基于stm32的物联网花卉种植环境监测系统

若该文为原创文章，转载请注明原文出处。

一、引言

（一）研究背景及意义

随着城市化进程加快和生活品质提升，室内花卉种植成为人们美化环境、陶冶情操的重要方式。然而，传统花卉养护依赖人工经验，难以精准控制水、肥、光、温等关键因素，导致植物生长不良甚至死亡。物联网技术的发展为解决这一问题提供了新思路。本系统通过集成多类传感器和执行器，构建了一个能够自动维持花卉最佳生长环境的智能系统，对于推广智慧农业、降低养护门槛、提升种植成功率具有重要的现实意义。

（二）国内外研究现状

目前国内外智能农业系统多集中于大型温室或农田的监控，针对家庭或小规模花卉种植的集成化、低成本解决方案相对较少。现有产品功能单一，或仅具备监测功能而无自动执行能力。本设计创新性地将土壤湿度、PH值、重量（肥力推断） 等参数监测与环境调控深度融合，提供了一个从监测到执行的完整闭环解决方案，填补了市场空白。

二、系统总体设计

（一）系统架构

本系统采用“全面感知-智能决策-精准执行-云边协同”的四层架构。

感知层：负责采集空气温湿度、土壤湿度、土壤PH值、花盆重量、光照强度等多维数据。

决策层：以STM32为核心，进行数据融合、处理、阈值判断和控制决策。

执行层：包括继电器模块（控制风扇、加湿器、水泵、补光灯）、蜂鸣器，负责执行控制指令。

云边协同层：通过WiFi连接云平台，实现数据远程透传和手机APP交互；OLED和按键提供本地交互。

（二）功能模块划分

环境监测模块：DHT11（空气温湿度）、光敏电阻（光照）。

土壤监测模块：土壤湿度传感器、PH传感器。

重量监测模块：压力传感器（HX711）。

执行控制模块：继电器（控制风扇、加湿器、水泵、补光灯）、有源蜂鸣器。

人机交互模块：OLED显示屏、按键。

通信模块：ESP8266 WiFi模块。

三、硬件设计与实现

（一）系统硬件框架图

1. 主控单元 器件名称推荐型号接口功能说明STM32单片机STM32F103C8T6-作为系统核心，负责所有传感器的数据采集、执行种植逻辑、控制各执行器、以及与WiFi模块通信。 2. 传感器与输入单元 器件名称推荐型号/类型接口功能说明温湿度传感器DHT11单总线检测种植环境的空气温度和湿度。土壤湿度传感器电容式传感器ADC检测土壤体积含水量（%）。电容式不易腐蚀，寿命长。输出模拟电压信号。PH传感器PH-4502CADC检测土壤或营养液的PH值。输出模拟电压信号，需通过公式转换为PH值（通常0-14范围）。压力/重量传感器称重传感器 + HX711GPIO (DT, SCK)监测花盆重量。用于判断是否需要浇水或施肥，重量异常减轻可能表示植物缺水。光敏传感器光敏电阻模块ADC检测环境光照强度。输出模拟电压，光线越强电压越高。按键模块轻触开关GPIO用于切换自动/手动模式、设置各参数的报警阈值、手动控制设备。 3. 执行器与输出单元 器件名称推荐型号/类型接口功能说明风扇继电器5V 继电器模块GPIO控制风扇的电源。温度过高时启动，为植物降温。加湿器继电器5V 继电器模块GPIO控制加湿器的电源。湿度过低时启动，增加环境湿度。水泵继电器5V 继电器模块GPIO控制水泵的电源。用于浇水或更换营养液。补光灯继电器5V 继电器模块GPIO控制植物生长灯的电源。光照不足时启动，为植物补光。有源蜂鸣器5V有源蜂鸣器GPIO当任何参数超限或重量异常时，发出报警声，提醒用户。OLED显示屏SSD1306I²C实时显示所有监测数据：空气温湿度、土壤湿度、PH值、重量、光照强度，以及系统状态和报警信息。 4. 通信单元 器件名称推荐型号接口功能说明WiFi模块ESP-01SUARTSTM32通过串口以AT指令与ESP8266通信，将采集到的所有状态数据和报警信息上传至云平台，用户可通过手机APP远程实时监控、手动控制设备、设置阈值。 5. 电源单元 器件名称推荐规格功能说明电源适配器5V/3A 开关电源为整个控制系统（STM32、传感器、模块）提供稳定的5V电源。太阳能板5V/2W可选：为系统提供绿色能源，适合户外或阳台使用。

核心控制逻辑说明

1. 环境智能调控（自动模式）

温度控制：

if (空气温度 > 温度上限) { 启动风扇继电器; } else { 关闭风扇继电器; }

湿度控制：

if (土壤湿度 < 湿度下限) { 启动加湿器继电器; } else { 关闭加湿器继电器; }

PH值调控：

if (PH值 > PH上限) { 启动水泵继电器(换水); 蜂鸣器报警; } //PH值异常需要更换营养液

光照补偿：

if (光照强度 < 光照阈值) { 启动补光灯继电器; } else { 关闭补光灯继电器; }

重量监控：

if (花盆重量 < 重量下限) { 蜂鸣器报警; OLED显示"可能缺水"; }

if (花盆重量 > 重量上限) { 蜂鸣器报警; OLED显示"可能过湿"; }

2. 手动控制模式

通过本地按键强制控制风扇、加湿器、水泵、补光灯的开关。

通过手机APP远程手动控制所有设备，覆盖自动逻辑。

3. 数据上传与显示

STM32定期将所有传感器数据和设备状态通过WiFi上传至手机APP。

OLED屏幕分页面显示所有参数，主要显示内容：

页面1：温度、湿度、光照状态

页面2：土壤湿度、PH值、重量状态

页面3：设备状态、报警信息

四、软件设计与实现

（一）开发环境搭建

IDE：STM32CubeIDE。

库：使用STM32CubeMX配置HAL库，初始化GPIO、ADC、I2C等外设。

驱动与协议：需编写DHT11、HX711、OLED、ESP8266（AT指令）等驱动程序。

（二）系统软件流程图

（三）关键软件模块实现

1. 传感器数据读取与计算

// 读取HX711获取重量值 (需校准)

long HX711_Get_Weight() {

if (HX711_Is_Ready()) {

long count = HX711_Read();

// 校准公式: Weight = (Count - Offset) / Scale

float weight = (count - calibration_offset) / calibration_scale;

return (long)weight;

}

return 0;

}

// 读取PH值 (需校准)

float Read_PH_Value() {

int analogValue = HAL_ADC_GetValue(&hadc1); // 假设PH接在ADC1

float voltage = analogValue * (3.3 / 4095.0); // 转换为电压值

// PH值计算: phValue = (voltage * PH_SLOPE) + PH_OFFSET; 需用标准液校准

float phValue = (voltage * 3.5) + 4.0; // 示例公式，必须校准！

return phValue;

}

2. 自动控制逻辑实现

void Auto_Control_Logic(void) {

// 1. 温度控制

if (air_temperature > temp_high_threshold) {

Fan_On();

} else {

Fan_Off();

}

// 2. 土壤湿度控制

if (soil_moisture < soil_moisture_low_threshold) {

Humidifier_On(); // 打开加湿器（或水泵进行滴灌）

} else if (soil_moisture > soil_moisture_high_threshold) {

Humidifier_Off();

// 土壤过湿，可以附加报警

}

// 3. PH值控制

if (ph_value > ph_high_threshold) {

Water_Pump_On(); // PH过高，启动换水流程（需与排水配合）

// 实际应用中，换水可能需要更复杂的时序控制

} else {

Water_Pump_Off();

}

// 4. 光照控制

if (light_intensity < light_threshold) {

Grow_Light_On();

} else {

Grow_Light_Off();

}

// 5. 重量报警（用于监测积水或过度施肥）

if (pot_weight > weight_threshold) {

Buzzer_On_Intermitent(); // 间歇性报警

} else {

Buzzer_Off();

}

}

3. 云平台数据上报（JSON格式）

void Publish_Sensor_Data(void) {

cJSON *root = cJSON_CreateObject();

cJSON_AddNumberToObject(root, "air_temp", air_temperature);

cJSON_AddNumberToObject(root, "air_humi", air_humidity);

cJSON_AddNumberToObject(root, "soil_moisture", soil_moisture);

cJSON_AddNumberToObject(root, "ph", ph_value);

cJSON_AddNumberToObject(root, "weight", pot_weight);

cJSON_AddNumberToObject(root, "light", light_intensity);

cJSON_AddBoolToObject(root, "fan", fan_state);

cJSON_AddBoolToObject(root, "pump", pump_state);

cJSON_AddBoolToObject(root, "light_ctl", light_state);

char *json_data = cJSON_Print(root);

ESP8266_MQTT_Publish("flower/env/data", json_data);

cJSON_Delete(root);

free(json_data);

}

五、系统测试与优化

（一）测试方案

传感器校准测试：

PH传感器：使用标准PH缓冲液（如PH4.0, PH7.0, PH10.0）进行多点校准，建立电压-PH值对应曲线。

重量传感器：放置已知重量的砝码，校准HX711的Offset和Scale参数。

土壤湿度传感器：在完全干燥和完全浸水的土壤中读取ADC值，确定阈值。

功能与联动测试：

用电吹风加热DHT11，测试风扇是否启动。

干燥土壤中浇水，测试加湿器是否停止工作。

用醋或小苏打溶液模拟PH变化，测试换水泵是否启动。

遮挡光敏电阻，测试补光灯是否开启。

向花盆加重物，测试蜂鸣器是否报警。

云端测试：测试APP能否实时显示数据，并远程控制各执行器开关。

（二）优化方向

软件优化：

历史数据记录与趋势分析：在云平台端记录历史数据，并绘制变化曲线，帮助用户分析植物生长与环境的关系。

浇水策略优化：浇水并非简单的“低于阈值就开”，可采用PID控制或模糊控制，根据土壤湿度变化率动态调整浇水时间，防止过度浇水。

看门狗与断线重连：加入看门狗防止死机，并为ESP8266编写强大的网络重连机制。

硬件优化：

太阳能供电：为系统增加太阳能电池板和小型蓄电池，实现能源自给，更适合户外或阳台部署。

传感器防护：土壤传感器和PH电极需做防腐蚀处理，延长其使用寿命。

六、结论与关键设计

（一）结论

本项目成功设计并实现了一个高度集成、功能强大的智能花卉种植监控系统。系统不仅实现了对花卉生长环境的全方位监测，更建立了从感知到执行的完整闭环自动控制，并通过物联网技术实现了便捷的远程管理。经过测试，系统运行稳定，控制准确，达到了预期设计目标，为现代智能农业和家庭园艺提供了一个优秀的解决方案。

（二）关键设计

传感器校准与精度：

PH传感器： 需要定期校准，使用标准PH缓冲液（PH4.0、PH7.0、PH10.0）进行三点校准。

重量传感器： 需要去皮操作和重量校准，确保测量准确。

土壤湿度传感器： 不同土壤类型的校准值不同，需要根据实际土壤进行校准。

防水设计：

土壤湿度、PH等接触水分的传感器需要做防水处理。

电路板应喷涂三防漆，防止潮湿环境损坏。

控制策略优化：

采用模糊控制或PID算法，避免设备频繁启停。

设置设备最小运行时间，防止短时间內反复开关。

植物适应性：

不同花卉对环境要求不同，APP应提供常见花卉的推荐参数设置。

支持自定义种植方案，可设置不同生长阶段的参数要求。

节能设计：

根据植物光周期自动调节补光时间。

支持定时任务，如在电价低谷时段进行加湿、补水等操作。

用户体验：

APP界面应直观显示植物生长环境数据，提供历史曲线图。

设置智能提醒功能，如"需要浇水"、"需要施肥"等提醒。

支持多设备管理，可同时监控多个花盆。

如有侵权，或需要完整代码，请及时联系博主。

相关知识

基于STM32的花卉大棚环境监测系统设计
探索智能环境监测：基于STM32的温湿度与光照检测系统
基于物联网温室环境监测系统设计.doc
基于STM32的户外环境监测系统（一）
气象环境监测的物联网软件设计
基于物联网的智能花卉栽培系统设计研究.pdf
基于物联网技术的花卉大棚温湿度监测系统
基于STM32单片机的环境监测系统设计与实现
基于STM32单片机的温室环境监测系统设计.pdf
基于物联网的居家环境监测系统设计

网址: 基于stm32的物联网花卉种植环境监测系统 https://www.huajiangbk.com/newsview2555880.html

上一篇: 鄂州花湖机场铁路联络线施工期环境

下一篇: 揭秘环境监测与保护技术：创新与挑