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摘要：随着农业大棚技术的不断发展，草莓大棚种植也大规模兴起。基于STM32单片机的草莓大棚监测系统首先通过DHT11温湿度模块、BH1750光强传感器、土壤湿度传感器和CCS811二氧化碳浓度传感器对草莓大棚内的温湿度、光照强度、土壤湿度和二氧化碳浓度等各种环境物理量进行实时检测；然后，通过USART串口通信和IIC通信等方式将数据上传至单片机，并通过LCD显示屏显示数据；最后，通过ESP8266WIFI模块将数据上传至用户手机，实现远程监测。该系统能够实现对草莓大棚内环境物理量的实时测量和监测，可广泛应用于各种农业大棚监测的场景，比如草莓大棚、蔬菜大棚等。

关键词：STM32单片机；传感器；USART串口通信；IIC通信

1 绪论

草莓是一种常见的水果，它凭借着酸甜可口的味道和丰富的营养价值，受到了人们的喜爱。同时，草莓还有较高的经济价值，近年来大规模草莓种植在我国各个地方逐渐兴起。我国草莓产量虽然遥遥领先，但是由于草莓有着较长的生长周期，使得草莓生长环境中的环境物理量因素对草莓的生长有着较大的影响。草莓生长过程中对生长环境中的各种环境物理量较为敏感，然而传统的大棚种植方法无法控制草莓生长环境中的物理量因素，因此，我们国家的草莓质量相对较差。为了解决这些问题，需要改变传统的农业种植方式，以满足人们在不同季节对水果和蔬菜多样性的需求，并确保作物的品质。温室大棚的兴起是为了让各种水果和蔬菜可以在不受季节和地域限制的情况下，保持品质的同时得以生长。然而，大部分国内农户在温室大棚管理上完全凭借自身感觉，缺乏科学依据。因此，草莓温室大棚智能化和物联网化对于提升草莓品质并提高草莓产量具有至关重要的作用。

21世纪以来，人们不断加深对温室大棚智能化的研究，并通过建立数学模型来研究各种环境物理量对农作物生长的影响。Milos Djordjevic等[1]提出了一个智能温室监控数据记录仪系统，实现对农场温室的自动控制。该系统基于一组内置传感器，一个以外围接口（ PIC ）为核心的微控制器和一个服务器系统以及一个采用通用分组无线业务（ GPRS ）的全球移动通信系统（ GSM ）模块作为通信协议的无线互联网；Song Mi Hwa[2]提出了一种基于物联网传感器和数据分析的智能温室决策支持模型和系统。智能温室系统监测周围多个环境因子，分析气候和土壤条件数据，通过各种传感器实时测量的数据根据需要通知智能手机或智能手表，当室内空气质量变差或湿度超过适宜值时，通过操作风机实现室内自动园艺；Konstantinos Tzerakis等[3]提出了一个基于物联网的监测系统，通过连接在微控制器上的智能传感器进行数据采集，用于获取土壤水分、土壤电导率、土壤温度和气象数据，能够为农民提供决策信息，并应用于自动化灌溉系统。

在国内，王彩凤等[4]针对夏季高温天气下草莓大棚内温度过高所导致的草莓产量下降的问题，研发了一套草莓大棚温度自动控制系统，该系统使用高性能的进口温度传感器来采集大棚内的温度数据，并将采集的数据发送到智能温度控制器（ITC），在智能温度控制器中将测量的温度值与所设置的温度阈值相比较，如果温度值高于阈值，自动打开喷雾装置，从而使大棚内的温度降低，从而达到了草莓大棚内温度的可控调节的目标；张大兵[5]提出应用智慧农业技术，能运用传感器对蔬菜大棚进行温度、湿度和CO2 浓度等进行必要监测，再根据必要监测数据进行模拟与计算，观测可能出现对农作物进行影响的主要变化因素，以保证蔬菜大棚种植经营者根据监测结果进行精准施策，减少蔬菜大棚种植风险，有效预防病虫害；师喏等[6]依靠物联网技术，使用物联网三层架构，以STM32单片机为主控制器，使用传感器进行数据采集，再搭配上蓝牙技术，将传感器测得的数据上传至手机APP，通过手机APP用户可以对大棚内的各种环境物理量因素进行实时远程监测，从而在大棚内的环境物理量因素超出预期值范围时及时进行调节，进而避免自然条件对农作物生长影响。

2 系统硬件电路设计

2.1 监测系统原理图和PCB图

该监测系统的硬件电路部分由PCB电路板和传感器以及外设两部分组成。其中PCB电路板部分使用Altium Designer设计完成，包含原理图和PCB图两部分，在Altium Designer软件上绘制好原理图和PCB图后，通过加工得到PCB电路板，使用PCB电路板可以让该监测系统在大棚复杂的环境中有较长的使用寿命。该检测系统的PCB电路图如图1所示。

2.2 传感器以及外设

为了实现对草莓大棚内各种环境物理量进行监测，该检测系统配备了多个传感器以及外设，其中包括：

（1）主控模块：以STM32F103C8T6最小系统作为该监测系统的主控模块。STM32F103C8T6是STM32系列单片机中使用最为广泛的主控芯片之一，它具有高性能、低功耗和广泛的应用领域等特点，同时该芯片具有多个外设，包括多达37个通用I/O引脚，多个通用定时器，USART、SPI、IIC等通信接口，ADC、DAC等模拟和数字信号处理功能。

（2）温湿度采集硬件电路设计：选择DHT11温湿度传感器来采集草莓大棚内的空气温湿度数据。在硬件电路设计上，DHT11的+极引脚和STM32F103C8T6单片机的5V引脚相连接，DHT11的-极引脚和STM32单片机的GND引脚相连接，DHT11的OUT引脚和STM32单片机的PA11引脚相连接。

（3）土壤湿度采集硬件电路设计：使用HW-390传感器模块来测量草莓大棚内的土壤湿度。在硬件电路设计上，HW-390电容式土壤湿度传感器的+极引脚和STM32F103C8T6单片机的5V引脚相连接，HW-390电容式土壤湿度传感器的-极引脚和STM32单片机的GND引脚相连接，HW-390电容式土壤湿度传感器的AOUT引脚和STM32单片机的PA0引脚相连接。

（4）光照强度采集硬件电路设计：使用BH1750光强度传感器来测量大棚内的光照强度。在硬件电路设计上，BH1750光强度传感器的VCC引脚和STM32F103C8T6单片机的5V引脚相连接，BH1750光强度传感器的GND引脚和STM32单片机的GND引脚相连接，BH1750光强度传感器的SCL引脚和SDA引脚分别与STM32单片机的PB8和PB9两个引脚相连接，分别作为模拟IIC的SCL时钟总线和SDA数据总线。

（5）二氧化碳浓度采集硬件电路设计：使用CCS811二氧化碳浓度传感器来测量大棚内的二氧化碳浓度。在硬件电路设计上，CCS811二氧化碳浓度传感器的VCC引脚和STM32F103C8T6单片机的3.3V引脚相连接，CCS811二氧化碳浓度传感器的GND引脚和STM32单片机的GND引脚相连接，CCS811二氧化碳浓度传感器通过STM32单片机的PB6和PB7两个引脚与STM32单片机连接，分别作为模拟IIC的SCL时钟总线和SDA数据总线，CCS811二氧化碳浓度传感器的WAKE引脚与STM32单片机的PB4引脚相连接。

（6）LCD屏显示数据硬件电路设计：使用LCD显示屏来显示草莓大棚内的实时环境物理量。在硬件电路设计上，ST7735SLCD显示屏的VCC引脚和STM32F103C8T6单片机的3.3V引脚相连接，ST7735SLCD显示屏的GND引脚和STM32单片机的GND引脚相连接，ST7735SLCD显示屏的SCL引脚和SDA引脚分别与STM32单片机的PB11和PB10两个引脚相连接，分别作为模拟IIC的SCL时钟总线和SDA数据总线，ST7735SLCD显示屏的RES引脚与STM32单片机的PA7引脚相连接，ST7735SLCD显示屏的DC引脚与STM32单片机的PA6引脚相连接，ST7735SLCD显示屏的CS引脚与STM32单片机的PA5引脚相连接，ST7735SLCD显示屏的BLK引脚与STM32单片机的PA4引脚相连接。

（7）ESP8266WIFI模块硬件电路设计：该监测系统使用ESP8266WIFI模块上传数据。在硬件电路设计上，ESP8266WIFI模块的VCC引脚和STM32F103C8T6单片机的3.3V引脚相连接，ESP8266WIFI模块的GND引脚和STM32单片机的GND引脚相连接，ESP8266WIFI模块的RX引脚和TX引脚分别与STM32单片机的PA3和PA1引脚相连接，ESP8266WIFI模块的RES引脚与STM32单片机的相连接。

3 系统软件设计

3.1 主程序

此监测系统的主程序主要包含两部分，main函数部分和while循环部分。主程序运行流程图如图2所示。

3.2 温湿度采集程序

从DHT11的数据手册中可以看出，DHT11工作流程如下。首先，STM32单片机发送启动信号，同时DHT11切换工作模式，开始采集温度和湿度数据。当STM32微控制器发送的启动信号结束时，DHT11向STM32单片机发送响应信号，并发送出40bit的数据，发送数据后，DHT11触发一次信号采集，用来接收STM32单片机发送的结束信号，STM32单片机在接收到DHT11发送的响应信号后，读取40位数据，并发送停止信号。采集的数据存储在对应的数组中。

3.3 土壤湿度采集程序

对土壤湿度的数据采集需要用到STM32F103C8T6自带的12位AD转换模块，通过STM32CubeMax对ADC的通道与采样模式进行配置，最后在程序中读取ADC模块的采样值，通过计算就可以得到对应的电压值，从而得到土壤湿度。

3.4 光照强度采集程序

BH1750光强传感器采用标准的IIC协议，在此使用模拟IIC的方式，使MCU与BH1750进行通信。BH1750使用PB8和PB9两个引脚，分别作为模拟IIC的SCL时钟总线和SDA数据总线。

3.5 二氧化碳浓度采集程序

CCS811二氧化碳浓度传感器采用标准的IIC协议，在此使用模拟IIC的方式，使MCU与CCS811进行通信。CCS811使用PB6和PB7两个引脚，分别作为模拟IIC的SCL时钟总线和SDA数据总线。程序开始时先初始化CCS811，初始化完成后CCS811进入Boot Mode模式，先读取硬件ID，然后读取状态值，如果状态值为一，则CCS811正常。随后将CCS811切换到APP模式，设置测量周期后开始进行测量。

3.6 LCD显示数据程序

在使用LCD显示屏显示数据时，先要通过程序对LCD显示屏清屏，即将LCD初始化，随后设置要显示数据的位置坐标，通过GUI函数将汉字和数字对应的十六进制ASCII码在相应位置上显示。

3.7 ESP8266WIFI模块通信程序

程序开始时，需要对ESP8266WIFI模块进行初始化处理，设置ESP8266WIFI模块的波特率为9600，通过按键控制ESP8266WIFI模块的接入方式为WIFI_AIRLINK_MODE，即可连接监测设备和手机APP，并同步将数据上传至机智云物联网云平台。

4 系统测试

监测系统可以实时采集草莓大棚内的各种环境物理量，并通过LCD显示屏实时显示，如图3所示。

同时ESP8266WIFI模块与手机APP进行配对，配对成功后可在手机APP上显示设备在线，如图4所示，随后点击在线设备即可进入到手机APP数据观察页面，手机APP数据监测页面如图5所示。

5 总结

本文设计了一款以STM32单片机为主控，搭配了DHT11温湿度传感器模块、BH1750光照强度传感器模块、HW-390土壤湿度传感器模块、CCS811二氧化碳浓度传感器模块和ESP8266WIFI模块以及LCD显示屏模块集成的草莓大棚监测系统，各个传感器模块实时测量草莓大棚内的温湿度、光照强度、土壤湿度和二氧化碳浓度，并通过ESP8266WIFI模块和机智云物联网云平台将各种环境物理量上传至用户手机，使得用户可以远程实时掌握大棚内的各种环境物理量，从而在温湿度、光照强度、土壤湿度和二氧化碳浓度超过设定的阈值时，可以通过风扇、水泵和LED灯进行调节，使各种环境物理量处于最适合草莓生长的范围，达到增收增产的目的。

参考文献：

[1]王彩凤，沈宝国，王高州等.草莓大棚自动温控系统的设计与实施[J].装备制造技术，2019（03）：21-24.

[2]张大兵.智慧农业技术在蔬菜大棚中的有效实践[J].农业工程技术，2021，41（36）：60-61.

[3]师喏，王宇成，马丽华等.基于物联网技术的农业大棚数据采集系统[J].物联网技术，2023，13（07）：37-40.

作者简介：董钰明，19961208，女，汉族，河南南阳，硕士研究生，助教，智能检测技术，南阳理工学院。

通讯作者：张博洋20020925，男，汉族，河南洛阳，学士，智能传感检测技术，南阳理工学院。

[基金项目] （项目的来源，名称，编号）

河南省重点研发与推广专项（科技攻关）“新型高灵敏度智能压电微生物传感器构建的关键技术研究”（222102210105）；

河南省高等学校重点科研项目“高速列车笼型牵引电机低振动、高可靠性转子技术研究”（23A470015）。