基于单片机的智能阳台种植系统

邓鸿福 狄逸辰 费凡 彭伊辰 李文杰 潘往丽

收稿日期：2023-09-12

基金项目：江苏省大学生创新创业训练项目（202313987013Y）

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2024.07.015

摘  要：植物的生长特性多变，难以科学地照料，为了能够适应现代年轻人的快节奏生活，更便捷地观赏植物，在对植物不同生长环境所需要的光照、湿度等进行研究后，提出了基于STM32单片机和ESP8266 Wi-Fi模块的一整套系统，利用温湿度、光照、二氧化碳模块对植物的生长环境进行检测，使用微信小程序或者利用提前写入到单片机的数据来控制电机和舵机等养护设备来使植物生长环境更适宜，能够满足植物的正常生长、发育所需要的环境因素和用户远程操控的需求，具有较好的可行性。

关键词：STM32单片机；
家庭种植；
智能；
Wi-Fi模块；
温湿度；
光照强度

中图分类号：TP273；
TP368.1 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2024）07-0063-05

Intelligent Balcony Planting System Based on Single-Chip Microcomputer

DENG Hongfu， DI Yichen， FEI Fan， PENG Yichen， LI Wenjie， PAN Wangli

（Guangling College of Yangzhou University， Yangzhou  225000， China）

Abstract：
The growth characteristics of plants are changeable and difficult to take care of them scientifically. In order to adapt to the fast-paced life of modern young people and to be more convenient for watching plants， after studying the light and humidity required by different growth environments of plants， this paper proposes a complete set of systems based on STM32 Single-Chip Microcomputer and ESP8266 Wi-Fi module. It uses temperature and humidity， light and carbon dioxide modules to detect the growth environment of plants， and uses WeChat mini programs or data written to the Single-Chip Microcomputer in advance to control maintenance equipment such as motors and servos to make the plant growth environment more suitable. It can meet the environmental factors required for the normal growth and development of plants and the needs of user remote control and it is feasible.

Keywords：
STM32 Single-Chip Microcontroller; home planting; intelligence; Wi-Fi module; temperature and humidity; light intensity

0  引  言

得益于社会的不断进步，人们的生活水平不断提高，生活需求也已经从温饱升级到了精神世界的满足。而在家种植一些植物不仅能够使生活环境得到改善，也能在这个快节奏的社会中享受慢节奏的植物生长的乐趣。但很多年轻人没有那么多的时间或者总是忘记在何时维护植物的生长。同时，大多数人并不了解各个植物的习性，比如何时浇水、何时给予充足的光照、土壤温度是否过高等，这些植物的生长重要条件如果不能精准、科学把控，容易造成在家庭里生长的植物生长状况参差不齐，所以需要一套设备来完成对植物的智能化照料，人们只需要输入在网上查找的相应的植物生长数值，就可以通过设备来远程、及时地对植物进行护理，也能实现人们在忙碌时通过手机自动控制家里的系统来完成对植物的养护目的。

1  植物生长数据研究

家庭种植的常见观赏植物和蔬菜有菠菜、小葱、芹菜、薄荷、文竹、吊兰、绿萝等。每一种植物的生长条件有所不同，所以不同的植物不一定能够在一个生长室生长，了解每一种植物的生长才能调节和使用此装置，下面列举了两种常见植物的生长条件。

1.1  豆芽的生长条件

大豆发芽后，拿来清炒可以帮助消化、改善便秘，且种植简单，是家庭常见的种植蔬菜之一，当挑选好颗粒饱满的大豆，可以选择种植在砂砾中，保持土壤的湿度在70%～85%之间，同时需要在湿度较高和遮光的条件下生长，即光照在5 000 lx以上，同时保持温度在15～25 ℃之间为最佳，还需注意的是大豆的发芽需要在6 ℃左右。

1.2  绿萝的生长条件

绿萝是大型常绿类的藤本植物，其茎叶具有一定的攀爬的能力，因颜色较深，可以作为家中的观赏植物。绿萝水培也可以土培，本文中展示的是土培的数值。不同的光照会影响绿萝产生不同的生物量，影响到梗和叶的生长，所以折中下来需要保持在1 000～

6 000 lx之间为最佳；
因绿萝可以水培，所以湿度不低于50%最好；
绿萝的生长温度为20～30 ℃。

2  总体方案设计

考虑到用户的实际生活环境和需求，采用简便和大众化的方式来设计，以单设备展示，示例植物为家庭常种的薄荷，此设计分为硬件电路和软件部分，系统工作结构图如图1所示。

采集系统通过各个采集设备对植物生长所需的环境参数进行采集；
将采集得到的数据同提前设置入的数据比较，从而获得差值，由养护系统将差值补齐；
远程控制系统拥有最高控制权限，可以打断养护系统的自动工作，也可以关闭所有的系统工作，并由用户设定新的值到OneNET服务器，并由服务器发送到单片机，从而重新改写养护系统的工作；
在各个系统工作的同时，可以将各个设备的实时工作状况和当前参数上传服务器，用户可以通过改写服务器的数据来改写设备自动工作的数据，从而满足不同植物的生长需求，而微信小程序可以访问服务器，手动控制各个设备和查看采集到的各环境参数，从而达到对植物的养护目的。

3  硬件电路

本项目的硬件设备包括，意法半导体公司的STM32F103C8T6单片机、Wi-Fi模块ESP8266、温湿度模块DHT11、光照模块BH1750、SGP30二氧化碳检测模块、电机驱动模块TB6612及电机和按键等，硬件原理图如图2所示。我们将温湿度、光照、二氧化碳模块连接到单片机，同时稳压电路给各设备和单片机进行供电，使得各采集设备能将各个数据传输到单片机中，通过与系统设定的数据或者利用Wi-Fi设备在小程序中设定的数据进行比对，使得能够驱动各电机和舵机将环境变量设定到合适的生长环境。

3.1  单片机最小系统板

单片机最小系统板如图2所示，本项目的单片机采用STM32F103C8T6最小板，芯片采用ARM Cortex-

M3内核，72 MHz主频，64 KB Flash，4个定时器，3个串口等[1]，此款单片机成本较低，功能较AT89C52和STM32F103C6T6单片机，接口更加丰富；
大容量的Flash能够容下更多的代码量，完成更丰富的功能；
支持Wi-Fi通信，能够远程访问；
功耗低，还包含复位电路、晶振电路和串口下载电路，因此能够完美作为本项目的主控芯片。

3.2  OLED显示模块

为了方便用户查看各种环境参数，需要OLED显示屏模块，相较LCD1602，此模块只拥有SDA和SCL两个通信引脚，远少于LCD1602的引脚数量，使安装变得十分简便。使用I2C通信，减少了操作这款显示器的难度，同时这款显示器拥有128×64的分辨率，可以比LCD1602显示得更加清楚，此显示器不仅能够显示数字、英文，还能显示汉字，所以能够适应绝大多数家庭的使用环境。

3.3  温湿度传感器模块

由于需要同时测量土壤和空气中的温湿度，所以采用DHT11模块，DHT11温湿度传感器是一种复合型的温湿度传感器，具有精确的数字信号输出，使用了特殊的数字记录技术和温湿度信号传感技术，使生产的产品具有高的可依赖性和稳定性[2]。此模块温度的测量范围为0～50 ℃，温度测量误差为±2 ℃[3-5]；
湿度的测量范围为20%～95%，湿度测量误差为±5%，这些数据的测量范围都能完美适用于家庭的环境条件。

3.4  光强度传感器模块

本项目使用BH1750作为检测植物生长环境中光照强度的传感器，此传感器数据测量范围为0～65 535，可对家庭亮度进行1 lx的测定[6]，接近视觉灵敏度的分光特性。同时因为使用I2C通信，可将光线强度转换为电压，从而转化为具体的数据。BH1750应用范围很广，对光的依赖性比较弱，可以适用于各种光源，主要应用于手机、电脑、数码产品、汽车液晶屏。BH1750分辨率很高，测量的精度较高，它可以测量的范围较大，是一种数字型的测量光强度的传感器[7]。

3.5  Wi-Fi模块

选用ESP8266模块，该Wi-Fi模块运用常见的2.4 GHz载波频率，支持STA等三种工作模式，因为工作电压和电流低，使工作时更加节省能源，且成本较低，能够更经济地进行多设备采用。此模块能够将采集模块采集到的数据通过Wi-Fi上传到OneNet服务器[8]，所以用户能够使用微信小程序访问服务器来上传或下发数据。

3.6  二氧化碳传感器模块

SGP30是一款芯片上具有多个传感元件的金属氧化物气体传感器，内集成4个气体传感元件，可以用于空气质量检测、甲醛浓度检测和二氧化碳检测，可以适配大多数家庭环境的检测，具有完全校准的空气质量输出信号[9]。同时也采用I2C通信，测量范围为0～65 535，使得测量误差为1×10-6。

3.7  电机驱动模块

TB6612是一块强于L298N的电机驱动模块，拥有两个驱动的引脚，能够满足本项目的两个电机的需求，节省了成本；
同时拥有单独的5 V电机供电和单独的3.3 V驱动的供电引脚，能够简化电路的连接；
双PWM通道，能够改变电机的转速，从而有效地改变温度和二氧化碳含量；
由两个引脚控制一个电机，可以做到正转和反转。

4  软件部分

4.1  单片机软件部分

单片机开机后，进行各设备的自检，检查是否连接网络，OneNET服务器是否连接，检查无误后，启动各检测设备，并将数据上传服务器，与服务器或者单片机储存的设定的植物最适生长环境的参数进行比对，若温度和二氧化碳过高，将打开风扇电机，进行降温和排气；
若光照过强，将驱动遮光帘电机，将遮光帘放下，减弱光照的强度，若光照过低，将打开LED灯进行补光；
若土壤湿度过低，将启动灌溉用的舵机，将土壤的湿度提高。在设备运行的同时将各个参数和设备工作状态上传到服务器[10]，用户可以通过微信小程序来访问服务器，来查看数值或者下发设备运行的指令到服务器，由服务器通过ESP8266发送指令到单片机，单片机来控制各个设备的运行，并且在OLED显示屏上显示，单片机软件流程如图3所示。

4.2  小程序软件部分

单片机向OneNET服务器发送应答请求，连接成功后，微信小程序即可连接服务器，小程序接收或下发指令到服务器，由服务器控制单片机的LED照明灯的开启、电机和灌溉舵机的工作。

5  系统测试

5.1  系统工作

图4为硬件展示图，单片机开机，进行设备自检和检查Wi-Fi连接状况后，用户通过微信小程序下达开启全部设备指令，单片机发送数据给用户，用户通过查看单片机反馈到小程序和环境参数后，下达打开风扇和灌溉的指令，单片机接收指令后自动调节养护设备，使得环境参数达到了适宜植物生长的水平。

图4  硬件展示图

5.2  功能测试

本设备使用薄荷作为实验的对象，测得了一些采集设备的实际采集误差和养护设备能够改变的环境参数的值，并且得到了薄荷（成熟期）7天生长的环境数值。

5.2.1  温度测量

温度的参数测量主要以测量空气和土壤为主，测量实际采集误差的方式为：将设备置于常温（地点为江苏扬州，时间为2023年9月1日）下，测量24小时，同时和水银温度计进行比对，设备测量的温度和温度计的测量的误差范围为±0.3 ℃；
在测量养护设备能够改变的温度范围时，采用风扇转动的物理降温，在空气湿度为58%的情况下可以降低8 ℃左右。

5.2.2  光照强度

光照的参数测量以测量家庭阳台的光照强度为主，测量实际采集误差的方式为：利用设备测得家庭的环境光照，再利用手机软件测得对照的数据，进行对比得到相差60 lx左右；
在削减光照强度的方面，采用遮光帘，能够有效降低500～3 000 lx，采用12 W日光灯，能够增加1 440 lx。

6  结  论

本设计基于单片机和ESP8266，能够完成对植物生长环境因素的检测，并且能够自主地依靠这些数据来启动各个养护的设备，完成对植物的养护，同时也能通过微信小程序展示给用户，保留了用户的操作权，让用户在外工作时也能监控和控制家中的设备。实践证明该设备的经济性、实用性较好，相信未来能够得到很好的推广和使用。

参考文献：

[1] 杨海.具有移动互联功能的拖挂式房车车身控制系统 [D].杭州：浙江大学，2020.

[2] 侯璐璐.基于ZigBee的室内空气质量监测系统的研究与实现 [D].沈阳：辽宁大学，2022.

[3] 赵小强，于燕飞，史文娟，等.基于物联网技术的农业节水自适应灌溉系统 [J].西安邮电学院学报，2012，17（3）：95-97+108.

[4] 孙宏伟.基本PID控制算法的自动化温湿度控制器 [D].上海：上海交通大学，2015.

[5] 刘鑫尚.温室大棚智能漏电保护系统的研究 [J].电子设计工程，2018，26（13）：95-98+103.

[6] 任祥花.基于多传感信息的照明控制算法与系统研究 [D].重庆：重庆邮电大学，2017.

[7] 沈华刚，李娅，赵旭，等.智能鸡舍环境控制系统设计 [J].科学技术创新，2021（4）：164-165.

[8] 闫涛.基于物联网的空气质量监测系统设计与应用技术研究 [D].济南：山东大学，2016.

[9] 盛国.基于环境感知的荔枝智能仓储系统设计 [J].佛山科学技术学院学报：自然科学版，2021，39（1）：72-76.

[10] 邓夙.基于无线传感网络的杆塔接地电阻在线测量系统研制 [D].湖北民族大学，2024.

作者简介：邓鸿福（2003.02—），男，汉族，四川眉山人，本科在读，研究方向：电气工程及其自动化；
狄逸辰（2000.02—），男，汉族，江苏盐城人，本科在读，研究方面：电气工程及其自动化；
费凡（2002.11—），男，汉族，江苏无锡人，本科在读，研究方向：电气工程及其自动化；
通讯作者：潘往丽（1969.11—），女，汉族，江苏泰州人，副研究员，硕士，研究方向：教育管理、信息技术。

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