基于STM32的農業補光物聯網系統設計

中圖分類號：TN929.5 文獻標志碼：A 文章編號：2096-9902（2025）15-0019-05

Abstract：Inresponsetothegrowingdemandforsmartagricultureinagriculturalproduction，thisdesigndevelopsan intellgentITcontrolsytemforoperatingandcontrollnglightinginagiculuralsuppementallghtinglamps.Tesyteutlizes theHuaweiCloudIoTplatform，withtheagriculturalsupplementallightinglampadoptingtheSTM32F103RCT6asitsmain controlchip.Temperature，humidity，andlightintensitysensors（BH175O）areintegratedtoacquireenvironmentalanddevice specificdata，whichistransmitedviatheESP8266Wi-Fimodule.Thedeviceenablestheacquisitionofmultipleenviroental data，uploadsittotheIoTplatformthroughtheWi-Fimodule，andultimatelypresentsitonaUinterface，alowingremote control of the device's on/off status and adjustment of light intensity as needed.

Keywords：smartagriculture;STM32MCU;environmentalmonitoring;agriculturalfillight; InteetofThingstechnology

為應對農業生產效率中的高效需求，在進人互聯網時代后，傳統的農業設備逐漸被淘汰，我國正由傳統農業邁人智慧農業，在未來傳統農業補光設備將逐漸被網絡集成的智能農業補光系統所取代。“智慧農業\"即將人工智能、大數據、物聯網、人機交互和區塊鏈等先進的信息技術與農業全產業鏈進行全方面融合，有利于科學管理農業生產、解決信息不對稱問題，掌握市場變化與消費者需求、構建農產品可追溯體系，確保農產品質量安全、發展新模式新業態，提升農業全產業鏈價值和改善農業生態環境，推動農業可持續發展。基于物聯網技術的智慧農業系統的設計與實現具有極其重要的意義，將使得農業生產能夠更加科學、高效、智能地進行，為農業產業升級和農村經濟發展提供有力支撐。

本智能農業補光系統由單片機集成光強傳感器、溫度傳感器等模塊收集數據信息，通過Wi-Fi模塊將數據信息上傳至物聯網平臺，通過UI界面調用物聯網平臺數據，經過處理最終呈現給用戶，其中農業補光燈能夠通過語音控制和手動操作控制。

1物聯網介紹

物聯網（InternetofThings，IoT）簡單來說就是物與物的網絡。通過紅外傳感器、生物傳感器、流量傳感器等信息傳感設備，根據制造商選擇的協議，將任何物品連接到互聯網進行信息交換和通信，以實現智能識別、定位、跟蹤、監測和管理。將物理設備與物體通過互聯網進行聯系與互動。它使各類對象之間可以互相通信，采集并分享數據，從而達到智能化監控、控制與管理。物聯網技術主要以傳感器、無線通信、云計算等為核心，利用傳感器對多種環境與對象進行數據采集，利用無線通信技術進行設備間互聯互通，同時云計算為數據存儲與處理提供強大能力。

2 軟件平臺搭建

2.1 MQTT協議介紹

MQTT（Message Queuing Telemetry Transport，消息隊列遙測傳輸協議）是一種輕量級、基于發布-訂閱模式的消息傳輸協議，MQTT協議的設計非常簡潔，協議頭信息少，消息格式緊湊，占用的網絡帶寬和設備資源少。這使得其非常適合在資源受限的設備上運行，如傳感器、嵌入式設備等。MQTT采用異步通信方式，客戶端在發送或接收消息時不需要等待對方的響應，提高了系統的通信效率和響應速度。在物聯網領域，大量的傳感器和設備需要將采集到的數據傳輸到云端進行處理和分析。MQTT的量級和低功耗特性使其成為物聯網設備通信的主流，連接時，MQTT服務器通常是軟件或設備的總和。

2.2 Flask開發介紹

Flask是一個使用Python編寫的輕量級Web應用框架，旨在簡化Web應用的開發。它基于WerkzeugWSGI工具箱和Jinja2模板引擎，采用BSD授權。

Flask核心功能簡潔，不包含數據庫抽象層、表單驗證等復雜功能，但可以通過擴展來實現這些功能。開發者可以根據項目需求自由選擇數據庫、表單處理工具等，具有很強的可定制性，靈活性高。同時Flask提供了豐富的擴展機制，如Flask-SQLAlchemy（數據庫操作）、Flask-WTF（表單處理）Flask-Login（用戶認證）等，可以方便地擴展應用的功能。Flask的輕量級特性和靈活的開發方式使得開發者能夠快速搭建Web應用原型，適合開發小型到中型項目。

2.3 系統架構與通信機制

系統采用3層架構設計：前端展示層、Flask應用層和MQTT通信層。Flask應用作為中間層，既處理HTTP請求又管理MQTT連接，實現了Web界面與硬件設備的雙向通信。MQTT客戶端在應用啟動時初始化，連接到公共Broker，并訂閱相關主題。通過on_connect和on_message回調函數，系統能夠實時響應連接狀態變化和處理設備消息。

2.4數據處理與線程安全

傳感器數據采集采用線程安全的設計模式。當MQTT客戶端接收到光照傳感器數據時，on_message回調函數將數據和時間戳存入一個固定長度的雙端隊列（deque），并使用線程鎖（Lock）確保數據操作的原子性。這種設計既保證了數據的實時性，又避免了多線程環境下的資源競爭問題。自動控制邏輯也在此回調中實現，當系統處于自動模式時，會實時比較當前光照強度與設定閾值，自動計算并發送PWM控制信號。系統采用的MQTT連接具備TLS加密功能。TLS（傳輸層安全）加密協議，能夠在數據傳輸過程中，對數據進行高強度加密處理。在數據從發送端發出到接收端接收的整個鏈路中，即使存在非法第三方試圖竊聽通信內容，由于數據已被加密，竊聽者獲取到的也只是亂碼信息，無法解析出真實有效的數據內容，從而有效防止數據在傳輸過程中被竊取，確保了通信鏈路的安全性和數據的保密性。

為防止惡意用戶通過頻繁發起請求對系統進行攻擊，導致系統資源耗盡或服務中斷，系統對API接口實施了請求頻率限制。通過設定合理的請求頻率閾值，當用戶的請求頻率超過該閾值時，系統會對后續請求進行限制或拒絕處理。

2.5 RESTful API設計

系統提供了一組簡潔的API接口：/get_data用于獲取歷史傳感器數據，返回JSON格式的數據點數組；/set_mode接受“auto\"或“manual\"參數來切換控制模式;/set_pwm在手動模式下設置PWM輸出值;/tog-gle_system控制系統全局開關。每個接口都包含完善的參數校驗和狀態反饋，確保系統的穩定性和安全性。

2.6 前端交互設計

前端界面采用響應式設計，主要分為3個功能區：數據可視化區使用動態圖表展示光照強度變化趨勢；控制面板提供模式切換、PWM調節和閥值設置等交互元素；狀態顯示區實時反饋系統當前模式和運行狀態。通過AJAX技術與后端交互，實現了無刷新頁面更新，同時使用WebSocket或定時輪詢保持數據同步，確保用戶界面與實際設備狀態的一致性。控制操作均提供即時視覺反饋，錯誤情況會通過提示框告知用戶，極大提升了用戶體驗。數據更新采用WebSocket長連接，在服務端實現了一個輕量級的WebSocket服務器，通過Flask-SocketIO擴展與前端保持實時通信。當MQTT接收到新數據時，服務端會通過WebSocket廣播給所有連接的客戶端，實現真正的實時更新。

3 硬件設計及系統分析

3.1 控制器選型

本系統采用STM32F103RCT6芯片。這款芯片隸屬于STM32系列單片機，而STM32系列單片機是以ARMCortex-M為內核的32位微處理器。與同類型產品相比，STM32系列單片機的顯著優勢在于其擁有豐富多樣的外設。這些外設為系統開發提供了極大的便利，能輕松適配各種外部設備。搭配的開發軟件簡單易用，極大地提高了開發效率。選用STM32F103RCT6芯片，該芯片具備5個USART串口和2個IC接口。接口資源豐富，能夠充分滿足開發補光系統的各類需求。

3.2光檢測模塊選型

本系統采用BH1750光強傳感器模塊實現光照強度檢測。該模塊基于BH1750芯片構建，并配備外圍電路。BH1750芯片內部集成光敏二極管、運算放大器、ADC采集單元以及晶振。模塊設有5個引腳，分別對應供電電壓正極、負極、IIC時鐘線、IIC數據線和IIC地址線。通過IIC總線協議，模塊可與單片機進行通信，以數字信號形式輸出測量所得的光照強度數據。

3.3溫度預警模塊選型

系統采用DS18B20溫度傳感器模塊監測補光燈工作溫度，該模塊測量范圍為 -55～125^°C ，能夠滿足系統要求。模塊有3個引腳，分別為電源線、地線和單總線通信接口，數據的接收與發送均通過此接口進行。接收數據時，該接口處于高電阻輸入狀態；發送數據時，采用開漏輸出，輸出“1\"時為高電平，輸出“0\"時為低電平。

系統預設多個溫度閾值，當補光燈工作溫度超過第一閾值時，啟動風扇進行散熱降溫；當溫度超過更高的第二閾值時，觸發警報，并降低補光燈工作檔位；當溫度達到極限值時，自動關閉補光燈。

3.4溫濕度檢測模塊選型

系統采用B-HT-RS30溫濕度傳感器，該傳感器的溫度測量范圍為 -40～+80‰ ，濕度測量范圍 0～100%RH ，能夠滿足農作物生長環境的檢測需求。模塊支持5V供電，配備四線接口，包括2條電源線和2條通信線，將其與相應的電源和通信線路連接，即可完成配置。該傳感器針對農業應用場景進行了防潮處理，可直接插入土壤，檢測農作物表面的溫度和濕度，并將數據傳輸至單片機。

3.5 補光燈板設計

不同農作物對光照的需求主要集中 400～460nm 的藍紫區和 600～700nm 的紅橙區。為滿足這一需求，本系統選用紅藍雙色燈珠，分別組成紅色LED燈組和藍色LED燈組。2組燈珠均支持PWM調光，可組合出不同的光源，以滿足各類農作物對光色的需求。燈光所有控制操作都實現了防抖處理，避免快速連續操作導致的指令風暴。PWM在值變化時會延遲 300ms 才真正發送請求，期間如果值再次變化則重置計時。這種優化顯著降低了網絡負載，提高了系統穩定性。

為平衡補光效果與功耗，并滿足散熱要求，系統選24V燈珠，并將燈板尺寸控制在 30cm×40cm 范圍內，確保實現最佳的補光效果。

3.6語音識別模塊選型

本系統采用LU-ASR01語音控制模塊實現語音控制功能。該模塊支持麥克風和音頻輸入，并提供串行接口和USB接口，便于與其他設備進行通信。本系統采用串口通信方式，用戶可通過麥克風向語音模塊發出指令，語音模塊將指令發送至單片機，由單片機控制補光燈的開關狀態和光照強度。

3.7 Wi-Fi通信模塊選型

本系統采用ESP8266Wi-Fi模塊，實現單片機與物聯網平臺之間的通信。模塊的核心處理器ESP8266集成32位MCU，主頻支持 80MHz 和 160MHz 。模塊通過串口與單片機進行通信，內置TCP/IP協議，可實現串口與Wi-Fi之間的協議轉換。

該模塊共有6個管腳，分別為電源、電源地、串口接收腳RXD（連接單片機的發送腳）、串口發送腳TXD（連接單片機的接收腳）復位鍵和固件燒寫管腳。本系統采用串口無線STA模式，模塊作為無線Wi-FiSTA接入通過MQTT協議將數據上傳至物聯網平臺，實現物聯網、單片機和模塊之間的數據互傳，從而在網頁UI上實時顯示環境數據。

3.8阿里云物聯網平臺

阿里云物聯網平臺是面向物聯網企業的設備管理平臺，提供設備連接、管理、數據處理等一系列服務，幫助企業快速構建物聯網應用。

整體系統結構圖如圖1所示。

圖1系統結構圖

本系統中語音控制模塊、溫度傳感器、光強傳感器和溫濕度傳感器外接STM32單片機，單片機收集數據，由ESP8266Wi-Fi模塊通過MQTT協議上傳至阿里云物聯網平臺，最后調用呈現在網頁UI界面上，系統流程圖如圖2所示。

圖2系統流程圖

系統啟動后，進入“初始化”流程，這是系統正常運作的基礎準備工作。初始化完成后，連接Wi-Fi模塊，確保系統具備網絡連接能力，進而訪問阿里云物聯網平臺，用于獲取數據、上傳信息。之后，系統通過“檢查系統模式\"來判定運行方向。

若選定為人工模式，用戶可借助語音或手動控制2種方式下達指令。這些指令會在UI界面顯示，方便用戶確認操作狀態。隨后，系統依據用戶指令精準執行農業補光調節，滿足用戶個性化、即時性的補光需求，適用于對補光有特殊或臨時調整要求的場景。

當系統選定為自動模式，會調用后臺算法。該算法綜合環境光強度、作物生長階段等多因素進行運算。運算結果經UI顯示后，系統自動完成農業補光調節，能實現智能化的補光管理，減少人力投人，為農作物提供更科學、穩定的光照環境，契合大規模、標準化農業生產需求。

4結果展示

4.1 硬件展示

基于STM32的多功能農業補光燈硬件部分如圖3所示。一塊STM32單片機開發板，是整個系統的控制核心，負責處理傳感器數據、執行預設程序并控制補光燈等組件工作，與光照傳感器相連，用于感知環境光照等參數，顯示屏顯示各類參數，為調節補光燈的亮度提高數據依據。連接著多線路的補光燈光板，是實現補光功能的關鍵部件，它能為農作物提供適宜光照。散熱風扇用于給長時間工作的補光燈等發熱組件散熱，以保障硬件穩定安全運行。此外，還有電源模塊，為整個系統供電。眾多電線將各部件連接起來，共同構建起多功能農業補光硬件系統。

圖3硬件展示圖

4.2 UI界面展示

物聯網燈光控制系統界面如圖4所示。界面左側展示了傳感器的數據，當前光照為 1390lux ，溫度為14.0^°C ，濕度為 51.0% ，并分別呈現光照、溫度、濕度歷史變化曲線。右側是系統控制區，顯示系統已啟用且設備是在線工作狀態。工作模式可在自動和手動間切換，當前燈光亮度為 0% ，還展示了當前PWM值和目標光照值。整體呈現了環境數據監測及燈光控制相關信息。

物聯網燈光控制系統

圖4UI界面圖

5 結論

本智能農業補光燈物聯網系統設計由STM32F103RCT6單片機作為主控芯片，協調各外接模塊協同工作。外接的語音控制模塊LU-ASR01，為用戶提供了便捷高效的語音交互操作途徑，極大提升了操作的便利性。溫度傳感器DS18B20能夠精準測量環境溫度，光強傳感器BH1750接收光強信號，溫濕度傳感器B-HT-RS30實時監測環境溫濕度，為系統決策提供豐富且準確的環境數據。

在數據傳輸環節，系統借助Wi-Fi模塊ESP8266實現與外界的網絡連接。尤為重要的是，采用物聯網中廣泛應用的MQTT通信協議進行數據交互。MQTT是一種輕量級的發布/訂閱模式的消息傳輸協議，具有低帶寬、低功耗、可靠性高等特點，非常契合智能農業補光燈物聯網系統對數據傳輸的需求。各傳感器采集到的溫度、光照強度、溫濕度等數據，首先STM32F103RCT6Wi-Fi單片機進行初步處理，隨后通過ESP8266Wi-Fi模塊，依據MQTT協議將數據打包發布到阿里云物聯網平臺特定的主題下。阿里云物聯網平臺作為強大的數據匯聚與處理中心，接收并存儲這些數據，同時對數據進行深度分析與挖掘。

最后，數據能夠在網頁UI界面呈現。用戶通過網頁可直觀查看實時環境數據以及補光燈的工作狀態。在操作模式上，本農業補光燈功能多樣，既支持人工手動操作，滿足用戶即時性的個性化調節需求；也能通過語音控制操作，為用戶帶來便捷體驗；更能通過對環境情況進行自我調節。系統基于阿里云物聯網平臺處理后的數據，結合預設的智能控制策略，當環境光照強度、溫度、濕度等參數偏離農作物生長的適宜范圍時，通過MQTT協議向STM32F103RCT6單片機發送控制指令，進而自動調整補光燈的開啟、關閉以及補光強度與時長，為農作物營造最適宜的光照環境，助力農作物茁壯成長，推動農業生產邁向智能化、精準化的新階段。

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