一、前言

1.1 项目介绍

【1】项目开发背景

随着全球人口的不断增长，粮食生产和农业管理的挑战日益严峻。传统农业依赖经验和手工管理，无法实现精确的资源调配和高效的生产模式，这导致了水资源浪费、农作物生长周期不可控、生产成本高等问题。因此，推动农业现代化和智能化成为当前农业发展中的迫切需求。物联网技术、嵌入式系统以及自动化控制技术的应用，为农业提供了更加精准和高效的解决方案，智能农业的兴起为传统农业带来了革新。

近年来，随着传感器技术、无线通信和大数据分析的不断发展，农业生产开始逐渐从传统的人工管理向自动化、智能化方向发展。通过结合各种环境传感器、执行装置和远程通信技术，智能农业系统能够实时监测农作物的生长环境，并依据数据反馈进行自动调节，从而提高农作物的产量和质量，降低人力和水资源的消耗，减少环境污染。

本项目设计一个基于STM32微控制器的智能农作物生长管理系统，集成了多种环境和土壤监测传感器，支持灌溉、补光和环境调节等功能。该系统能够实时采集土壤湿度、环境温湿度、光照强度和二氧化碳浓度等关键数据，并通过无线通信模块将数据上传至云平台，实现数据的远程监控和控制。该系统的实现不仅能够帮助农民高效地管理作物的生长环境，还能通过物联网技术实现农业生产的精准管理，提升农业生产效益。

目前，虽然市场上已有一些基于物联网的农业管理系统，但许多系统存在成本高、功能局限和操作复杂等问题。而本项目的创新之处在于使用低成本的STM32主控芯片和ESP8266-WIFI模块，并结合华为云物联网平台实现数据存储与远程控制，最大限度地降低了系统的成本，同时提高了系统的易用性和可扩展性。这使得该系统不仅适合小规模农场的使用，也具有广泛的推广潜力。

通过本项目的设计与实现，不仅能够为农作物提供实时的生长环境监测，还可以实现自动化灌溉和补光控制，减少人工干预和资源浪费。此外，用户可以通过手机APP和PC端上位机软件进行远程操作，进一步提高了系统的便捷性和管理效率。

本项目的开发不仅具有显著的实践意义，对于推动农业智能化、提升生产效率、节约资源具有重要的应用价值。同时，它也为相关领域的研究提供了技术参考，推动了农业物联网技术的应用和发展。

软件运行效果：

框架图：

系统原理图：

实物模型图：

【2】设计实现的功能

(1) 实时环境数据监测

该系统能够实时监测并采集农作物生长所需的多种环境数据，包括土壤湿度、环境温度、环境湿度、光照强度和二氧化碳浓度。通过集成不同的传感器，系统可以对作物所处的环境进行全面的感知，为后续的自动化控制提供数据依据。

(2) 本地LCD显示数据

系统通过1.44寸SPI协议LCD显示屏实时显示各个传感器的采集数据，包括土壤湿度、温湿度、光照强度和二氧化碳浓度等信息。用户可以直接通过LCD屏查看当前作物环境的状态，便于快速了解农场的实时状况。

(3) 自动与手动灌溉控制

系统支持两种灌溉模式：自动模式和手动模式。在自动模式下，系统会根据土壤湿度传感器反馈的数据自动判断是否需要灌溉，从而启动继电器驱动电磁阀进行自动灌溉；在手动模式下，用户可以通过本地按钮或手机APP手动触发灌溉，控制灌溉时间和水量。

(4) 远程数据监控与控制

通过ESP8266-WIFI模块，系统能够将实时采集的数据上传至华为云物联网平台，用户可以通过Android手机APP或Windows上位机软件，远程查看农场的环境数据并控制灌溉等执行设备。这种远程控制功能极大地方便了农民远离农田的情况下，仍能实时监控和调节作物生长环境。

(5) 补光灯控制

系统支持根据环境光照强度自动控制补光灯的开关。在自动模式下，补光灯会在光照强度低于设定阈值时自动开启，以保证作物在低光照条件下仍能正常生长；在手动模式下，用户可以通过本地按钮或手机APP手动开启或关闭补光灯，确保作物在特殊需求下得到适当的光照。

(6) 模式切换与灵活操作

系统提供自动模式和手动模式两种控制模式，用户可以根据实际需要选择适合的模式。在自动模式下，系统会根据传感器数据进行环境调节，而在手动模式下，用户可以直接控制灌溉和补光等设备。无论是通过本地按钮，还是通过APP或上位机软件，都可以轻松切换控制模式。

(7) 数据上传与云端存储

系统通过MQTT协议将采集的数据实时上传到华为云物联网平台进行存储和分析。这样，用户不仅可以查看当前数据，还能通过云端进行历史数据查询，便于对农作物生长过程进行回溯分析，优化种植策略。（需要额外配置华为云的OBS存储）

(8) 远程报警与通知功能

当环境参数（如土壤湿度、温湿度等）超出预设范围时，系统能够通过云平台向用户发送报警通知，提醒用户及时采取相应的操作。用户可通过手机APP或上位机软件收到报警信息并进行处理，确保作物生长环境始终处于最佳状态。

(9) 数据可视化展示

在手机APP和Windows上位机中，所有采集的环境数据将通过图表形式进行可视化展示，用户可以直观地查看作物生长环境的变化趋势。图表展示功能帮助用户更加精准地分析作物的生长情况，从而作出更加科学的决策。

(10) 系统日志记录与查询

系统能够记录所有的操作日志，包括传感器数据、设备控制操作、模式切换等，并通过APP或上位机软件提供查询功能。用户可以查看历史记录，了解设备的使用情况及系统操作的历史数据，有助于后期的维护与问题诊断。（需要额外配置华为云的OBS存储）

(11) 系统自动校准功能

系统设计了自动校准功能，能够定期对传感器进行自检与校准，确保传感器数据的准确性和稳定性。用户也可以手动触发校准操作，确保长期运行过程中，传感器依旧能够提供高精度的环境数据。

【3】项目硬件模块组成

(1) 主控芯片（STM32F103RCT6）

STM32F103RCT6 是项目中的核心控制单元，负责整个系统的指令处理、数据采集、处理及控制逻辑的实现。它通过多路GPIO、ADC、I2C、SPI等接口与各种传感器和外部设备连接，执行实时的数据处理任务并控制各个模块的工作。该芯片具有较高的运算能力和丰富的外设接口，满足项目对计算和控制的要求。

(2) 土壤湿度传感器

土壤湿度传感器用于实时监测土壤中的水分含量，采用模拟量输出接口，通过STM32的ADC（模数转换）接口读取湿度数据。根据获取的土壤湿度数据，系统可以决定是否进行灌溉，确保作物得到适量的水分。

(3) 环境温湿度传感器（SHT30）

SHT30是一个高精度的温湿度传感器，采用I2C接口与STM32连接，实时采集环境的温度和湿度数据。通过该传感器，系统可以监测周围环境的湿度与温度，提供作物生长的温湿度参考数据。

(4) 环境光照强度传感器（BH1750）

BH1750是一款高精度的数字光强传感器，通过I2C接口与STM32进行数据通信。它能够检测环境中的光照强度，帮助系统判断是否需要开启补光灯，确保作物在光照不足的情况下得到足够的光照。

(5) 二氧化碳浓度传感器（SGP30）

SGP30是一款用于测量空气中二氧化碳浓度的传感器，采用I2C接口与主控芯片STM32连接。二氧化碳浓度对作物的生长有重要影响，该传感器的数据为系统提供空气质量的反馈，用于辅助决策和监控作物生长环境的健康状态。

(6) LCD显示模块（1.44寸SPI协议屏）

该1.44寸SPI协议LCD屏幕用于本地显示传感器采集的实时数据，包括土壤湿度、温湿度、光照强度和二氧化碳浓度等。屏幕的显示能够让用户直接了解作物的环境状态，无需使用其他外部设备。

(7) WIFI通信模块（ESP8266）

ESP8266是一个低成本的WiFi通信模块，采用串口（UART）与STM32进行连接。它负责将采集到的环境数据通过无线网络上传至华为云物联网平台，并接收远程控制指令，实现远程监控和操作的功能。通过ESP8266模块，用户能够方便地进行数据查看和设备控制。

(8) 继电器模块

继电器模块用于控制电磁阀的开关，进而实现自动灌溉功能。通过STM32输出的控制信号，继电器能够控制电磁阀的通断，精确地进行灌溉操作。继电器模块的控制方式可以在自动模式下由土壤湿度决定，或者在手动模式下由用户通过APP或本地按钮控制。

(9) 电磁阀

电磁阀用于控制水流的开启与关闭，是灌溉系统中的关键部件。电磁阀通过继电器模块接收信号，完成水流的控制操作。系统在检测到土壤湿度较低时，会自动开启电磁阀进行灌溉，保证作物获得足够的水分。

(10) 补光LED灯

系统采用白色LED灯作为补光灯源，在环境光强度较低时自动开启补光灯，确保作物在低光照条件下依然能够健康生长。补光灯的开关由环境光强度传感器和控制逻辑决定，系统会根据当前光照强度自动调整补光灯的状态，也可以通过手动控制进行开关操作。

(11) 外部电源模块

整个系统的电源通过外部5V 2A电源供电。该电源能够为STM32单片机、传感器模块、WIFI通信模块以及其他执行部件提供稳定的电力支持，确保系统能够持续稳定地运行。电源模块提供的5V电压满足各个组件的功耗需求。

(12) 按钮输入模块

系统设有物理按钮，用于本地手动控制灌溉和补光灯的开关。用户可以通过按钮直接触发灌溉设备或补光灯的工作，适用于手动模式的控制操作。此外，按钮模块还可用于切换系统的操作模式（自动模式与手动模式）。

(13) 继电器驱动电路

该电路负责将STM32输出的低电平信号转换为驱动继电器所需的高电平信号，继而控制电磁阀等执行器的开关。继电器驱动电路确保了灌溉系统和其他电气设备的正常运行，具备高可靠性和稳定性。

【4】设计意义

随着全球人口的不断增长和环境资源的日益紧张，传统农业面临着巨大的挑战。水资源的浪费、土壤退化、气候变化以及劳动力的不足等问题严重影响了农业生产的效率和可持续性。在此背景下，农业的智能化和自动化成为推动农业现代化的关键。智能农业不仅可以提高资源使用效率，还能降低对环境的负面影响，提升农作物产量和质量。本项目设计的智能农作物生长管理系统，结合现代传感器技术、物联网技术和自动化控制技术，具有重要的社会意义、经济意义和环境意义。

智能农业系统能够有效提高农业生产的效率。传统的灌溉、施肥和监控方式依赖人工，工作量大且容易出现误差。通过设计基于STM32微控制器的自动化系统，可以实时监测土壤湿度、环境温湿度、光照强度等多项环境数据，根据数据自动调节灌溉和补光等条件。这不仅节省了大量的人工成本，还能够减少人为错误，提高管理精度，确保作物在最佳的生长条件下生长。

系统的自动灌溉和补光功能能够显著提高资源使用效率，特别是在水资源的利用方面。传统灌溉方式常常导致水资源的浪费，尤其是在干旱地区或者灌溉条件不佳的地区。通过实时监测土壤湿度，系统能够根据实际需求进行自动化灌溉，避免过度灌溉或不足灌溉，从而有效减少水资源的浪费。同样，补光灯的自动调节能够确保作物在光照不足时得到充足的光照，而在光照充足时避免能源的浪费，优化资源的使用效率。

该系统还能够促进农业生产的可持续发展。通过智能化控制和数据分析，系统能够帮助农民实现精准农业，即根据土壤和环境的具体状况进行个性化管理，降低化肥、农药等投入，从而减少环境污染和土壤退化的风险。系统的远程监控功能也使得农民能够不受地理位置的限制，实时关注农田的状况并作出及时反应，进一步提高了农业管理的灵活性和应对突发状况的能力。

在经济意义上，智能农业系统能够降低农业生产的整体成本。通过自动化的监控和控制，农民无需长时间驻守田地，能够大幅度减少人力成本。同时，智能化的管理方式提高了农作物的产量和质量，从而提升了农产品的市场竞争力。系统的远程控制和数据采集功能也使得农场管理更加高效和科学，能够根据数据趋势和历史记录进行决策，减少不必要的开支，提高经济效益。

本项目的设计对于推动农业智能化的应用具有重要的示范作用。当前，农业物联网技术尚在发展阶段，许多小型农场和农业从业者仍依赖传统的管理方式。通过实现一个低成本、高效能的智能农业管理系统，本项目不仅为小型农场提供了一个切实可行的解决方案，还为相关领域的技术发展和产品创新提供了参考，促进了农业智能化技术的普及与推广。

综上所述，本项目不仅解决了传统农业中存在的诸多问题，还具有显著的社会、经济和环境效益。它为农业生产的现代化提供了一种新的技术路径，推动了农业资源的高效利用，并为农民提供了更好的管理工具，具有重要的现实意义和长远影响。

【5】国内外研究现状

国内外关于农作物生长管理系统的研发与应用已经取得了显著进展，特别是在精准农业领域，这些系统通过集成先进的传感技术、通信技术和自动化控制技术，极大地提高了农业生产效率和产品质量。在中国，随着物联网技术的发展，许多科研机构和企业已经开发出了基于STM32等微控制器的智能农业解决方案，用于监测和管理农田环境参数，如土壤湿度、环境温湿度、光照强度等，并能够根据作物生长需求自动调整灌溉、施肥等操作。例如，农业科技公司推出了一款基于STM32的智能农业环境监测系统，该系统集成了多种传感器，能够实时监控农田环境条件并通过无线网络将数据传输至云端平台，供农户通过手机APP或电脑客户端远程查看和管理。

在国外，智能农业技术的应用同样广泛。美国的一些大型农场已经开始使用高度自动化的管理系统来优化作物生长。比如，一家位于加利福尼亚州的农业技术公司开发了一套完整的农作物生长管理系统，该系统不仅包括了土壤湿度、气温、湿度等基本监测功能，还加入了病虫害预测模型，能够提前预警可能发生的病虫害，从而帮助农民采取预防措施。此外，该系统还能够根据作物生长周期自动调整灌溉计划，有效节约水资源。

在欧洲，也有类似的先进案例。荷兰是世界著名的温室蔬菜和花卉生产国之一，该国的一些高科技温室采用了智能化管理系统，通过精确控制光照、温度、湿度等条件，实现了作物的高效生长。这些温室中安装了大量的传感器和执行器，所有数据均通过局域网或互联网上传至中央控制系统，由专业软件进行分析处理后，自动调节室内环境，确保作物处于最佳生长状态。

上述国内外案例表明，农作物生长管理系统在提高农业生产力方面发挥着重要作用。它们不仅能够实时监测并记录农田环境变化，还能根据作物的具体需求自动调整管理策略，减少了人工干预的需求，降低了生产成本，同时也有利于环境保护。随着技术的不断进步，未来的农作物生长管理系统将更加智能化、个性化，更好地服务于现代农业发展。

【6】摘要

随着农业现代化和智能化的发展，传统农业管理方式面临着水资源浪费、劳动力短缺以及管理效率低下等一系列问题。为了提高农业生产的效率、节约资源并降低成本，本项目设计并实现了一种基于STM32的智能农作物生长管理系统。该系统通过集成多种环境传感器（包括土壤湿度传感器、温湿度传感器、光照传感器和二氧化碳传感器）来实时监测农田的环境状况，并通过自动化控制（如自动灌溉和补光灯控制）来优化作物的生长条件。同时，系统通过ESP8266-WIFI模块将数据上传至华为云物联网平台，支持远程数据监控与控制，用户可以通过Android手机APP或Windows上位机进行远程操作。该系统实现了自动模式和手动模式的灵活切换，能够在自动模式下根据环境变化进行智能调整，或通过手动操作进行干预，提供高效、灵活的农业管理方案。本项目的设计不仅提高了农业生产的精确度和效率，还减少了资源浪费，为农业可持续发展提供了技术支持。

关键字

智能农业；STM32；物联网；自动化控制；环境监测；土壤湿度；远程控制；云平台；节水灌溉

1.2 设计思路

本项目的设计思路基于智能化农业管理的需求，结合现代传感器技术、物联网技术以及自动化控制技术，旨在为农民提供一个高效、便捷的作物生长管理系统。系统通过实时监测土壤和环境参数，结合智能算法进行决策，并通过自动化手段进行作物环境调节，最终实现精准农业管理。项目的设计思路主要围绕以下几个方面进行：

（1）传感器数据采集与处理

设计的核心首先是环境数据的实时采集。通过选用适合农业环境的传感器，如土壤湿度传感器、温湿度传感器、光照强度传感器以及二氧化碳浓度传感器，系统能够实时获取农田环境的关键数据。这些数据将通过ADC（模数转换）和I2C接口传输给STM32微控制器进行处理。STM32微控制器作为主控单元，负责采集这些数据并进行初步的数据处理与分析，形成控制信号或反馈给用户，确保系统根据环境变化做出适时反应。

（2）数据分析与控制逻辑设计

系统设计中，数据采集不仅仅是为了展示实时信息，更重要的是能够根据这些数据进行智能决策。通过编写相应的控制算法，当传感器数据（如土壤湿度）超出预设的阈值时，系统会自动启动相应的控制动作（如自动灌溉或补光灯控制）。例如，在土壤湿度低于设定阈值时，系统会自动启动继电器控制电磁阀进行灌溉；在环境光照不足时，系统会自动启用补光灯。通过这种自动化的决策逻辑，系统可以大大减少人工干预，提高管理效率，并降低资源浪费。

（3）自动化与手动控制模式切换

为了满足不同使用场景下的需求，系统设计了自动控制模式和手动控制模式。自动模式下，系统会根据实时数据自动判断并调整作物生长环境，如进行自动灌溉和补光；在手动模式下，用户可以通过本地按钮或远程控制（APP和上位机）手动控制灌溉、补光等设备。设计这种灵活的控制模式，确保用户可以根据实际需要选择适合的操作方式，既能享受智能自动化带来的便利，也能在特殊情况下进行人工干预。

（4）数据远程监控与云平台集成

为了实现远程监控和管理，系统集成了ESP8266-WIFI模块，它可以将采集到的环境数据通过MQTT协议上传到华为云物联网平台。这样，农民或用户不仅可以通过本地LCD显示屏查看实时数据，还能通过Android手机APP或Windows上位机进行远程数据查看和控制。这一设计思路使得用户能够随时随地了解作物的生长状况，并根据需要进行控制，极大提升了管理的灵活性和便捷性。

（5）数据存储与历史数据分析

云平台集成的一个重要功能是数据存储与历史数据分析。系统上传的数据将被实时存储在云端，这不仅方便用户随时查看当前数据，还能进行历史数据查询和分析。通过对历史数据的分析，用户可以更好地了解作物的生长趋势，调整管理策略，并优化灌溉、光照等操作，以提高作物的产量和质量。数据的长期积累与分析也为智能农业的优化提供了数据支持。（这需要额外配置华为云的MySQL数据库或者OBS存储库才可以实现）

（6）系统的低成本与高可扩展性

在硬件选择上，本项目采用了低成本的STM32F103RCT6芯片，结合常见且价格适中的传感器，如SHT30、BH1750和SGP30等，确保系统在保证功能完备的同时，具备较高的性价比。同时，系统设计具有良好的可扩展性，用户可以根据实际需求灵活增加或替换不同类型的传感器和控制设备，如增加土壤温度传感器或风速传感器等，从而实现更加全面的环境监控。

（7）节水与节能设计

考虑到农业资源的有效利用，本项目特别注重节水和节能的设计。在灌溉方面，系统根据土壤湿度自动判断是否需要灌溉，避免了水资源的浪费；在补光灯控制方面，系统根据环境光照强度自动开启或关闭补光灯，确保作物得到适量的光照，而不浪费能源。这些设计将有助于提高作物的生产效率，并减少不必要的资源消耗。

（8）总结

本项目的设计思路从用户需求出发，结合现代物联网技术、自动化控制技术以及智能算法，旨在提供一个低成本、高效能、易操作的智能农业解决方案。通过实时数据采集、自动控制、远程监控和云端管理等功能，系统不仅提高了农业管理的效率，也为农民提供了更加精确和便捷的作物管理手段，推动了农业生产的智能化和可持续发展。

1.3 系统功能总结

1.4 开发工具的选择

【1】设备端开发

STM32的编程语言选择C语言，C语言执行效率高，大学里主学的C语言，C语言编译出来的可执行文件最接近于机器码，汇编语言执行效率最高，但是汇编的移植性比较差，目前在一些操作系统内核里还有一些低配的单片机使用的较多，平常的单片机编程还是以C语言为主。C语言的执行效率仅次于汇编，语法理解简单、代码通用性强，也支持跨平台，在嵌入式底层、单片机编程里用的非常多，当前的设计就是采用C语言开发。

开发工具选择Keil，keil是一家世界领先的嵌入式微控制器软件开发商，在2015年，keil被ARM公司收购。因为当前芯片选择的是STM32F103系列，STMF103是属于ARM公司的芯片构架、Cortex-M3内核系列的芯片，所以使用Kile来开发STM32是有先天优势的，而keil在各大高校使用的也非常多，很多教科书里都是以keil来教学，开发51单片机、STM32单片机等等。目前作为MCU芯片开发的软件也不只是keil一家独大，IAR在MCU微处理器开发领域里也使用的非常多，IAR扩展性更强，也支持STM32开发，也支持其他芯片，比如：CC2530,51单片机的开发。从软件的使用上来讲，IAR比keil更加简洁，功能相对少一些。如果之前使用过keil，而且使用频率较多，已经习惯再使用IAR是有点不适应界面的。

【2】上位机开发

上位机的开发选择Qt框架，编程语言采用C++；Qt是一个1991年由Qt Company开发的跨平台C++图形用户界面应用程序开发框架。它既可以开发GUI程序，也可用于开发非GUI程序，比如控制台工具和服务器。Qt是面向对象的框架，使用特殊的代码生成扩展（称为元对象编译器(Meta Object Compiler, moc)）以及一些宏，Qt很容易扩展，并且允许真正地组件编程。Qt能轻松创建具有原生C++性能的连接设备、用户界面（UI）和应用程序。它功能强大且结构紧凑，拥有直观的工具和库。

1.5 参考文献

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1.6 系统框架图

1.7 系统原理图

1.8 实物图