[TOC]

一、前言

1.1 项目介绍

【1】项目开发背景

在现代农业中，植物育苗是影响农作物产量与质量的关键阶段之一。由于室内环境相较于室外环境而言，更易于控制和管理，因此越来越多的育苗项目选择在室内进行。然而，植物育苗过程对环境条件的要求极为严格，环境温度、湿度、光照强度、二氧化碳浓度、土壤湿度等因素的变化都会直接影响植物的生长速度和品质。因此，设计一个基于STM32的室内育苗环境管理系统，旨在通过自动化与远程管理来实现精确、高效的育苗环境控制。

本系统的核心控制器选用STM32F103RCT6微控制器。其强大的性能和丰富的外设资源使得它能够高效地采集多种传感器数据，并实现复杂的控制逻辑。系统通过集成多个传感器，如BH1750用于检测环境光强、SHT30用于监测环境温湿度、SGP30用于检测二氧化碳浓度，以及土壤湿度传感器来获取土壤水分状态。这些数据的实时采集可以全面监控植物育苗环境的各个方面，为植物生长提供精准的环境数据支持。

在本地显示方面，系统配置了一块1.44寸SPI协议的LCD显示屏，用于实时展示采集的传感器数据，让用户能够一目了然地了解当前育苗环境的状态。此外，系统配备有本地控制按钮，用户可手动触发灌溉操作。同时，系统支持自动与手动两种控制模式，自动模式下，灌溉操作会依据土壤湿度的检测结果智能决定是否需要浇水，从而避免了过度或不足的灌溉。补光灯也可以在光照不足时自动开启，确保植物获得充足的光照支持，而在手动模式下，用户也可以通过本地按钮或远程APP进行手动控制。

为了实现远程监控与控制，系统采用ESP8266模块进行网络连接，并与华为云IOT物联网平台进行数据交互。通过MQTT协议上传采集的数据至云端，使用户可以在Android手机APP或Windows上位机软件上查看实时数据，并远程控制灌溉等操作。这种远程监控和控制的能力极大地提高了管理效率，使用户可以随时随地了解育苗情况并作出相应操作，减少了人工管理的成本和难度。

该项目不仅满足了室内育苗环境的智能化管理需求，还通过集成云端服务和本地管理，显著提升了整个育苗过程的精准性、自动化和便捷性。其目标是提供一个稳定、高效的环境管理解决方案，助力现代农业技术的发展，提升植物育苗的产量和品质。

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) 支持实时检测环境参数，包括土壤湿度、环境温度、环境湿度、环境光强以及二氧化碳浓度等信息，确保全面监控育苗环境。

(2) 在本地通过1.44寸SPI协议LCD显示屏，实时显示各传感器采集到的数据，方便用户随时查看育苗环境的状态。

(3) 支持本地手动控制灌溉功能，用户可以通过按钮触发继电器，控制电磁阀对灌溉区域进行喷洒灌溉，方便灵活地管理植物的水分需求。

(4) 支持远程控制灌溉功能，用户可通过Android手机APP和Windows上位机软件远程触发灌溉，实现便捷的育苗管理。

(5) 通过ESP8266-WIFI模块，设备与华为云IOT物联网平台进行联网，并使用MQTT协议上传传感器数据到云端，确保实时数据传输和远程访问能力。

(6) 设计Android手机APP和Windows上位机软件，支持远程查看设备上传的数据以及远程控制灌溉功能，增强管理的灵活性和便捷性。

(7) 系统支持手动模式和自动模式两种操作方式。手动模式下，用户可以通过本地按钮或远程控制进行灌溉。自动模式下，系统根据土壤湿度传感器的检测结果，自动判断是否需要启动灌溉，从而实现自动化管理。

(8) 支持补光灯的自动控制。自动模式下，系统根据环境光照强度自动开启或关闭补光灯，为植物提供适宜的光照环境。手动模式下，用户也可以通过本地按钮或远程APP手动控制补光灯的开关。

(9) 系统采用继电器控制电磁阀，实现对灌溉喷头的精确控制，确保灌溉过程稳定可靠。

(10) 系统供电采用外部5V 2A电源，确保设备稳定运行。

【3】项目硬件模块组成

(1) 主控模块：STM32F103RCT6微控制器

负责整个系统的核心控制与数据处理，管理传感器数据采集、控制逻辑和外设的交互。

(2) 环境光强传感器模块：BH1750

用于检测环境光照强度，为控制补光灯的自动开关提供数据支持。

(3) 环境温湿度传感器模块：SHT30

用于监测育苗环境中的温度和湿度，提供全面的环境参数信息。

(4) 二氧化碳检测模块：SGP30传感器

检测育苗环境中的二氧化碳浓度，帮助评估空气质量和植物生长环境条件。

(5) 土壤湿度传感器模块

采用模拟量接口的土壤湿度检测传感器，用于监测土壤的湿润程度，提供灌溉的依据。

(6) LCD显示模块：1.44寸SPI协议LCD显示屏

用于本地显示各传感器的数据和系统状态，便于用户监控育苗环境。

(7) 联网模块：ESP8266-WIFI模块

负责设备与华为云IOT物联网平台的连接，实现数据上传和远程控制功能，使用MQTT协议进行通信。

(8) 继电器驱动模块

用于控制电磁阀，管理灌溉系统中的喷水头开启与关闭。

(9) 补光灯模块：白色LED灯

用于提供育苗环境所需的补光，支持自动和手动控制。

(10) 本地控制按钮模块

用于在手动模式下本地触发灌溉或补光灯开关，提供便捷的控制手段。

(11) 电源模块

外部5V 2A电源为整个系统提供稳定的供电，确保各模块正常运行。

【4】设计意义

随着现代农业的快速发展，智能化、自动化的环境管理系统在农业领域中的重要性日益凸显。植物育苗作为农业生产的起始阶段，对环境条件的要求尤为严格。如何提供适宜的温湿度、光照、土壤湿度等环境因素直接影响到植物的生长质量和后续的产量表现。因此，本项目设计了一套基于STM32的室内育苗环境管理系统，通过智能化手段实现对育苗环境的精准管理和自动化控制，降低人力投入、提高管理效率，并为现代农业生产提供更具竞争力的解决方案。

本系统的设计具有多重意义。通过集成多种传感器，系统能够实时监测环境中的关键参数，如光照强度、温湿度、土壤湿度和二氧化碳浓度等，为育苗提供全面的环境数据支持，保障植物的健康生长。相比于传统手工管理方式，这种自动化的检测和反馈机制能够显著减少人工干预，提高环境调控的精准性和稳定性。

通过使用ESP8266模块实现设备与云平台的连接，系统具备了远程监控与控制的能力。用户可以在不同地点通过手机APP或电脑上位机查看实时数据、控制灌溉和补光等操作。这种功能不仅提升了系统的管理效率，还极大地增强了用户体验，方便了育苗过程的精细化管理。同时，借助MQTT协议和华为云IOT平台的支持，系统能够实现数据的实时上传与存储，便于数据的历史追溯和分析，为进一步优化育苗环境提供可靠的数据支撑。

本系统支持手动和自动两种工作模式，灵活性较强。用户既可以选择自动模式下由系统根据土壤湿度等数据进行自动灌溉和补光，也可以通过本地按钮或远程设备手动控制，从而满足不同使用场景下的需求。自动模式能够根据植物生长需求进行精准管理，降低了灌溉用水量和能耗，达到资源节约和高效管理的目的。

该系统的设计对促进现代农业智能化发展具有重要意义。它不仅为植物育苗提供了智能化的环境管理手段，还为农业信息化、自动化和远程监控的发展方向提供了典范。通过技术手段提升育苗管理的精准度与便捷性，有望进一步提高农业生产的质量和效率，为农业现代化进程贡献力量。

【5】国内外研究现状

在全球范围内，智能农业技术的研究与发展正迅速推进，特别是大棚育苗管理系统的智能化趋势愈发明显。许多国家和地区都在积极探索如何利用先进的传感技术、自动化控制以及物联网技术来改善农业生产效率和产品质量。在中国，随着“互联网+农业”政策的推动，越来越多的企业和科研机构投入到智慧农业的研发之中。例如，北京某农业科技公司就推出了一套基于物联网技术的智能温室控制系统，该系统能够实现对温室内部环境的全方位监控，并通过手机APP提供远程管理服务。用户可以通过这个平台实时查看温室内温度、湿度、光照等数据，并根据需要远程调整相关设置，如开启通风扇或加热装置，从而为植物创造最佳生长环境。

而在国际上，荷兰被誉为农业科技创新的领头羊，特别是在温室技术方面处于世界领先地位。荷兰的温室农业已经实现了高度自动化和智能化，其中一项著名的技术是由Priva公司提供的气候控制系统。Priva的解决方案涵盖了从环境监测到灌溉、施肥等多个环节，能够根据不同作物的具体需求制定个性化管理计划。通过使用高精度传感器和复杂的算法模型，该系统能够准确预测作物生长周期中的变化，并提前做出调整，从而达到节水节能的效果。此外，Priva还开发了用户友好的界面和移动应用程序，让农民可以随时随地掌握温室动态，大大简化了日常管理工作。

另一个值得注意的例子来自美国，那里的一些初创企业正在尝试利用人工智能技术改进农作物的种植方式。例如，位于硅谷的一家农业科技公司FarmWise开发了一款基于AI的机器人，这款机器人能够在田间识别并清除杂草，同时收集关于土壤健康状况的数据。虽然这项技术主要应用于露天农田而非温室大棚，但它展示了未来农业可能的发展方向——即通过结合机器学习与大数据分析，实现对作物生长环境更加精细的管理。

除此之外，以色列也是一个值得提及的国家，它在滴灌技术和水肥一体化方面有着丰富的经验和先进的研究成果。Netafim是一家总部位于以色列的跨国公司，专注于提供高效的灌溉解决方案。他们推出的智能灌溉系统可以与气象站相连，根据天气预报自动调整灌溉计划，避免过度浇水造成的资源浪费。尽管Netafim的产品线主要面向大型农场，但其背后的理念和技术同样适用于温室栽培，为提高水资源利用率提供了宝贵的经验。

综上所述，无论是国内还是国外，针对智能农业尤其是大棚育苗管理领域的研究都非常活跃，涌现出了一批批具有前瞻性的技术和产品。这些案例表明，通过集成最新的信息技术与传统农艺实践相结合，不仅可以显著提升农业生产效率，还能更好地应对气候变化带来的挑战，为保障全球粮食安全贡献一份力量。随着相关技术的不断成熟和完善，预计未来的智能农业将迎来更为广阔的应用前景。

【6】摘要

本项目设计了一套基于STM32的室内育苗环境管理系统，旨在实现育苗环境的智能化、自动化控制。系统通过集成环境光强传感器、温湿度传感器、二氧化碳传感器和土壤湿度传感器，实现对光照、温湿度、土壤湿度和空气质量的实时监测。数据通过ESP8266模块上传至华为云IOT平台，用户可通过Android手机APP和Windows上位机软件进行远程监控与控制。系统支持手动与自动模式的灌溉及补光控制，结合本地显示和控制按钮，实现了灵活高效的育苗环境管理。项目整体设计注重环境精细化管理、远程监控及自动化调节，为现代农业提供智能化解决方案。

关键字：

STM32，育苗环境管理，自动控制，物联网，ESP8266，MQTT协议，远程监控，华为云IOT

1.2 设计思路

项目的设计思路主要围绕构建一个基于STM32的智能育苗环境管理系统展开，目标是通过实时监测和控制，实现对室内育苗环境的自动化、精确化管理。设计思路涵盖了硬件模块的选型与功能实现、数据采集与传输、控制策略设计等多个方面，以满足育苗过程中对环境因素的全方位监控和管理。

在硬件模块选型方面，项目选择STM32F103RCT6作为主控芯片。STM32系列具备强大的处理能力和丰富的外设接口，能够稳定地采集并处理来自多个传感器的数据，同时控制外围设备的工作状态。系统集成了多种传感器模块，包括环境光强传感器BH1750、环境温湿度传感器SHT30、二氧化碳传感器SGP30以及土壤湿度传感器等，以实现对育苗环境关键参数的全面监测。这些传感器通过I2C、SPI、模拟输入等接口与STM32相连，主控芯片会定时采集各个传感器的数据，并实时分析处理。

为了实现对育苗环境的自动化控制，设计思路明确了手动和自动两种控制模式。在自动模式下，系统会根据土壤湿度、光照强度等参数自动触发灌溉或补光操作。具体来说，当土壤湿度低于设定的阈值时，系统会通过继电器控制电磁阀开启灌溉；同样，当环境光强低于设定值时，系统会自动开启补光灯。手动模式下，用户可以通过本地的按钮或远程的APP/PC端软件手动控制灌溉和补光功能，为不同场景下的管理需求提供灵活性支持。

在数据传输与远程控制方面，系统设计采用ESP8266模块实现与华为云IOT物联网平台的连接。借助MQTT协议，传感器数据能够实时上传到云端，用户可以通过设计的Android手机APP或Windows上位机远程查看育苗环境的数据并进行控制。这样一来，不论用户身在何处，都可以实时掌握育苗环境的状态，并对异常情况作出及时响应，提高管理的便捷性与有效性。数据上传至云平台后，还可实现历史数据的存储和分析，为后续的环境优化提供可靠依据。

在本地显示与交互方面，系统通过1.44寸SPI协议的LCD显示屏实时显示传感器数据与系统状态，让用户能够快速了解当前环境信息。同时，本地控制按钮提供了直接控制功能，可以在断网或网络不稳定的情况下依然实现基本的管理操作。

电源管理上，系统采用5V 2A的外部供电，以确保设备长时间稳定运行。同时，为避免复杂的电路设计影响系统的稳定性，整个设计注重模块化，每个硬件部分都经过优化设计，以减少互相干扰并提升可靠性。

本项目的设计思路以智能化、自动化、便捷化为核心，依托物联网技术和现代控制手段，为育苗环境提供精准、智能的管理方案。通过硬件和软件的协同工作，实现了对植物育苗环境的精细化控制，满足了实际应用中的多种需求。

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