机根据指令完成相应操作，完成远程控制和数据交互。模块除了基本的上传数据和接收指令功能外，新增双向全双工的数据传输方式，可以保证三类核心数据的稳定传输：一是常规监测数据的周期上传。单片机每2s采集一次绿植生长环境参数，通过模块同步上传到腾讯云平台中，使手机APP端数据与实时更新本地数据进行同步，延迟不超过1s；二是远程控制指令的实时接收，模块持续监听从云平台下发的各种指令数据，例如手动按钮开启或者关闭执行机构、修改阈值参数、切换模式等指令，当获取到相应指令后会立即通过串口将指令发送至单片机，单片机在解析出该指令后再对其进行操作，并把完成处理结果回传至APP端，形成控制闭环；三是异常报警数据的紧急推送。若检测到有绿植生长参数超过安全阈值，模块首先将不需要与其他用户继续传输的普通数据帧给予屏蔽处理，然后迅速将提示的报警数据帧上传至云平台中，通过APP端强制通知用户，让用户第一时间掌握到绿植生长异常情况。同时在模块硬件方面，新增了数据缓存的功能，通过单片机片内SRAM设置缓存区，当WIFI网络断开后可以缓存最近1小时中所监测到的数据和报警信息，等网络恢复之后自动进行补传，确保完整性，无丢失风险。图3-SEQ图3-\*ARABIC7无线模块电路接线情况Fig.3-SEQFig.3-\*ARABIC7WiringDiagramoftheWirelessModuleCircuit3.6执行机构模块3.6.1补水执行单元补水执行单元的主要设备为直流水泵，由继电器控制启停，完成绿植自动补水操作。继电器的线圈驱动电路采用S9012PNP型三极管和外围限流电阻组成，在该过程中，一般将单片机PB12引脚接到三极管的基极上，输出高低电平来控制三极管通断，从而控制继电器线圈供电，实现继电器触点开合以及最后手动控制水泵开始与关闭；当土壤湿度达到某个湿度上限时，单片机PB12引脚会输出高电平，三极管将会截止，继电器线圈失电，触点断开，此时水泵开始补水，完成全自动补水操作；当土壤湿度小于用户设定的干旱阈值时，单片机PB12引脚输出低电平，三极管导通，继电器线圈得电，触点闭合，水泵发出指令，开始补水。另外，可对绿植进行远程补水操作。用户可通过手机APP发送指令至工作站上，手动控制直流水泵的开启、停止，完成远程补水操作。图3-SEQ图3-\*ARABIC8补水执行单元电路接线情况Fig.3-SEQFig.3-\*ARABIC8WiringDiagramofWaterSupplyExecutionUnitCircuit3.6.2温控执行单元温控执行单元分为降温和加热两个单独部分，由风扇与加热灯组成，用来应对不同的温度控制需求。其中，降温单元的风扇是由单片机PA7引脚来控制的；加热单元的加热灯是由单片机PB13引脚来控制的，都是采用与补水单元一样三极管+继电器驱动方式，保证了驱动电路的稳定性及安全性。图3-SEQ图3-\*ARABIC9LED灯电路接线情况Fig.3-SEQFig.3-\*ARABIC9WiringDiagramofLEDLightCircuit当环境温度大于用户设置的降温阈值时，单片机PA7引脚输出低电平，三极管导通，继电器触点闭合，风扇启动运行，完成对环境降温操作；当温度小于设定的加热阈值时，单片机PB13引脚输出低电平，三极管导通，继电器触点闭合，加热灯开始工作，达到将环境升温的目的；当环境上升至合理范围后，加热灯停止工作，完成全自动控制。图3-SEQ图3-\*ARABIC10风扇电路接线情况Fig.3-SEQFig.3-\*ARABIC10WiringDiagramofFanCircuit3.6.3补光执行单元补光执行单元的核心设备为LED补光灯，由单片机PA8引脚控制，同样采用三极管+继电器驱动方式。当环境光照强度低于用户给出的补光阈值时，单片机PA8引脚输出低电平，三极管导通，继电器触点闭合，此时补光灯开始工作对绿植进行补光；当环境光照强度达到一定程度后，补光灯停止运行从而实现全自动补光操作。另外还可以通过手机APP来手动控制补光灯启停，满足特殊场景需要的补光功能。图3-SEQ图3-\*ARABIC11补光灯电路接线情况Fig.3-SEQFig.3-\*ARABIC11WiringDiagramofFillLightCircuit3.7异常报警传输模块设计本模块是系统新增加的一个传输单元，主要用于绿植生长过程中温度过高/过低、土壤湿度过低/过高、光照不足/过强等异常情况下的报警信息从单片机到用户手机APP通讯全链路稳定传送，是无人值守场景下处理异常及时可靠的硬件设备。（1）硬件触发逻辑模块与主控单片机、ESP8266WIFI模块联动，模块在每一次主循环的参数采集完毕后，立即将实时采集到的温度、土壤湿度、光照强度等指标进行比对，然后根据用户设置的绿植生长安全阈值，达到相应规定的阈值范围，并按规定报警的等级，通过相关数据处理程序，得到相应的报警标志位，将异常参数类型、实时数值、报警等级、发生时间打包为标准格式的报警数据帧。报警的报警数据帧如下：#ALARM,报警类型,实时数值,阈值上下限,报警等级T，其中报警类型分高温报警、低温报警、干旱报警、积水报警、光照不足报警、光照过强报警6种类型，为绿植养护风险中最大的6种；报警等级分一般报警和紧急报警两种，其中低温冻害（温度小于五℃）、高温灼伤（温度大于38℃)、重度干旱（土壤湿度大于5%RH）属紧急报警，其他异常均为一般报警。（2）全链路传输硬件实现在报警数据帧生成之后，单片机通过USART串口以最高优先级将数据发送给ESP8266WIFI模块，在接收到报警的数据帧时，模块立即使用MQTT通信协议将数据上传至腾讯云物联网平台；云平台根据预设好的规则引擎对报警数据进行解析。针对紧急报警，马上利用平台推送服务将报警提示以弹窗、通知栏消息形式发送到用户绑定手机APP中，并在APP内存储报警记录，以及异常参数详情与处置建议；一般报警在APP端生成报警提示同步更新至设备运行日志中供用户随时查看。（3）硬件可靠性保障模块还提供了断网续传功能，当发生异常情况导致网络被异常断开后，单片机会将触发的报警数据缓存到片内专门的缓存区域中。最多可缓存100条报警信息，当恢复网络后ESP8266模块会将缓存好的报警数据补传到云平台，保证报警不丢失；模块也支持报警防抖机制，一次参数超限时不会立即引起报警。只有连续3次采集数据均超过阈值才会触发正式报警，避免因为瞬间传感器波动造成误报警，保证了报警传输的准确性。模块硬件电路和WIFI通信模块共用3.3V供电，不需要额外的增加供电电路，同时也不占用单片机IO口，一个串口就可以传输全链路数据。软硬件简洁明了，与原系统兼容性强，无必对核心电路进行大幅度改动。3.8本章小结本章完成了系统的全链路硬件电路设计和开发，以STM32F103C8T6单片机为核心完成了6大功能单元的硬件设计与电路搭建。具体介绍了单片机最小系统、环境参数检测、显示、按键、WIFI通信、执行机构各模块所采用的器件选型、电路原理和接线设计等，实现了数据采集、人机交互、远程通信、设备驱动的全链路硬件支撑，各模块电路设计简单可靠性强，为系统的功能实现提供了完整的硬件基础。

4系统的软件设计4.1软件介绍本设计使用MDK5Professionalv5.38（ARMCompiler6.17）通过学校正版软件授权获取，其中本设计的软件程序采用C语言编写，基于MDK5集成开发环境完成程序的编写、编译与调试，该开发环境集成了C编译器、宏汇编、连接器、库管理与仿真调试器等完整功能，界面简洁易用，调试功能强大，是STM32单片机开发的主流环境。本系统的软件设计主要采用了模块化编程思想，通过独立的子程序模块将系统的不同功能进行划分，即可大幅提升了程序的可读性与可维护性，同时增强了系统的使用和可以持续发展的保障。图4-SEQ图4-\*ARABIC1Keil_5软件界面Fig.4-SEQFig.4-\*ARABIC1KeiluVision5SoftwareInterface4.2软件程序的设计4.2.1主程序流程图系统的主流程图如图4.2所示，系统上电后，首先进入初始化阶段，依次完成系统时钟初始化、GPIO引脚初始化、延时函数初始化、中断优先级配置、ADC采集初始化、OLED显示屏初始化、DS18B20温度传感器初始化、串口通信初始化、ESP8266WIFI模块初始化，初始化完成后，OLED显示屏显示系统启动界面，WIFI模块完成热点连接与云平台对接，系统进入就绪状态。初始化完成后，进入无限循环的主程序，即按键扫描与处理程序、环境参数数据采集程序、数据校准和滤波处理程序、显示刷新程序、运行模式判断程序、自动控制逻辑处理程序、WIFI数据上传与指令接收程序。完成一次主循环之后再进入下一次循环往复运行。在主循环中，系统会首先使用按键处理程序检测到用户的按键操作并完成模式切换、阈值调整等操作；然后通过数据采集程序将土壤温度、土壤湿度、光照强度实时采集下来，对采集到的数据进行软件滤波和校准，剔除异常数据以保证数据的正确性；再通过显示驱动程序将所采集的实时数据、系统运行模式、设定阈值刷新到OLED显示屏上，之后根据手动/自动模式选择执行对应的控制逻辑，自动模式下将实时采集到的参数与用户设置的阈值做比较，完成执行机构的自动控制，手动模式下接收WIFI模块传输的APP远程控制指令完成执行机构的手动控制，最后通过WIFI通信模块将系统的实时数据及运行状态上传至腾讯云平台，同时接受由云平台发出的控制指令和阈值设置参数，完成一次完整的主循环。图4-SEQ图4-\*ARABIC2程序总体流程图Fig.4-SEQFig.4-\*ARABIC2OverallProgramFlowChart4.2.2按键函数流程设计按键处理子程序主要负责对用户的本地按键操作进行识别和处理，同时也采取软件延时的方式实现按键消抖，保证按键操作被准确识别以免造成系统误判。系统启动按键扫描程序后，会先检测用户设定按键对应的IO口电平状态是否为低电平，如果没有则说明无按键，直接跳出按键处理程序，回到主循环；当检测到IO口变为低电平时，将表示按键已经被按下了，此时不再立刻执行按键操作，而是先执行10ms延时程序，避开机械按键的抖动时间段。延时结束后，程序再次检测对应IO口的电平状态，若此时IO口恢复为高电平，说明之前的电平变化是按键抖动导致的误触发，无有效按键按下，直接退出程序；若此时IO口仍为低电平，说明是用户的有效按键按下，程序根据按下的按键编号，执行对应的按键功能程序，完成模式切换、数值增加、数值减少、手动自动模式切换等操作，待按键松开后，退出按键处理程序，返回主循环，完成一次完整的按键处理流程。图4-SEQ图4-\*ARABIC3按键函数子流程图Fig.4-SEQFig.4-\*ARABIC3Sub-flowChartofKeyFunction4.2.3显示函数流程设计显示程序子程序是实现系统本地的人机交互功能，其基本运行过程与数据采集、校准等环节紧密结合。当程序启动后，先从系统缓存中读取经过校准滤波处理的土壤温度、湿度和光照强度实时数据以及当前系统的运行模式和用户设置的养护阈值等状态信息；之后根据提供的显示格式将各类数据分区域映射到OLED显示屏上指定坐标位置上，依次刷新空间内环境参数、模式状态、阈值设定区的数据显示情况；在刷新过程中采用局部刷新，仅更新数据变化区域，避免完全全屏刷新引起显示闪烁问题；执行完一次刷新后，返回主循环进行下一轮数据更新过程再次执行显示刷新逻辑保证显示屏可以实时且稳定展示系统运行状态无延迟、无乱码现象。图4-SEQ图4-\*ARABIC4显示函数子流程图Fig.4-SEQFig.4-\*ARABIC4Sub-flowChartofDisplayFunction4.2.4WiFi通信流程设计WiFi通信子程序负责实现单片机与腾讯云物联网平台之间的双向数据传输，采用ESP8266-01S模块的透传模式，遵循MQTT通信协议和GB/T36959-2018农业物联网数据规范。系统上电初始化后，单片机通过串口向ESP8266模块发送AT指令，依次完成模块复位、WIFI热点连接、云平台设备认证与主题订阅。连接成功后，模块进入透传模式，数据传输无需额外编码。在主循环中，单片机每2秒将采集到的环境参数、系统运行模式及执行机构状态打包为标准数据帧，通过串口发送至ESP8266模块，由模块上传至云平台。同时，模块持续监听云平台下发的指令，包括手动控制指令、阈值修改指令和模式切换指令。接收到指令后，单片机对指令进行解析并执行相应操作，执行完成后将结果回传至云平台。当网络断开时，单片机将数据缓存至片内SRAM，最多可缓存1小时的监测数据，网络恢复后自动补传，确保数据完整性。图4-5WiFi通信函数子流程图Fig.4-5Sub-flowChartofWiFiCommunicationFunction4.2.5执行补水流程设计执行补水子程序负责根据土壤湿度数据自动控制水泵启停，同时支持远程手动补水操作。在自动模式下，系统首先获取经过滤波校准后的土壤湿度数值，将其与用户设定的土壤湿度上下限阈值进行比较。当土壤湿度低于设定下限值时，单片机PB12引脚输出低电平，驱动三极管导通，继电器触点闭合，水泵启动进行补水。补水过程中，系统持续监测土壤湿度变化，当湿度上升至设定上限值时，单片机PB12引脚输出高电平，三极管截止，继电器触点断开，水泵停止工作。为防止水泵空转和过度浇水，程序设置了最长补水时间保护，单次补水时间超过30秒时强制停止水泵并触发缺水报警。在手动模式下，系统忽略自动控制逻辑，直接响应手机APP发送的水泵启停指令，用户可根据实际需求灵活控制补水过程。图4-6执行补水函数子流程图Fig.4-6Sub-flowChartofWaterSupplyExecutionFunction4.2.6温控执行流程设计温控执行子程序分为加热控制和降温控制两个独立分支，分别对应加热灯和散热风扇的驱动逻辑。在自动模式下，系统首先读取DS18B20传感器采集的环境温度数据，与用户设定的温度上下限阈值进行比较。当环境温度低于设定下限值时，单片机PB13引脚输出低电平，加热灯启动升温；当温度高于设定上限值时，单片机PA7引脚输出低电平，散热风扇启动降温。为避免温度在阈值附近频繁波动导致执行机构频繁启停，程序引入了2℃的回差控制。即加热灯启动后，只有当温度上升至高于下限值2℃时才会停止；风扇启动后，只有当温度下降至低于上限值2℃时才会停止。在手动模式下，用户可通过手机APP分别控制加热灯和风扇的启停，满足特殊场景下的温控需求。温控执行过程中，系统实时监测温度变化，确保环境温度始终维持在绿植适宜的生长范围内。图4-7温控执行函数子流程图Fig.4-7Sub-flowChartofTemperatureControlExecutionFunction4.2.7补光执行流程设计补光执行子程序根据环境光照强度数据自动控制LED补光灯的开关，为绿植提供适宜的光照条件。在自动模式下，系统通过光敏电阻分压电路采集环境光照强度，经过ADC转换和校准后得到实际光照值。当光照强度低于用户设定的补光阈值时，单片机PA8引脚输出低电平，驱动三极管导通，LED补光灯启动补光。补光过程中，系统持续监测光照强度变化，当光照强度上升至高于补光阈值50lux时，补光灯自动关闭。为防止夜间过度补光影响植物正常的光合作用周期，程序设置了每日最长补光时间限制，默认每日补光不超过12小时，用户可根据不同绿植品种的需求进行调整。在手动模式下，用户可通过手机APP远程控制补光灯的启停，灵活满足不同生长阶段的补光需求。图4-8补光执行函数子流程图Fig.4-8Sub-flowChartofFillLightExecutionFunction4.2.8异常报警流程设计异常报警子程序负责监测绿植生长环境的异常情况，并及时向用户推送报警信息。在每一次主循环的参数采集完成后，系统将实时采集的温度、土壤湿度、光照强度与用户设定的安全阈值进行比较。当参数超出阈值范围时，程序首先进行连续3次数据验证，确认异常后生成报警数据帧，包含报警类型、实时数值、阈值范围和报警等级。报警等级分为一般报警和紧急报警，其中低温冻害（<5℃）、高温灼伤（>38℃）和重度干旱（<5%RH）属于紧急报警，其余为一般报警。紧急报警数据帧以最高优先级通过WiFi模块上传至云平台，云平台立即通过手机APP向用户发送弹窗和通知栏消息；一般报警则记录在设备运行日志中供用户查看。当网络断开时，报警信息缓存至单片机片内缓存区，最多可存储100条报警记录，网络恢复后自动补传，确保报警信息不丢失。图4-9异常报警函数子流程图Fig.4-9Sub-flowChartofAbnormalAlarmFunction4.3本章小结本章采用模块化编程的思想完成了系统全部软件程序的设计和开发工作，使用C语言基于MDK5开发环境进行了系统程序的编写。首先介绍软件开发环境，然后对整个系统中主程序、按键处理、显示驱动、数据采集、WIFI通信、自动控制等核心子程序流程与逻辑进行设计和开发，确定了系统上电初始化循环运行流程逻辑，程序架构清晰可读性强且易维护，实现了系统各项功能在软件逻辑支撑下的稳定有序运行。

5系统的测试5.1系统分模块功能测试5.1.1单片机最小系统模块测试本项测试以验证主控核心的供电稳定性、程序运行可靠性和外设适配能力，通过万用表、示波器检测系统供电电压波动与晶振起振情况，下载测试程序，对片内外设GPIO口、ADC、串口等功能进行测试，并对单片机进行72小时连续上电运行测试。实际情况：单片机供电电压波动符合芯片工作要求，晶振起振正常；所有外设均已能平稳地初始化及运行，单片机在72小时连续运行无死机、异常复位、程序跑飞问题；主控核心工作稳定可靠。图5-SEQ图5-\*ARABIC1系统模块测试实物图Fig.5-SEQFig.5-\*ARABIC1ActualPhotoofSystemModuleTest5.1.2环境参数检测模块测试本模块由三个部分组成：温度、土壤湿度、光照检测。温度采集和响应速度验证，通信稳定性验证。参照标准水银温度计设置5个标准测温点来检测温度测量的误差；测试土壤湿度时以烘干法为主体配置不同含水率样本用于土壤湿度测量，结果表明该部分的温度为线性度。以参考标准照度计为例设置了5个光照梯度进行光照动态响应。图5-SEQ图5-\*ARABIC2环境参数检测模块测试Fig.5-SEQFig.5-\*ARABIC2EnvironmentalParameterDetectionModuleTest测试结果表明：温度的最大绝对误差为0.5℃，土壤湿度测量误差为0.2%RH，光照检测误差≤±5%，所有传感器响应时间均小于等于3s，无丢包、乱码现象发生，能够满足绿植养护的检测精度要求。实际测试得出，温度采集的最大绝对误差为0.5℃，这一数值落在绿植维持正常生长所能承受的安全温度波动区间，也就是±2℃以内，基本不会带来温控相关的误触发、错误控制等问题。土壤湿度检测存在0.2%RH的误差，光照检测误差则保持在±5%以内，两项指标对照NY/T2144‑2012温室环境监测精度相关标准，能够达到对应的规范要求，足够为系统自动补水、自动补光的阈值逻辑判断提供准确的数据支撑。传感器完成一次数据采集的最长响应时间为3秒，结合家居绿植生长环境变化缓慢的特点，该速度可以适配低速监测场景下对于实时性的基础使用要求。就目前整体模块性能来看，暂时不存在明显的运行瓶颈，不过仍有优化空间，比如后续可以尝试提高ADC的采样频率，以此把传感器响应时间进一步缩短到1.5秒之下，让环境监测的即时性得到进一步提升。5.1.3人机交互模块测试本模块包括按键和显示单元，本地交互功能识别准确率以及稳定性验证为主要测试内容。对4个功能按键进行100次连续按压检查来验证其功能的识别正确与否，并且在不同环境下开启软件消抖的效果；对OLED显示屏进行24h连续运行测试从而得到显示效果和稳定性检查结果。图5-3人机交互模块测试实物图Fig.5-3ActualPhotoofHuman-ComputerInteractionModuleTest结果如图5-3所示：按键类型功能识别准确率100%、无误触发、无响应问题以及操作响应延迟小于0ms、显示屏显示清晰无乱码，数据刷新保持与主程序一致性良好，连续使用24h无花屏、黑屏故障，人机交互正常。在对按键部分开展100次重复按压的测试过程中，没有出现信号识别出错的情况，家居环境里常见的电磁类干扰，依靠硬件层面的消抖电路基本可以做到有效抑制。OLED显示模块经过24小时不间断通电运行后，整体工作状态保持稳定，这样的表现可以应对绿植养护系统长期无人值守运行时，对显示功能可靠性提出的要求。该部分硬件模块目前具备较为富余的性能余量，实际运行过程中暂时没有发现性能上的短板。如果在后续进行优化改进，可尝试对按键扫描相关算法做出调整，减少其对单片机中断资源的占用情况，以此让整个系统的整体运行效率得到进一步改善。5.1.4WIFI通信模块测试通过本项测试验证ESP8266模块的联网稳定性、数据传输准确性和指令响应速度。对测试模块WIFI热点连接与断网重连能力，进行72小时连续数据上传的丢包率统计；手机APP下发100条控制指令并进行数据接收成功率和响应延迟验证。结果如图5-4所示：WIFI第一次连接成功率为100%，断网30s内可自动重连，连续72小时数据上传的丢包率≤0.1%，远程指令接收成功率为100%，平均响应延迟≤800ms，单片机与云平台、手机APP双向通信稳定可靠。图5-4WIFI通信模块测试实物图Fig.5-4ActualPhotoofWIFICommunicationModuleTest5.1.5执行机构模块测试本模块包括补水、温控、补光三个执行单元，为了验证控制逻辑准确性、动作可靠性与运行安全性等，分别在自动、手动下进行模拟实际工况并测试各执行单元的启停逻辑、响应速度以及100次连续启停测试。由图可以看出，各执行单元在手动模式下的启停逻辑完全符合规定要求，如图5-5所示，响应指令正确无误，没有任何误动作、拒动作或者错乱的情况。图5-5手动模式执行单元测试实物图Fig.5-5PhysicalDiagramofActuatorUnitTestinManualMode在自动模式下，从触发控制指令到执行单元动作完成的响应时间是稳定的，如图5-6所示，满足系统设计指标（一般不超过1秒），没有延迟或卡顿现象。图5-6自动模式执行单元测试实物图Fig.5-6PhysicalDiagramofActuatorUnitTestinAutomaticMode5.2系统综合性能测试5.2.1系统功能完整性测试本项测试对系统所有预先设定功能的实现情况进行验证，每一个核心功能都被逐步测试：环境参数监测、人机交互、模式切换、阈值设定、全自动养护、云平台对接、APP远程监控。总体而言：该系统完成了设计方案中的所有功能，各个核心功能均可以正常发生和运行，没有出现不合理的配置或逻辑冲突等问题，并且符合设计要求。图5-7系统功能完整性测试实物图Fig.5-7ActualPhotoofSystemFunctionIntegrityTest5.2.2不同场景与季节节点的绿植种植适配性测试本系统测试以月季盆栽种植环境为例子，根据月季生长的环境特性及相关园艺栽培规范，对于月季种植的智能检测与控制系统的环境要求为：环境温度15~28℃、空气相对湿度40%~70%RH、土壤湿度15%~30%、光照强度10000~20000lux、二氧化碳浓度300~800ppm。月季栽培过程中应注意控制温湿度、光照、土壤水分及气体环境参数，避免出现徒长、病害、萎蔫、开花不良等问题。，以检验其在多样化条件下的适用性和性能表现。分别设置模拟室内家庭种植场景和小型大棚种植场景两组平行试验，为了简化测试流程可以进行模拟生长环境参数的形式来测试：为模拟土壤湿度的参数利用湿润的纸巾的湿润程度来表示；通过遮挡光敏电阻来模拟自然日光的变化；通过手心接触温度传感器来模拟室内环境温度。模拟山东临沂春季（3月）、春末夏初（5月）、夏季（7月）、冬季（12月）四个典型季节气候特点，验证系统在不同季节、不同种植环境下对月季生长的养护适配性与控制效果，具体测试内容如下：（1）模拟室内种植场景测试为模拟室内场景选取山东临沂普通居民住宅南向阳台种植环境，无额外环境调控设备，仅依靠本系统完成月季生长环境的自动管控，分四个时间节点开展测试：3月测试根据气象局统计3月山东临沂平均最高：13～15℃、平均最低：2～3℃、日均温：7.5～9℃，月均相对湿度：54%～62%，日均日照：6～7.5小时/天；光照强度晴天正午：800～1200μmol/m²·s，多云/阴天：300～600μmol/m²·s；3月适宜月季栽培温度：白天10～20℃适宜生长，夜间>0℃基本无冻害。湿度：55%～65%最适。光照：尽量保证全日照≥6小时。为了验证系统低温加热、土壤湿度管控、补光功能适合于月季春季生长，设置月季的温度下限10℃、上限20℃，土壤湿度下限55%RH、上限65%RH，光照下限300μmol/m²·s。模拟测试环境温度10℃-20℃，相对湿度55%-65%，日均自然光照时间6h达到月季春季返青生长期。模拟月季测试环境参数如图5-8所示。图5-83月室内场景系统环境参数实物图Fig5-8EnvironmentalParametersMonitoringCurvesforIndoorSceneinMarch测试结果：系统累计发动加热功能128次，补光功能92次，自动补水14次，月季生长环境温度稳定在园艺栽培范围内，系统自动调控可达到达到月季春季返青生长期。5月测试临沂市5月日均温：20～22℃，月均相对湿度：55%～65%，日均日照：7.5～8.5小时/天，光照强度晴天正午：1000～1400，多云：600～800，阴天：300～500；5月月季适宜生长温度：20～28℃为月季旺长、盛花期最佳温度。湿度：55%～65%适宜。光照：尽量保证直射光≥6小时，正午强光>1200μmol/m²·s阳台可适当遮阴20%～30%。为验证系统高温降温、湿度精准管控、光照过强保护功能，设定月季生长阈值：温度上限28℃，土壤湿度下限55%RH、上限65%RH，光照上限1200μmol/m²·s。环境参数如图5-9所示。图5-95月室内场景系统环境参数实物图Fig5-9PsicalpictureofindoorsystemenvironmentalparametersinMay测试周期内，累计触发降温风扇76次，自动补水21次，补光38次，月季生长环境的温度维持在20℃-28℃，土壤湿度维持在55%-65%RH，没有出现光照灼伤，月季无病虫害。7月测试临沂市7月日均温：27～29℃、月均相对湿度：70%～80%、日均日照：6～7小时/天、光照强度光照强度晴天正午：1100～1500，多云：700～900，阴天/雨天：400～600，月季适宜种植温度：25～30℃仍可生长；>33℃生长放缓、花量减少；>35℃易半休眠、灼伤。湿度：70%～80%偏高。光照：临沂7月正午光强常超1200，应遮阳防止嫩叶灼伤。设定月季生长阈值：温度上限29℃，土壤湿度上限70%RH，光照上限1200μmol/m²・s。模拟室内环境温度25℃-30℃，环境相对湿度55%-65%。月季测试环境参数如图5-10所示。图5-107月室内场景系统环境参数实物图Fig5-10PsicalpictureofindoorsystemenvironmentalparametersinJuly测试结果：测试周期内，共计触发降温风扇216次，自动补水8次。未出现积水烂根情况，环境温度维持在25℃-30℃之间，无高温休眠等状态，月季生长稳定。12月测试山东临沂12月日均温：2～4℃、月均相对湿度：55%～65%、光照强度晴天正午：600～800、多云：300～500、阴天/雾霾：100～200。月季在12月适合生长的环境要求温度：0～10℃进入休眠/半休眠；-5℃需防寒；>15℃可能轻微发芽、湿度：55%～65%适宜、光照强度长期低于300会加速落叶、休眠加深。设定月季生长阈值：温度下限0℃，土壤湿度下限55%RH、上限65%RH，光照下限300。模拟室内环境温度0℃-10℃，环境相对湿度55%-65%，日均自然光照时长2-4h。模拟月季测试环境参数如图5-11所示。图5-1112月室内场景系统环境参数实物图Fig5-11PsicalpictureofindoorsystemenvironmentalparametersinDecember测试结果：测试周期内，系统共触发加热功能324次，补光功能256次，自动补水6次，环境温度稳定在13℃-25℃之间；没有冻害、干瘪的情况，月季顺利越冬不出现生长停滞的现象。（2）大棚种植场景测试行业标准范围：根据连栋温室结构标准JB/T10288-2001，温室屋脊高度一般控制在3.3-6.0米范围内。檐高宜为3.00米~6.00米，并采用0.50米级差。在实际应用中，GSW8430型连栋薄膜温室的肩高为3米，顶高为5米，而标准连栋薄膜温室的檐高一般为3.0米，脊高为4.95米左右。因此大棚场景模拟选取山东某农村标准连栋薄膜温室进行种植，依靠本系统完成集群化环境管控，分四个时间节点开展测试：3月大棚测试3月大棚内昼夜温差5℃-25℃，环境相对湿度15%-50%，日均自然光照时长5-7h，春季倒春寒为核心风险点。根据系统集群化温控、补水、补光功能，设定月季生长阈值与室内阳台场景一致。模拟大棚月季测试环境参数如图5-12所示。图5-123月大棚场景系统环境参数实物图Fig5-12PhysicaldiagramofsystemenvironmentalparametersingreenhouseinMarch测试结果：在测试的整个周期内，系统均稳定实现对10盆月季统一环境管控，共开启加热功能186次，自动补水32次、补光124次；大棚温度稳定在14℃-28℃之间，土壤湿度均匀到92%以上，所有月季均正常萌发新叶，无冻害和干旱等情况。5月大棚测试模拟大棚内温度15℃-35℃，环境相对湿度25%-70%，日均自然光照时长7-9h，为月季快速生长期，设定阈值与室内阳台场景一致。大棚月季测试环境参数如图5-13所示。图5-135月大棚场景系统环境参数实物图Fig5-13PhysicalpicturesofsystemenvironmentalparametersingreenhouseinMarch总的来看，系统累计触发降温风扇152次，自动补水46次，大棚内的温度保持在18℃-32℃，土壤湿度稳定在15%-45%RH，月季平均生长速率为1.2cm/周，无徒长、病虫害情况。③7月大棚测试测试时间：7月1日-7月31日，测试环境：大棚内温度28℃-45℃，环境相对湿度50%-90%，日均自然光照时长10-12h，高温高湿、强光为核心风险点。测试内容：验证系统高温强降温、防积水、强光告警功能，设定阈值与室内阳台场景一致。月季测试环境参数如图5-14所示。图5-147月大棚场景系统环境参数实物图Fig5-SEQFig5-\*ARABIC14PhysicalimagesofsystemenvironmentalparametersingreenhouseinJuly测试结果：测试周期内，系统共计发出降温风扇运转386次，自动补水12次；大棚内温度稳定在30℃-34℃之间，没有高温灼伤、烂根等现象的发生，所有月季均未出现休眠、叶片焦枯等情况，生长状态正常。④12月（冬季）大棚测试测试时间：12月1日-12月31日，测试环境：大棚内温度-2℃-20℃，环境相对湿度10%-40%，日均自然光照时长3-5h，低温冻害为核心风险点。测试内容：验证系统低温加热、防冻害、补光功能，设定阈值与室内阳台场景一致。模拟月季测试环境参数如图5-15所示。图5-1512月大棚场景系统环境参数实物图Fig5-15PhysicalpicturesofsystemenvironmentalparametersingreenhouseinDecember测试结果：测试周期内，加热功能总计触发458次，补光功能共312次，自动补水10次，大棚夜间最低温度稳定在10℃以上，没有冻害发生，所有月季顺利越冬。（3）无系统调控的月季种植情况为了直观验证本系统对月季生长环境的管控效果，本次测试同时选取了无系统调控的空白对照组，分别在相同的室内家庭南向阳台观察月季，仅依靠自然环境条件生长，不额外施加任何温控、补水、补光措施。室内无调控的种植情况如图5-16所示。图5-16室内无调控的月季种植情况Fig5-16Chinaroseplantingconditionsindoorswithoutenvironmentalregulation而小型大棚环境中，无系统调控时月季易出现高温休眠，低温冻害等现象。对照组测试结果显示：在山东地区四季自然气候波动下，月季生长状态受极端环境的影响较大：春季容易受低温冻害、光照不足等原因造成叶片变黄；春末夏初常出现高温干旱或强光灼伤叶片；夏季容易遇到高温高湿导致烂根、休眠，冬季则通常会出现冻害、叶片干瘪甚至死亡的情况。这说明在自然环境条件下，温度和光照无法保证一年中月季能够满足全年所需要的条件，同时也体现了本智能管控系统的应用价值。5.3测试结论本次测试完成了系统全维度的功能与性能验证，最终结论如下：系统所有硬件模块都通过了单元测试，各个硬件模块的性能指标均达到设计要求，不同模块间兼容性较好，各硬件电路稳定可靠，无原理性错误和硬件故障。新增异常告警传输模块，能稳定地将月季生长异常信息推送到相应传输服务器上，告警准确率100%，没有漏报、误报情况。系统软件程序逻辑准确，模块化设计适配性强，各核心流程无逻辑错误，运行无卡顿、死机等问题，完全满足系统运行需求。全部完成设置内容，控制逻辑正确，响应速度快，适用于家居场景使用需求；一改传统月季养护中人工费时、人无法守卫的痛点。测试室内、大棚两种不同季节，春夏秋冬四个时段全周期的月季养护中，能够满足月季生长特性和对应养护需求，避免低温冻害、高温灼伤以及干旱烂根等问题发生，测试周期内可保证成活率100%，月季生长质量远远优于人工养护方式，适用于月季无人化养护实际情况。5.4本章小结本章完成了系统的全面调试和功能验证工作，按照分模块调试、全系统联调的思路开展软件调试和硬件调试。通过对各子程序逻辑的准确性和长周期运行的稳定性进行检测；通过对电路故障排查，对各个模块进行功能验证；采用实物测试方式全面验证系统补光、补水、降温、加热四大核心功能，各项功能均达到设计要求且平衡可靠，完成了设计的所有功能目标。

6结论随着智能家居行业的快速发展，家居绿植的智能化养护成为了行业发展的新趋势，针对传统绿植养护中人工依赖度高、无法实现无人值守、养护操作不精准等核心痛点，本设计完成了基于STM32单片机的无人绿植检测与控制系统开发，实现了绿植生长环境的实时监测与全流程无人化智能养护。本设计以STM32F103C8T6单片机为核心主控单元，完成了系统的整体硬件电路设计，硬件部分划分为电源模块、环境参数检测模块、按键模块、显示模块、WIFI通信模块、执行机构模块六大单元，实现了数据采集、人机交互、远程通信、设备驱动的全链路硬件支撑；软件部分采用模块化编程思想，完成了系统主程序、WIFI通信、按键处理、数据采集与自动控制等核心子程序的设计与编写，实现了系统的各项功能逻辑；同时完成了系统的全面调试与功能验证，最终实现了环境参数实时监测、本地与远程双控制、手动/自动模式切换、阈值动态设定、全自动智能养护、历史数据记录等全部设计功能，达到了设计的预期目标。在后续的学习中，我会继续深入学习单片机技术、物联网技术与智能控制算法，不断完善自己的专业知识体系，提升自己的工程实践能力，针对本次设计的不足进行持续优化，让系统的功能更完善、性能更稳定，为智能家居行业的发展贡献自己的一份力量。

参考文献杨美子,陈晨慧,高羽,等.基于单片机的居家无人绿植监护系统设计[J].科技创新与应用,2022,12(22):44-46+50.DOI:10.19981/j.CN23-1581/G3.2022.22.012.莫姜毅,张凯婷,丁洪丰,等.基于STM32的绿植生长环境监控系统设计[J].淮阴师范学院学报（自然科学版）,2022(002):021.陆懿,罗英桀,彭冲,等.基于市场调研的智能化室内绿植产品设计[C]//城市与景观"u+l新思维"国际学术研讨会.华中科技大学,2012.聂思怿.基于物联网的室内立体化绿植养护系统的设计与实现[D].北京邮电大学,2021.IDC.202年中国智能家居市场白皮书[R].北京:国际数据公司,2025.张伟,宋梓源,王明茜.基于STM32智能灌溉系统的设计与实现[J].计算机技术与发展,2020,30(9):5.王权,汪一鸣,王港宁,等.绿植自动灌溉PLC控制程序设计与分析[J].微计算机信息,2018.王昱博.平房仓粮堆表层隔热控温系统试验与模拟研究[D].河南工业大学,2021.何世钧,张路,张弛,等.智能温室自动控制系统的设计与应用[J].河南农业大学学报,2000,34(4):3.马增炜,马锦儒,李亚敏.基于WIFI的智能温室监控系统设计[J].农机化研究,2011,33(2):5.毕卫红,陈鑫.基于GSM的智能温室监测系统[J].电子测量技术,2009(3):3.戴勇,周建平,梁楚华,等.基于AT89S52单片机的多功能智能温室测控系统[J].农机化研究,2009(5):5.何川.基于PLC的智能温室监控系统[D].电子科技大学[2026-03-11].付琼,方璟,蒋红斌,等.数智化渗透背景下的家居设计创新策略[J].家用电器,2026,(01):52-56.王维,罗涛,张瑾.基于AT89C52单片机的智能花房系统[J].微型电脑应用,2018,34(1):3.周敏.光敏电阻在自动照明控制电路中的应用与实现[J].信息与电脑,2025,37(20):113-115.ZhangZ,ZhangC,WangY,etal.AdaptiveMultimodalIntelligentPlantCareSystem[J].ComputerInformatizationandMechanicalSystem,2025,8(6):49-53.DOI:10.12250/JPCIAMS2025091111.

附录A原理图：

附录B部分源程序：#include"led.h"#include"delay.h"#include"sys.h"#include"usart.h"#include"oled.h"#include"key.h"#include"adc.h"#include"ds18b20.h"#include"timer.h"#include"usart3.h"#include"esp8266.h"intadcx0,adcx1; //检测值shorttemper;u16temp_n; u8moshi=0;u16temp_l=15;u16temp_h=35; //设置值 u16humi_l=10;u16humi_h=50;u16ligh_l=200;u8ms_flag,b1_flag; //标志位voidKey_process(){ u8t=0; u8t1=0; t=KEY_Scan(0); //得到键值 t1=KEY_Scan(1); //得到键值 if(t==KEY0_PRES) { OLED_Clear(); moshi++; if(moshi>5)moshi=0; if(moshi==0) { OLED_ShowStr(16,16,"