基于STM32的多功能农业补光系统设计

摘" 要：仅靠自然光难以满足农作物茁壮成长需求，为解决这一难题，该文提出一种基于无线信号传输的多功能农业补光灯，可适用于不同农业场景下。补光灯以STM32F103RCT6作为主控芯片，加入温度、湿度、光照强度传感器等，以获取环境和装置本身的数据信息，还可以通过Wi-Fi模块进行数据传输。经过调试，装置可以实现获取环境多项数据并与手机APP通信的功能，加入语言识别模块，可远程控制装置开关并按需调整光照强度。综上，该装置可以实现监测农作物生长环境信息并按需进行调整补光等功能。

关键词：智慧农业;STM32单片机;环境监测;农业补光灯;Wi-Fi通信

中图分类号：TP368" " " 文献标志码：A" " " " " 文章编号：2096-9902（2024）13-0011-04

Abstract： It is difficult to meet the needs of crop growth by natural light alone. In order to solve this problem， a multi-functional agricultural supplementary light based on wireless signal transmission is proposed in this paper， which can be applied to different agricultural scenes. The supplementary light lamp uses STM32F103RCT6 as the main control chip， adding temperature， humidity and light intensity sensors to obtain the data information of the environment and the device itself， and can also transmit data through the Wi-Fi module. After debugging， the device can obtain multiple data of the environment and communicate with the mobile phone APP， add the language recognition module， and remotely control the device switch and adjust the light intensity as needed. In summary， the device can realize the functions of monitoring crop growth environment information and adjusting supplementary light as needed.

Keywords： smart agriculture; STM32 single chip microcomputer; environmental monitoring; agricultural supplementary light; Wi-Fi communication

随着新一代信息技术蓬勃发展，大数据、人工智能等技术与农业农村加速渗透融合，持续推进我国从传统农业迈入智慧农业时代。智慧农业是利用这些先进的技术和装备实现农业生产过程中的智能感知和智慧管理，从而提高农业的资源利用率和生产效率。智慧农业是大势所趋，而智能化农业设备是农业发展的重要驱动力，它们的广泛应用能有力推动农业现代化进程。基于这些目标，设计一款基于STM32的多功能农业补光系统，通过实时监测农作物生长环境，按其需要为其调整补光强度，实现农作物茁壮成长。

1" 系统硬件设计

在本设计中，主控制器的选型非常重要，它直接影响整个设计的完成情况。温度、湿度、光照强度传感器在采集到环境数据信息后，会将信息传输给主控制器，主控制器会根据原先设定好的程序进行数据处理，并把数据通过Wi-Fi模块发送到手机APP上，用户可以根据手机上的数据信息，提出改进要求，由语言模块传递发送指令给主控制器，控制补光灯调整光照强度。

具体系统整体框架如图1所示。

1.1" 芯片选型

经过考虑，本系统选用STM32系列单片机作为控制器，它是基于ARM Cortex-M内核的32微处理器，具有高性能、低成本、低功耗等特点，除此之外，相比较同类型的产品，它还拥有丰富的外设和简单易用的开发软件。最终选用STM32F103RCT6芯片作为整个补光系统的核心处理器，其具有5个USART串口和2个I2C接口，完全满足开发该补光系统的需求。

1.2" 光检测模块设计

选用BH1750光强传感器模块用于检测光照强度，它是基于BH1750芯片，加上外围电路组成。BH1750内部由光敏二极管、运算放大器、ADC采集和晶振等组成。模块有5个引脚口，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，模块可以和单片机完成通信，将测量的光照强度数据通过数字信号输出。

1.3" 温度预警模块设计

选用DS18B20温度传感器模块检测补光灯工作温度，其测量范围是-55 ℃到125 ℃，可以完全满足补光系统所需要求。一共有3个引脚，分别是电源线、地线、单总线通信接口，接受和发送都是通过该引脚。其接收数据时为高电阻输入，发送数据时为开漏输出，输出1时为高电平，输出0时为低电平。设置一个温度，当补光灯在工作时超过此温度，将打开风扇进行散热降温。设置一个更高温度，当温度超过此温度时，警报声响，并进行降档，当温度超过极限值时，补光灯自动关闭。具体温度模块电路原理图如图2所示。

1.4" 温湿度检测模块设计

选用B-HT-RS30温湿度传感器，其可测量温度范围为-40～+80 ℃，湿度范围为0%～100%（RH），完全满足检测农作物生长环境的需求。该模块可以5 V输入，有4线接口，分别是2条电源线和2条通信线，分别与电源线路和通信线路接通即可配置。该传感器针对农业应用环境做过防潮处理，可直接插入土壤检测农作物表面的温度与湿度情况，并把数据传给单片机。

1.5" 补光灯板设计

农作物所需光照波段为400～460 nm蓝紫区和600～700 nm红橙区，为满足农业补光需求，选用红蓝两色灯珠，以此满足不同农作物所需不同光照条件。并将红色LED与蓝色LED灯珠分别组合成为2个灯组，能够通过PWM进行分别调控，用以组合出不同光源，使得补光系统能够满足各类农作物所需光色。此外为了使得效果和功耗达成平衡效果，同时满足散热需求，选用24 V灯珠，并将灯板大小控制在30 cm×40 cm内，实现所需效果。

1.6" 语音识别模块设计

选用LU-ASR01语音模块来实现语音控制功能，该模块支持麦克风、音频输入，并且提供串行接口和USB接口，便于和其他设备进行连接通信。本系统采用串口通信的方式， 使用者可以向语音模块的麦克风处发出指令，语音模块向单片机发送指令，单片机控制补光灯开启关闭状态或调整光照强度。同时该模块有DHT接口，与上述DS18B20温度传感器模块连接，即可进行温度播报。

1.7" Wi-Fi通信模块设计

选用ATK-ESP8266 Wi-Fi模块同时与单片机和手机APP进行通信。核心处理器ESP8266集成了32位MCU，主频支持80、160 MHz。本系统采用串口的方式使模块与单片机通信，其内置TCP/IP协议，能够轻松实现串口与Wi-Fi之间的转换。模块有6个管脚，分别是电源、电源地、串口接收脚RXD（与单片机发送脚相连）、串口发送脚TXD（与单片机接受脚相连）、复位键和固件烧写。运用串口无线STA模式，模块作为无线Wi-Fi STA连接到手机的无线网络，实现手机、单片机和模块之间的数据互传即可实现在手机APP上显示环境数据信息。

2" 系统程序设计

2.1" 系统程序流程图

为满足补光灯实时调节的需求，需要基于程序逻辑进行实时判断，当接收到开始补光的信号，补光系统程序开始运行，接受光强传感器的实时数据，计算目标光强与实际光强的差值，使用PID算法构建光强控制环，给定比例、积分和微分参数，使得光照强度能够较快响应并调整到所需目标光强，并不会超调，随着光强输出的提高，系统发出的热量会越来越大，为保证补光系统的稳定性和安全性，在进行参数增量调整之后需要对系统的温度进行控制，当系统温度过高时会开启散温模块，通过金属导热板将温度集中，开启大功率风扇，集中散热。若温度持续升高，到达耐受值上限，系统将自动降档，降低补光强度，并在手机APP上进行提醒，若温度超出耐受值上限，系统将停止运行，直到温度冷却，再进行补光，整体结构框架图如图3所示。而其他农业相关参数都将实时记录，并通过Wi-Fi模块传输至手机APP显示，同时也能通过硬件显示屏观看实时参数，方便人员进行检查、调整、交互。

2.2" APP程序设计

手机和补光系统连上同一个Wi-Fi，实现数据传输和实时控制，在手机APP上显示当前补光灯的目标光强、农作物实时接收光强、农作物生长环境湿度与温度及土壤湿度等信息，同时提供控制平台，能够实时操控农业补光灯的开关、色温、目标光强等参数。

3" 系统机械设计

3.1" 外壳设计

农业补光灯功率高，在系统工作时会产生大量热量，为保证系统工作的稳定性，并且考虑到使用环境需要的便于悬挂的特性，本系统选用铝制灯板并加装铝制散热片，通过增加与空气的接触面积提高对流散热效果，同时将热量聚集，加装风扇以提高散热能力。

3.2" 传感器设计

为适应农业高湿度、高温度的使用环境，在传感器周围加装防水层，降低湿度对于电子设备的影响，提高传感器的稳定性，同时为保证传输的稳定性，线材也加装了防水层，保证信息传输的准确。

4" 多功能补光系统的调试与结果分析

从预期实现功能方面，有满足农业需求的补光参数设计、手机APP上显示数据、语音控制补光灯调整光强和温度预警降温4个方面。本文将逐一验证各个功能模块，完成后进行整体功能验证。

4.1" 多功能补光系统调试

为检验农业补光灯补光效果的好坏，需要选取一个合适的光色范围和光照强度，根据黄松等的研究，可以得知在人工光栽培环境下，光照强度为300 μmol/（m2·s）能够实现对番茄最好的补光效果，而黄瓜一般要达到400 μmol/（m2·s）光照强度才能正常生长发育，本系统需要将农作物所受光强维持在所需光照强度之上，并且实现无须人工调节的自动补光。为检测补光灯更具环境的自适应性，分别在遮光环境、室内环境、室外环境对2种农作物所需光强进行检测，在系统中给定目标光强数值，并使用光照传感器检测实时光照强度，结果均能达到目标光照强度，并且响应时间较为合理。

4.2" 语音识别模块调试

在模块的工具软件上，进行初始化设置，先选择波特率和传感器，后进行I/O口和高低电平设置，最后添加识别词，完成软件配置。为检测语音识别的稳定性和准确性，在检测补光灯语音控制系统时，播放一定环境噪音，用来模拟农业大棚等生产环境，以检测补光系统在嘈杂环境下的语音控制能力。经过检测，在环境音不超过60 dB时能够稳定识别和检测。同时为满足较远距离的语音控制，经检测在较安静环境中检测距离能达到10 m，满足一般农业生产环境和需求。

4.3" Wi-Fi通信模块调试

为检测APP与补光系统的及时互联性，分别在补光系统控制平台和手机APP上操作改变补光灯的实时参数，检测是否准确和及时，并检测在同一网络下操控系统的稳定性，经过实际测试，系统传输效果受限于Wi-Fi信号，在信号良好条件下能够稳定运行，参数更新也较为及时，满足农业补光灯使用场景。

4.4" 温度预警模块调试

单片机上电工作后，补光系统灯光打开，随着工作时长的增加，整个补光系统温度升高，当温度达到预设温度50 ℃时，风扇打开，开启降温模式;当温度持续升高，温度达到65 ℃时，补光系统需要降档;若降温效果不佳，温度上升到75 ℃时，蜂鸣器响起，发出警报，提醒使用者注意使用情况;当补光系统温度超过80 ℃时，系统停止补光。经过长时间的开启和检测，本系统能较好地完成温度控制。

4.5" 调试结果整体分析

整个系统安装完成后，分别将各个模块的程序录入，进行最终整体调试。经室内试验，温湿度传感器检测正常，成功将数据发送至手机APP上。后进行室外环境测试，阴天情况下，将温湿度传感器放置在农作物生长土壤表面，光照强度值显示在手机APP上，使用者对语音模块的麦克风口发出补光指令，补光系统进行补光，间隔几分钟后，手机APP中显示光照强度明显增加。试验表明，多功能农业补光系统的各个模块均运行正常可以实现预期。

5" 结束语

基于上述内容，本文设计实现了一款基于STM32芯片的多功能农业补光系统，设计过程中运用了嵌入式技术、传感器技术、互联网技术等，能够安装在农业环境中，检测农作物生长环境的温湿度和光照强度情况，通过软件算法自动控制植物光照环境，利于植物生长，同时在手机APP中显示，并提供操控窗口，让工作人员可以根据直观的数据对农作物光照环境进行调整。该装置能够实现自动控制、无线传输数据、检测环境等功能，在市场中具备广泛的应用前景。

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*通信作者：奚峥皓（1980-），男，博士，副教授。研究方向为智能控制系统和装置设计。