基于STM32的农业补光物联网系统设计_于是然.pdf

2025年15期 智慧农业导刊 Journal of Smart Agriculture 智慧三农 基于STM32的农业补光物联网系统设计 于是然 练渊杰 王睿清 肖 敏 奚峥皓 上海工程技术大学 上海 200000 为应对农业生产效率中的高效需求 在进入互联 网时代后 传统的农业设备逐渐被淘汰 我国正由传 统农业迈入智慧农业 在未来传统农业补光设备将逐 渐被网络集成的智能农业补光系统所取代 智慧农 业 即将人工智能 大数据 物联网 人机交互和区块 链等先进的信息技术与农业全产业链进行全方面融 合 有利于科学管理农业生产 解决信息不对称问题 掌握市场变化与消费者需求 构建农产品可追溯体 系 确保农产品质量安全 发展新模式新业态 提升农 业全产业链价值和改善农业生态环境 推动农业可持 续发展 基于物联网技术的智慧农业系统的设计与实 现具有极其重要的意义 将使得农业生产能够更加科 学 高效 智能地进行 为农业产业升级和农村经济发 展提供有力支撑 本智能农业补光系统由单片机集成光强传感器 温度传感器等模块收集数据信息 通过Wi Fi模块将 数据信息上传至物联网平台 通过UI界面调用物联 网平台数据 经过处理最终呈现给用户 其中农业补 光灯能够通过语音控制和手动操作控制 1 物联网介绍 物联网 Internet of Things IoT 简单来说就是物 与物的网络 通过红外传感器 生物传感器 流量传感 器等信息传感设备 根据制造商选择的协议 将任何 物品连接到互联网进行信息交换和通信 以实现智能 识别 定位 跟踪 监测和管理 将物理设备与物体通 过互联网进行联系与互动 它使各类对象之间可以互 相通信 采集并分享数据 从而达到智能化监控 控制 与管理 物联网技术主要以传感器 无线通信 云计算 等为核心 利用传感器对多种环境与对象进行数据采 集 利用无线通信技术进行设备间互联互通 同时云 计算为数据存储与处理提供强大能力 2 软件平台搭建 2 1 MQTT协议介绍 MQTT Message Queuing Telemetry Transport 消 息队列遥测传输协议 是一种轻量级 基于发布 订阅 模式的消息传输协议 MQTT协议的设计非常简洁 协 议头信息少 消息格式紧凑 占用的网络带宽和设备 资源少 这使得其非常适合在资源受限的设备上运 基金项目 上海工程技术大学大学生创新训练项目 202410856009 通信作者 奚峥皓 1981 男 博士 副教授 硕士研究生导师 研究方向为智能检测与多目标跟踪 视觉图像处理及多源信息融合 摘 要 null对农null生产中对null慧农null日益增长的需求 该设计开null一种用于操作和控制照明的农null补光灯物联nullnullnull控制系 统 系统采用阿里云物联null平台 农null补光灯以STM32F103RCT6作null主控芯片 加null温度 湿度 光照强度传感器BH1750 以获取 环境和装null本身的null 信息 通过Wi Fi模块ESP8266nullnull 传输 装null可以获取环境多项null 并通过Wi Fi模块上传物联null 平台 null 在UI界null上呈null 可远程控制装null开关并按需调null光照强度 关键词 null慧农null STM32单片机null环境监测null农null补光灯null物联nullnull 中图分类号 TN929 5 文献标志码 A 文章编号 2096 9902 2025 15 0019 05 Abstract In response to the growing demand for smart agriculture in agricultural production this design develops an intelligent IoT control system for operating and controlling lighting in agricultural supplemental lighting lamps The system utilizes the Huawei Cloud IoT platform with the agricultural supplemental lighting lamp adopting the STM32F103RCT6 as its main control chip Temperature humidity and light intensity sensors BH1750 are integrated to acquire environmental and device specific data which is transmitted via the ESP8266 Wi Fi module The device enables the acquisition of multiple environmental data uploads it to the IoT platform through the Wi Fi module and ultimately presents it on a UI interface allowing remote control of the device s on off status and adjustment of light intensity as needed Keywords smart agriculture STM32 MCU environmental monitoring agricultural fill light Internet of Things technology nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 19 2025年15期智慧三农 智慧农业导刊 Journal of Smart Agriculture 行 如传感器 嵌入式设备等 MQTT采用异步通信方 式 客户端在发送或接收消息时不需要等待对方的响 应 提高了系统的通信效率和响应速度 在物联网领 域 大量的传感器和设备需要将采集到的数据传输到 云端进行处理和分析 MQTT的量级和低功耗特性使 其成为物联网设备通信的主流 连接时 MQTT服务器 通常是软件或设备的总和 2 2 Flask开发介绍 Flask 是一个使用 Python 编写的轻量级 Web 应 用框架 旨在简化 Web 应用的开发 它基于 Werkzeug WSGI工具箱和Jinja2模板引擎 采用BSD 授权 Flask核心功能简洁 不包含数据库抽象层 表单 验证等复杂功能 但可以通过扩展来实现这些功能 开发者可以根据项目需求自由选择数据库 表单处理 工具等 具有很强的可定制性 灵活性高 同时Flask 提供了丰富的扩展机制 如 Flask SQLAlchemy 数据 库操作 Flask WTF 表单处理 Flask Login 用户认 证 等 可以方便地扩展应用的功能 Flask的轻量级 特性和灵活的开发方式使得开发者能够快速搭建 Web应用原型 适合开发小型到中型项目 2 3 系统架构与通信机制 系统采用3层架构设计 前端展示层 Flask应用 层和MQTT通信层 Flask应用作为中间层 既处理 HTTP请求又管理MQTT连接 实现了Web界面与硬 件设备的双向通信 MQTT客户端在应用启动时初始 化 连接到公共 Broker 并订阅相关主题 通过 on connect和on message回调函数 系统能够实时响 应连接状态变化和处理设备消息 2 4 数据处理与线程安全 传感器数据采集采用线程安全的设计模式 当 MQTT 客户端接收到光照传感器数据时 on message 回调函数将数据和时间戳存入一个固定长度的双端 队列 deque 并使用线程锁 Lock 确保数据操作的原 子性 这种设计既保证了数据的实时性 又避免了多 线程环境下的资源竞争问题 自动控制逻辑也在此回 调中实现 当系统处于自动模式时 会实时比较当前 光照强度与设定阈值 自动计算并发送PWM控制信 号 系统采用的MQTT连接具备TLS加密功能 TLS 传输层安全 加密协议 能够在数据传输过程中 对 数据进行高强度加密处理 在数据从发送端发出到接 收端接收的整个链路中 即使存在非法第三方试图窃 听通信内容 由于数据已被加密 窃听者获取到的也 只是乱码信息 无法解析出真实有效的数据内容 从 而有效防止数据在传输过程中被窃取 确保了通信链 路的安全性和数据的保密性 为防止恶意用户通过频繁发起请求对系统进行 攻击 导致系统资源耗尽或服务中断 系统对API接 口实施了请求频率限制 通过设定合理的请求频率阈 值 当用户的请求频率超过该阈值时 系统会对后续 请求进行限制或拒绝处理 2 5 RESTful API设计 系统提供了一组简洁的API接口 get data用于 获取历史传感器数据 返回 JSON 格式的数据点数 组 set mode 接受 auto 或 manual 参数来切换控制 模式 set pwm在手动模式下设置PWM输出值 tog gle system控制系统全局开关 每个接口都包含完善 的参数校验和状态反馈 确保系统的稳定性和安全性 2 6 前端交互设计 前端界面采用响应式设计 主要分为3个功能 区 数据可视化区使用动态图表展示光照强度变化趋 势 控制面板提供模式切换 PWM调节和阈值设置等 交互元素 状态显示区实时反馈系统当前模式和运行 状态 通过AJAX技术与后端交互 实现了无刷新页 面更新 同时使用WebSocket或定时轮询保持数据同 步 确保用户界面与实际设备状态的一致性 控制操 作均提供即时视觉反馈 错误情况会通过提示框告知 用户 极大提升了用户体验 数据更新采用WebSocket 长连接 在服务端实现了一个轻量级的WebSocket服 务器 通过Flask SocketIO扩展与前端保持实时通信 当MQTT接收到新数据时 服务端会通过WebSocket 广播给所有连接的客户端 实现真正的实时更新 3 硬件设计及系统分析 3 1 控制器选型 本系统采用STM32F103RCT6芯片 这款芯片隶 属于STM32系列单片机 而STM32系列单片机是以 ARM Cortex M为内核的32位微处理器 与同类型产 品相比 STM32系列单片机的显著优势在于其拥有丰 富多样的外设 这些外设为系统开发提供了极大的便 利 能轻松适配各种外部设备 搭配的开发软件简单 易用 极大地提高了开发效率 选用STM32F103RCT6 芯片 该芯片具备5个USART串口和2个I 2 C接口 接口资源丰富 能够充分满足开发补光系统的各类 需求 3 2 光检测模块选型 本系统采用BH1750光强传感器模块实现光照强 度检测 该模块基于 BH1750芯片构建 并配备外围 电路 BH1750芯片内部集成光敏二极管 运算放大 20 2025年15期 智慧农业导刊 Journal of Smart Agriculture 智慧三农 器 ADC采集单元以及晶振 模块设有5个引脚 分 别对应供电电压正极 负极 IIC时钟线 IIC数据线 和IIC地址线 通过IIC总线协议 模块可与单片机 进行通信 以数字信号形式输出测量所得的光照强 度数据 3 3 温度预警模块选型 系统采用DS18B20温度传感器模块监测补光灯 工作温度 该模块测量范围为 55 125 能够满足系 统要求 模块有3个引脚 分别为电源线 地线和单总 线通信接口 数据的接收与发送均通过此接口进行 接收数据时 该接口处于高电阻输入状态 发送数据 时 采用开漏输出 输出 1 时为高电平 输出 0 时为 低电平 系统预设多个温度阈值 当补光灯工作温度超过 第一阈值时 启动风扇进行散热降温 当温度超过更 高的第二阈值时 触发警报 并降低补光灯工作档位 当温度达到极限值时 自动关闭补光灯 3 4 温湿度检测模块选型 系统采用B HT RS30温湿度传感器 该传感器的温 度测量范围为 40 80 湿度测量范围0 100 RH 能 够满足农作物生长环境的检测需求 模块支持5 V供 电 配备四线接口 包括2条电源线和2 条通信线 将 其与相应的电源和通信线路连接 即可完成配置 该 传感器针对农业应用场景进行了防潮处理 可直接插 入土壤 检测农作物表面的温度和湿度 并将数据传 输至单片机 3 5 补光灯板设计 不同农作物对光照的需求主要集中400 460 nm 的蓝紫区和600 700 nm的红橙区 为满足这一需求 本系统选用红蓝双色灯珠 分别组成红色LED灯组和 蓝色LED灯组 2组灯珠均支持PWM调光 可组合出 不同的光源 以满足各类农作物对光色的需求 灯光所 有控制操作都实现了防抖处理 避免快速连续操作导 致的指令风暴 PWM在值变化时会延迟300 ms才真 正发送请求 期间如果值再次变化则重置计时 这种优 化显著降低了网络负载 提高了系统稳定性 为平衡补光效果与功耗 并满足散热要求 系统 选24 V灯珠 并将灯板尺寸控制在30 cm 40 cm范围 内 确保实现最佳的补光效果 3 6 语音识别模块选型 本系统采用LU ASR01语音控制模块实现语音 控制功能 该模块支持麦克风和音频输入 并提供串 行接口和USB接口 便于与其他设备进行通信 本系 统采用串口通信方式 用户可通过麦克风向语音模块 发出指令 语音模块将指令发送至单片机 由单片机 控制补光灯的开关状态和光照强度 3 7 Wi Fi通信模块选型 本系统采用ESP8266Wi Fi模块 实现单片机与 物联网平台之间的通信 模块的核心处理器ESP8266 集成32位MCU 主频支持80 MHz和160 MHz 模块 通过串口与单片机进行通信 内置TCP IP协议 可实 现串口与Wi Fi之间的协议转换 该模块共有6个管脚 分别为电源 电源地 串口 接收脚RXD 连接单片机的发送脚 串口发送脚 TXD 连接单片机的接收脚 复位键和固件烧写管脚 本系统采用串口无线STA模式 模块作为无线Wi Fi STA接入通过MQTT协议将数据上传至物联网平台 实现物联网 单片机和模块之间的数据互传 从而在 网页UI上实时显示环境数据 3 8 阿里云物联网平台 阿里云物联网平台是面向物联网企业的设备管 理平台 提供设备连接 管理 数据处理等一系列服 务 帮助企业快速构建物联网应用 整体系统结构图如图1所示 图 1 系统结构图 本系统中语音控制模块 温度传感器 光强传感 器和温湿度传感器外接STM32单片机 单片机收集数 据 由ESP8266Wi Fi模块通过MQTT协议上传至阿 里云物联网平台 最后调用呈现在网页UI界面上 系 统流程图如图2所示 图 2 系统流程图 21 2025年15期智慧三农 智慧农业导刊 Journal of Smart Agriculture 系统启动后 进入 初始化 流程 这是系统正常 运作的基础准备工作 初始化完成后 连接Wi Fi模 块 确保系统具备网络连接能力 进而访问阿里云物 联网平台 用于获取数据 上传信息 之后 系统通过 检查系统模式 来判定运行方向 若选定为人工模式 用户可借助语音或手动控制 2种方式下达指令 这些指令会在UI界面显示 方便 用户确认操作状态 随后 系统依据用户指令精准执 行农业补光调节 满足用户个性化 即时性的补光需 求 适用于对补光有特殊或临时调整要求的场景 当系统选定为自动模式 会调用后台算法 该算 法综合环境光强度 作物生长阶段等多因素进行运 算 运算结果经UI显示后 系统自动完成农业补光调 节 能实现智能化的补光管理 减少人力投入 为农作 物提供更科学 稳定的光照环境 契合大规模 标准化 农业生产需求 4 结果展示 4 1 硬件展示 基于STM32的多功能农业补光灯硬件部分如图 3所示 一块STM32单片机开发板 是整个系统的控 制核心 负责处理传感器数据 执行预设程序并控制 补光灯等组件工作 与光照传感器相连 用于感知环 境光照等参数 显示屏显示各类参数 为调节补光灯 的亮度提高数据依据 连接着多线路的补光灯光板 是实现补光功能的关键部件 它能为农作物提供适宜 光照 散热风扇用于给长时间工作的补光灯等发热组 件散热 以保障硬件稳定安全运行 此外 还有电源模 块 为整个系统供电 众多电线将各部件连接起来 共 同构建起多功能农业补光硬件系统 图 3 硬件展示图 4 2 UI界面展示 物联网灯光控制系统界面如图4所示 界面左侧 展示了传感器的数据 当前光照为1 390 lux 温度为 14 0 湿度为51 0 并分别呈现光照 温度 湿度历 史变化曲线 右侧是系统控制区 显示系统已启用且 设备是在线工作状态 工作模式可在自动和手动间切 换 当前灯光亮度为0 还展示了当前PWM值和目 标光照值 整体呈现了环境数据监测及灯光控制相关 信息 图 4 UI界面图 5 结论 本智能农业补光灯物联网系统设计由 STM32F103RCT6 单片机作为主控芯片 协调各外接 模块协同工作 外接的语音控制模块LU ASR01 为用 户提供了便捷高效的语音交互操作途径 极大提升了 操作的便利性 温度传感器DS18B20能够精准测量环 境温度 光强传感器BH1750接收光强信号 温湿度传 感器B HT RS30实时监测环境温湿度 为系统决策 提供丰富且准确的环境数据 在数据传输环节 系统借助Wi Fi模块ESP8266 实现与外界的网络连接 尤为重要的是 采用物联网 中广泛应用的MQTT通信协议进行数据交互 MQTT 是一种轻量级的发布 订阅模式的消息传输协议 具有 低带宽 低功耗 可靠性高等特点 非常契合智能农业 补光灯物联网系统对数据传输的需求 各传感器采集 到的温度 光照强度 温湿度等数据 首先 STM32F103RCT6Wi Fi单片机进行初步处理 随后通 过ESP8266Wi Fi模块 依据MQTT协议将数据打包 发布到阿里云物联网平台特定的主题下 阿里云物联 网平台作为强大的数据汇聚与处理中心 接收并存储 这些数据 同时对数据进行深度分析与挖掘 最后 数据能够在网页UI界面呈现 用户通过网 页可直观查看实时环境数据以及补光灯的工作状态 在操作模式上 本农业补光灯功能多样 既支持人工 手动操作 满足用户即时性的个性化调节需求 也能 下转28页 湿度 22 2025年15期智慧三农 智慧农业导刊 Journal of Smart Agriculture 形航空喷头雾化特性的影响研究 J 沈阳农业大学学报 2022 53 5 562 573 25 王国宾 王十周 陈鹏超 等 植保无人机喷施不同雾滴粒径 药剂对其在棉花冠层沉积 穿透及脱叶催熟效果的影响 J 植物保护学报 2021 48 3 493 500 26 文晟 韩杰 兰玉彬 等 单旋翼植保无人机翼尖涡流对雾滴 飘移的影响 J 农业机械学报 2018 49 8 127 137 160 27 郭祥雨 薛新宇 秦维彩 等 植保无人机作业参数对棕榈树 雾滴沉积的影响 J 中国农机化学报 2021 42 6 35 40 28 王娟 兰玉彬 姚伟祥 等 单旋翼无人机作业高度对槟榔 雾滴沉积分布与飘移影响 J 农业机械学报 2019 50 7 109 119 29 郭爽 兰玉彬 许童羽 等 寒地玉米植保无人机航空施 药雾滴沉积效果研究 J 沈阳农业大学学报 2021 52 4 451 459 30 DANH V JIANG L AKINYEMI O S Investigation of water spray characteristics in the near field of a novel swirl burst injector J Experimental Thermal and Fluid Sci ence 2019 102 376 386 31 胡桂琴 果园风送喷雾机喷头雾化与沉积性能试验研究 D 南京 南京林业大学 2013 32 BAI B ZHANG H LIU L et al Experimental study on turbulent mixing of spray droplets in crossflow J Experi mental Thermal and Fluid Science 2009 33 6 1012 1020 33 QING T RUIRUI Z LIPING C et al Droplets move ment and deposition of an eight rotor agricultural UAV in downwash flow field J International Journal of Agricultural and Biological Engineering 2017 10 3 47 56 34 GONG C LI D KANG C et al Visualisation of the evolution of perforations in oil based emulsion sheets formed by flat fan spray nozzles J Biosystems Engineering 2021 207 68 80 35 张海艳 兰玉彬 文晟 等 植保无人机旋翼风场模型与雾滴 运动机理研究进展 J 农业工程学报 2020 36 22 1 12 36 吕晓兰 何雄奎 宋坚利 等 标准扇形雾喷头雾化过程测试 分析 J 农业工程学报 2007 23 9 95 100 37 邱白晶 史春建 吴春笃 等 植保机械雾化场雾滴特征分析 与二维重建 J 农业工程学报 2005 21 11 7 10 38 冯旺聪 郑士琴 粒子图像测速 PIV 技术的发展 J 仪器仪 表用户 2003 6 1 3 通过语音控制操作 为用户带来便捷体验 更能通过 对环境情况进行自我调节 系统基于阿里云物联网平 台处理后的数据 结合预设的智能控制策略 当环境 光照强度 温度 湿度等参数偏离农作物生长的适宜 范围时 通过MQTT协议向STM32F103RCT6单片机 发送控制指令 进而自动调整补光灯的开启 关闭以 及补光强度与时长 为农作物营造最适宜的光照环 境 助力农作物茁壮成长 推动农业生产迈向智能化 精准化的新阶段 参考文献 1 梁珉硕 智慧农业系统基于物联网技术的设计与实现 J 中国 农机装备 2025 2 85 87 2 李涛 徐威 赵彦 基于鸿蒙的智慧农业系统的设计 J 河北科 技工程职业技术大学学报 2025 42 1 123 129 3 宋洪远 智慧农业发展的状况 面临的问题及对策建议 J 人 民论坛 学术前沿 2020 24 62 69 4 WU S ABDULGHANI A M ANSARI S et al IoT en abled Smart Lighting System using STM32 microcontroller with high performance ARM Cortex M3 core C 2020 In ternational Conference on UK China Emerging Technologies UCET IEEE 2020 5 赵小军 基于物联网技术的小麦玉米病虫害智能诊断与防治 研究 J 农业开发与装备 2025 2 202 204 6 辜玉慧 基于MQTT协议的农田土壤水热信息监测系统研究 D 杨凌 西北农林科技大学 2024 7 王立旭 何鸣一 吕非 等 基于无锁并发优化物联MQTT长连 接通信及数据处理改进 J 现代信息科技 2025 9 1 193 198 8 谷群远 周寅峰 倪建成 面向物联网设备的轻量化Elga mal 算法实现 MQTT 协议安全通信的研究 J 物联网技 术 2025 15 1 80 84 9 何炳林 基于MQTT协议的电子浆料生产车间设备物联网系 统设计 J 自动化博览 2024 41 12 40 45 10 陈明省 李刚 李胜广 基于MQTT的物联网平台在智慧监 管中的应用 J 中国安防 2024 12 89 93 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 上接22页 28