基于ESP32的物聯網智慧大棚設計

摘 要：隨著我國農業科技的持續發展，物聯網技術已經成為了現代農業的重要組成部分。然而，傳統的農業生產方式存在著信息不對稱和生產效率低下的問題，當植物所處的環境溫度、光照強度等發生變化時，農民無法及時得知并做出應對措施，導致農產品質量難以保障，國家農業發展也會受到阻礙。針對上述問題，緊扣現代農業發展的時代背景，運用調查、實驗和模擬研究的方法，結合相關理論，著重探索如何精準控制大棚內部溫度，通過智能控制實現對大棚棉被升降、通風裝置和管道溫控裝置的精準控制，提高大棚內農作物的生產效率與質量。該研究旨在使農業生產擺脫對自然環境的強烈依賴，達到高產優質的目標。通過結合現代科技，致力于提高農業生產的智能化水平，推動農業向更高效、可持續的方向發展。

關鍵詞：智慧大棚；智能調控；環境監測；多樣化種植；自動化控制；物聯網

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2025）03-0-04

0 引 言

務農重本，國之大綱。習近平總書記指出：“農業是基礎性產業，中國現代化離不開農業現代化。”國務院印發《“十四五”推進農業農村現代化規劃》，進一步明確要發展智慧農業。但目前農業現代化程度低下仍然是一個問題。受人口激增壓力及生態環境相對惡劣的雙重影響，造成了我國農業分布區域范圍較為廣泛、土地人口承載量低及農業資源利用效率低的現狀。與發達國家的農業產業集約化、標準化、規模化管理水平相比，我國農業生產的科學管理手段貧乏，生產前缺乏規劃，生產時缺乏管理，科技成果向生產力轉化和科技成果的利用率都偏低。尤其生產工具的現代化程度普遍不高，抵御自然災害的能力更顯薄弱[1]。在這樣的背景下，本文經過深入研究和探索，設計了基于ESP32的物聯網智慧大棚系統。在同一局域網下，ESP32通過WiFi連接到云平臺，通過傳感器采集空氣溫度、濕度、光照強度、二氧化碳體積分數、煙霧體積分數等數據，并上傳到云平臺進行顯示和儲存[2]；同時判斷數據是否超過閾值，若超過閾值，進行下一步的水簾、棉被等自動控制，對大棚內的溫度、濕度等進行精準控制，維持大棚內部農作物生長環境的穩定 。

1 系統設計

系統總體結構如圖1所示，主要包括感知層、控制層、管理層。感知層主要由溫濕度傳感器、土壤濕度傳感器、光照強度傳感器、CO2體積分數傳感器、煙霧傳感器、火焰傳感器、雨滴感應傳感器組成。傳感器采集的數據通過MQTT協議實時傳送到云平臺管理系統進行數據分析與可視化。云平臺管理系統包括總體監控模塊、詳細參數模塊、溫度與濕度的實時曲線變化模塊、農作物詳情模塊。控制層由棉被升降控制系統、感雨降溫系統、浸水百葉窗升降系統、智能補光燈、管道滴水裝置、語音遠程控制模塊組成。當云平臺管理系統收到的數據異常時，管理系統會將異常數據通過MQTT協議反饋到ESP32，由ESP32根據反饋的數據對控制層相應設備進行控制[3]。

2 系統硬件實現

系統采用ESP32-S3-DevKitc-1作為主控開發板，擁有WiFi和藍牙雙模組，集成了高性能CPU內核，超低功耗協處理器和豐富外設，能夠連接起智慧大棚的數據采集模塊、自動控制模塊、天氣預報顯示模塊、火焰報警模塊、語音遠程控制模塊。同時還有強大的神經網絡運算能力與信號處理能力，提高了數據采集和信號處理的穩定性，能夠確保系統的穩定運行。

2.1 數據采集模塊

數據采集模塊采集的數據包括大棚內空氣溫濕度數據、CO2體積分數數據、光照強度數據、土壤濕度數據。

DHT11數字溫濕度傳感器是一款含有已校準數字輸出的溫濕度復合傳感器。校準系數以程序的形式儲存在OTP內存中，傳感器內部在檢測信號的處理過程中會調用這些標準參數。傳感器包括一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件，并與一個高性能8位單片機連接。傳感器的溫度測量范圍為0～50 ℃，濕度測量范圍為20%RH～90%RH。

CO2體積分數數據采用RBY-CO2傳感器模塊測量，該模塊包括一個氣敏電阻，氣體吸附在氣敏電阻上時，會改變其電導率的變化，從而輸出的電壓值也會變化。氣敏電阻的電導率與氣體體積分數呈線性關系，根據輸出的電壓值與CO2敏感體積分數曲線可以計算出實際的CO2體積分數。

光照強度數據采用光敏電阻傳感器測量，該傳感器包括一個用硫化鎘等半導體材料制作成的光敏電阻。基于內部的光電效應，隨著光照強度的變化，光敏電阻的電阻值會發生變化，導致電壓比較器的輸入電壓發生變化。電壓比較器通過輸入電壓與參考電壓大小產生不同的輸出信號。通過檢測電壓比較器的輸出信號來獲取光照強度數據。

土壤濕度控制在農作物幼苗階段十分重要，土壤過濕或過干都會導致植物死根[4]。根據電阻值與土壤濕度之間存在的一定關系，土壤濕度傳感器可以通過測量電極之間的電阻來確定土壤濕度的水分含量。在兩電極之間施加電壓，當土壤濕度變高時，土壤中的電導率增加，電阻減小。將檢測值通過AO模擬量輸出，對獲得的模擬量進行標定，通過烘焙法可以準確獲得土壤的含水量。

數據采集模塊所采集到的數據會被發送到ESP32，ESP32通過MQTT協議將接收到的數據上傳到云平臺管理系統實現大棚數據可視化，可以更直觀地觀察到大棚內部的溫度、濕度等數據，提高了獲取大棚信息的效率與準確性，方便后續對大棚進行進一步的管理。

2.2 自動控制模塊

自動控制模塊包括浸水百葉窗的升降、棉被升降、管道滴水裝置、智能補光燈、智能感雨降溫等模塊。

浸水百葉窗模塊主要通過360°舵機控制，由外接5 V電源供電。PWM信號線與ESP32的PWM接口連接。舵機的控制通過PWM信號控制。PWM信號可以通過調節占空比來改變，以此控制舵機的轉速及方向。PWM的周期和占空比可以通過程序控制。當溫度數據超過設置的溫度閾值時，ESP32向舵機發送PWM信號，舵機正轉將浸水百葉窗拉起，通過百葉窗上的水珠蒸發吸收熱量實現降溫效果，1 g液態水蒸發成1 m3水蒸氣，能夠使其自身溫度降低2.5 ℃。在高溫情況下溫度最多可降低9.2 ℃[5]，當溫度重新回到閾值以下時，ESP32通過發送PWM信號控制舵機反轉，浸水百葉窗就會自動降下[6]。升降流程如圖2所示。

棉被的升降主要通過L298N驅動模塊與直流電機控制。L298N是一個雙H橋電機驅動器，它允許在同一時間、在同一方向和速度上對兩個直流電機進行控制，驅動電壓為2～5 V，峰值工作電流為2 A。當溫度數據超過低溫閾值時，ESP32發送PWM信號到L298N的使能端，實現電機的驅動，覆蓋在大棚頂部的棉被就會自動放下，將棉被放到指定位置，通過棉被對大棚進行保溫。當溫度重新回到閾值以上時，棉被就會自動升起，維持大棚內部的溫度穩定。

管道滴水裝置主要通過水泵和12 V繼電器控制。水泵需要12 V供電，水泵的正極連接到繼電器的電壓輸出端，水泵的負極連接到5 V電壓源的負極，電壓源的正極連接到繼電器電壓輸入端，繼電器的信號輸入端連接到ESP32，ESP32通過輸出高低電平控制繼電器。當土壤濕度數據高于濕度閾值時，ESP32對繼電器輸入低電平，繼電器處于關閉狀態，水泵不會運行；當濕度數據低于濕度閾值時，ESP32向繼電器信號輸入端發送高電平，繼電器打開，5 V電源輸入到繼電器，繼電器輸出12 V電壓，向水泵供電，水泵運行，吸收的水通過滴水管道流向土壤，對農作物進行灌溉，防止因為土壤濕度過低影響農作物生長。當濕度回到閾值以上時，ESP32繼續向繼電器輸入低電平，繼電器關閉，水泵停止運行。

智能補光燈的運行條件取決于光照強度，補光燈由高低電平控制亮滅。當光照強度低于閾值時，ESP32向補光燈發送高電平，補光燈打開為大棚內部提供光照，保證大棚內部的農作物在適宜的光照強度下生長。

智能感雨降溫系統主要由雨滴感應傳感器和風扇構成。通過放置在大棚頂部的HW-028雨滴傳感器模塊檢測大棚外部是否有雨滴降下，當雨滴落到傳感器上時，鎳板從干燥到潮濕，電阻發生變化，通過DO接口與ESP32連接，信號就會轉化為高低電平信號反饋到ESP32，判斷是否下雨。下雨的時候，大棚會與外部形成溫度差，導致大棚內部的熱空氣上升，進而使大棚內部的溫度升高且溫度不均勻，影響植物生長。在智慧大棚中，當雨滴感應傳感器檢測到雨滴時，雨滴感應傳感器向ESP32發送高電平，大棚內部的風扇就會自動啟動，促進大棚內的空氣流通，防止溫度升高。當檢測到雨滴消失時，風扇就會自動停止。

自動控制模塊主要負責維持智慧大棚內部的環境穩定，減少因為溫度、濕度等環境因素變化對農作物生長造成的不利影響，保障農產品的質量，同時減少了人力成本，提高了對大棚的管理效率與農業智能化生產水平。

2.3 天氣預報顯示模塊

精確的天氣預報有利于對大棚進行更好的管理規劃，減少氣象因素對大棚內的植物生長環境的影響[7]。天氣預報的數據主要通過心知天氣獲取，通過ESP32的WiFi模塊連接到心知天氣的服務器，發送獲取數據的請求；獲得天氣數據之后，通過調用CJSON的庫，解析天氣數據，并將解析的數據存放在一個雙層結構體中，因此只需要訪問結構體成員即可，成員名稱與心知天氣返回的名稱相匹配；最后將數據打印到OLED屏幕上進行顯示。過程如圖3所示。

2.4 火焰報警模塊

火焰報警模塊由火焰傳感器、MQ-2煙霧傳感器、彩色LED燈和有源蜂鳴器組成。火焰傳感器基于紅外輻射工作，對火焰光譜特別靈敏，紅外光電二極管將檢測來自任何物體的紅外輻射；然后將其與設定值比較，以DO輸出高低電平0或1，高于設定值時，輸出1，代表有火焰產生。MQ-2煙霧傳感器所使用的氣敏材料為電導率較低的二氧化錫，二氧化錫會吸附空氣中的煙霧顆粒，引起表面導電率的變化，煙霧體積分數越大導電率越大，輸出電阻越低，則輸出的模擬信號越大，當輸出高于閾值時，DO輸出高電平1。ESP32會接收來自火焰和煙霧傳感器的高低電平信號，當接收的信號都為高電平1時，代表大棚內部出現火焰，這時ESP32向有源蜂鳴器和彩色LED燈發送高電平信號，蜂鳴器會進行蜂鳴報警，彩色LED燈閃爍，提醒大棚管理者大棚內部出現火源，要及時采取應對措施[8]。

2.5 語音遠程控制模塊

語音識別模塊含有一個LD3320芯片，該芯片集成語音信號采集和識別算法，可以滿足人們對語音控制的需要。在此模塊中設置“補光燈開啟”“補光燈關閉”“棉被升起”“棉被降下”四個詞條，當用戶處于大棚內部時，只需要說出其中一個詞條即可完成對應的操作，減少了人力勞動，節約了時間，讓管理者可以根據自身需要隨時調節大棚內部的燈光強度與棉被升降高度，更好地適應農作物的生產要求。

3 系統軟件設計

基于Arduino進行下位機設計，包括數據采集模塊、自動控制模塊等，采用C語言進行程序編寫。基于騰訊云平臺和Tomcat服務器部署開發的實時網頁界面為用戶提供實時的監控頁面與管理功能。用戶可以通過手機、平板或電腦等終端設備，隨時隨地監測大棚的環境參數和控制狀態，實現遠程實時管理。

云平臺管理系統主要以方便高效為核心進行設計，通過將各個大棚連入同一局域網，將各個大棚連接起來，打破了大棚之間的數據孤島，同時也考慮到了后續智慧大棚發展問題，為接入更多的大棚預留了接口，可以隨時增加大棚的使用數量。

3.1 總體監控模塊

溫度、光照、水分是影響蔬菜生長的重要因素，所以科學種植和良好的田間管理是蔬菜生產高產、高效、優質的有效途徑。在總體監控模塊，云平臺管理系統可以連接1～8個獨立大棚，可以根據每個大棚種植不同的農作物而設置各個大棚的溫度、光照強度、濕度等數據閾值，保證農作物在最適宜的條件下生長，提高了種植的多樣性與用戶經濟收入。同時判斷采集到的數據是否超過對應大棚設置的閾值，如溫度與濕度數據，若超過該大棚設置的閾值則會在對應的大棚圖標上面顯示溫度與濕度警告標識，提醒用戶該大棚數據異常。總體監控模塊如圖4所示。

3.2 詳細參數顯示模塊

大棚內部傳感器采集到的數據被發送到ESP32之后，通過MQTT協議上傳到云平臺的詳細參數頁面，用戶可以在詳細參數顯示模塊查看任意一個大棚內部的溫度、濕度等數據[9]，如圖5所示。

3.3 溫濕度變化曲線模塊

為了能夠更直觀地觀測數據，了解溫濕度數據的變化趨勢，本模塊采用了隨時間變化的溫濕度變化曲線，讓用戶可以清楚地看到數據的實時變化，并預測變化趨勢，同時也可以通過曲線查詢過去某一時間段的數據變化[10]，如圖6所示。

3.4 農作物詳情模塊

在農作物詳情模塊，用戶可以查看大棚內種植的農作物的最佳生長環境、生長周期等基本信息，為種植農作物做出合理規劃。農作物詳情模塊如圖7所示。

4 結 語

隨著人口的增長和耕地面積的減少，人們對農產品的需求量越來越大。而智慧大棚可以通過提高農作物的生長速度和產量，滿足人們對于農產品多樣化的需求。我國農業要進一步實現智能化，對農業生產進行科學管理，才能滿足人們的需求。本文的智慧大棚系統從硬件和軟件兩方面入手，能夠提高人們對大棚集約化、規模化種植的管理效率，維持大棚內部的溫度、濕度等環境因素的穩定，為農作物生長提供優良的環境，減少農作物對外界自然環境的依賴，讓種植的農作物種類更加多樣化。

注：本文通訊作者為崔艷軍。

參考文獻

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