摘要 传统的农场管理模式涉及大量人力物力和精力的投入，不仅造成了人力资源的浪费，还对生态资源产生了破坏性的影响。另一方面，由于自然环境和人为等多种因素的制约，传统的农业无法充分满足民众的生活需求。为了有效应对这些问题，本文提出了“智能农场”的理念。通过智能管理，实现农业环境的自动化监测、农业可视化远程诊断、远程控制、灾变预警等，同时建立农业信息服务的可视化传播与应用模式，智能农场能够实现对农业生产环境的远程精准监测和控制，从而提高设施农业建设管理水平。

关键字 ESP32；智能农场；物联网；MQTT

1 前言

本文利用MQTT协议和物联网技术，构建一个智能农场一体化自适应系统，实现农场的数字化、智能化和高效化管理，旨在提高农业生产效率和品质，降低成本和资源消耗，推动农业的可持续发展。

本方案的核心产品是一个由主控芯片ESP32、温湿度传感器、水位传感器、雨滴传感器、阳光传感器等组成的智能农场终端设备，以及一个MQTT物联网接入平台搭建的云端管理系统。智能农场终端设备可以通过WiFi连接到云端管理系统，并通过MQTT协议实现数据的双向通信。云端管理系统可以实时接收和处理终端设备上报的农场环境参数，并根据预设的规则和算法自动下发控制指令，启动水泵抽水到土壤。同时，云端管理系统还提供了一个可视化的Web界面，供用户远程监测和控制智能农场的运行状态。此外，智能农场终端设备还带有一块OLED屏幕，可实时显示农场的各项参数。通过利用MQTT协议和物联网技术，将能够构建一个高效、智能、数字化的农场管理系统，以满足人们的生活需求并保护生态环境，降低资源消耗和成本，同时实现农业的可持续发展。

2 系统功能

本系统实现的功能如下：

（1）监测空气温度、湿度，自动将检测的数据传输到后台网站并自动绘制线性统计图。

（2）监测士壤湿度保持在 500-800区间，若士壤湿度低于500，系统自动发生警报并自动启动水泵，为农作物提供浇水，当士壤湿度达到规定值时，浇水系统自动停止。

（3）监测农作物的光照保持在 10-50区间，若光照强度高于50时，系统自动报警并自动启动遮阳板，为农作物提供遮阳，当光照强度达到规定值时，遮阳板自动收回，保证农作物的光照时间及条件，低于10时，系统发生报警并自动开启补光灯。

（4）监测农作物生长环境的CO2浓度保持在 200-500区间，若 CO2浓度高于500，系统自动报警，并自动启动排风扇，当CO2达到规定值时，排风扇自动停止，保证农作物的CO2的生长环境。

（5）各传感器实时监测数据并发送给后台网站，后台系统自动储存并绘制出线性统计图，用户可通过网站时事观察农作物的生长环境。

（6）用户可在后台主动启动、关闭各继电器，保证用户可以实施控制农作物的生长环境。

（7）各传感器规定区间可自行设置，可以满足各种农作物的生长环境。

3 系统模块设计

3.1智能温控系统

为了能检测农场环境的温湿度，本系统使用了 DHT11 温湿度传感器，该传感器的温度测量范围为0～50℃，误差为2℃；湿度测量范围为在 0℃时为30%-90%RH，环境温度为 25°C时，湿度测量范围为20%- 90%RH，在50°C时，测量范围是20%-80%。DHT11温湿度传感模块相较于传统的传感器而言具有更大的测量优势，例如可实现温度和湿度信息的同时测量，因而相较于传统的测量系统而言结构更为简单，且可有效节省与单片机的通信结构，具有较强的抗静电、抗于扰、防止和其它不相千设备互相连接等诸多的保护功能，同时拥有着特别强的恢复功能，也拥有着对一些胺碱环境气体等抵抗的手段[1]。

本系统能实现温室内的温度和湿度实时监测，一旦监测到温度或湿度超出预设范围，将立即启动风扇进行调节，确保温室内环境维持在适宜的水平。

3.2 智能光控系统

为了能检测到光照强度，本系统使用了光敏传感器。光敏传感器是用硫化镉或硒化镉等半导体材料制成的特殊电阻器，其工作原理是基于内光电效应。光照愈强，阻值就愈低，随着光照强度的升高，电阻值迅速降低，亮电阻值可小至1KΩ以下。光敏电阻对光线十分敏感，其在无光照时，呈高阻状态，暗电阻一般可达1.5MΩ[2]。ESP32主板实现串口打印显示光照强度，并且如果判断光照过低时，及时自动开启灯光进行补光，保证光照的强度和时间适合。

3.3 自动灌溉系统

为了检测土壤的湿度，本系统使用了土壤湿度传感器模块，其有两个铜条是传感器探头，将其插入土壤可以检测到水分。土壤湿润，导电性越好，反映出它们之间的电阻越低。土壤干燥，导电性就相对差一点，因此它们之间的电阻越高[3]。本系统利用土壤湿度传感器检测土壤湿度，并根据土壤的湿度情况，完成自动灌溉的功能。

3.4智能雨控系统

雨滴传感器是一种传感装置，主要用于检测是否下雨及雨量的大小。输出形式：数字值输出（0和1）和模拟值A电压输出，使用LM393双电压比较器，当传感器连接到5V电源时，感应板上没有水滴，D输出处于高电平。当滴下液滴时，D输出处于低电平。如果我们刷掉水滴，输出将返回高水平状态[4]。

雨滴传感器模块，A模拟输出可以检测上面雨滴的大小。 D数字输出可以检测是否有雨，通过调节阀值大小来调节D数字输出。雨滴越大获取的模拟值越小。

3.5 水位报警器

水位传感器模块，其原理是水位传感器根据水位高度的变化，其电阻值也相应变化。水位传感器模块的输出量是模拟量，输出最大电压为5V，输出最小电压为0V。此模块应与Arduino的模拟端口相接，可以作为水位量的检测，也可以设置某一水位值，当水位超过设定值时，通过蜂鸣器报警。

3.6 触碰防盗传感器：

触碰传感器模块实质为一个微型快动开关，即广为人知的微型开关，是一种由很小的物理力启动的电子开关。它能够直接连在单片机上。它将负载电阻同LED指示灯整合在一起。这使 得对他进行测试更为简单。当有物理压力触发开关闭合时，板上的LED指示灯会亮起。触碰传感器的原理比较简单，当被外力触发闭合时，开关闭合，模块输出低电平；当撤销外力时，开关被打开，模块输出高电平。

3.7 智能显示系统：

本系统利用 OLED 显示屏，把所有传感器检测的数据都显示出来。

3.8 智能监测系统：

使用APP Inventer制作手机APP，并把农场环境质量等数据显示在APP上。通过远程监控，无论在什么地方，都可以使用手机APP查看农场的状况。

4 结束语

本系统采用了MQTT协议和物联网技术，将传统的农业生产方式与现代信息技术相结合，打造了一个智能农场一体化自适应系统，具有较强的创新性和先进性。本系统针对农业生产中的实际问题和需求，设计了一个简单易用、功能齐全、成本低廉、效果显著的解决方案，具有较强的实用性和市场潜力。本系统基于EMQX Cloud平台，享受其提供的高可用、高性能、高安全、高扩展等服务保障，保证了系统的稳定运行和数据安全。本系统基于ESP32芯片，实现了低功耗、高性能、多功能的智能农场终端设备，支持WiFi连接和OTA升级。

参考文献

[1]王彩萍，吴燕，李育荣，蔡逸辰.基于物联网的智慧农场监测app的设计与实现[J].现代农业研究，2022，28（05）：11-13.

[2]李国利，周创，牟福元.基于ESP32的温室大棚环境远程监控系统设计[J].中国农机化学报2022，43（03）：47-52.

[3]张子财，张胜田，佟向坤.基于ESP32的农业定点灌溉节水系统[J].现代信息科技，2022，6（11）：172-175.

[4]罗长英，林仰洪，廖明华.基于Wi-Fi的智慧农业监控系统的设计与实现[J].广东交通职业技术学院学报，2022，21（04）：88-91.

项目：基于ESP32的智能农场系统的设计，202313208214，2023年大学生创新创业训练计划项目。