2026 M-Design设计竞赛-基于物联网的温室大棚管理系统

内容介绍

项目名称：基于物联网的温室大棚管理系统

一、项目介绍和创意介绍

项目简介

本项目是一款基于STM32F103C8T6主控、ESP32物联网模块的温室大棚智能环境监控与自动控制系统。系统能够实时检测空气温度、空气湿度、土壤湿度和光照强度四项关键环境参数，并通过本地OLED屏幕进行多界面显示。当环境参数超出预设阈值时，系统可自动控制排气扇、水泵、补光灯等执行设备，并触发蜂鸣器和LED进行声光报警。所有阈值均可通过板上按键独立调节，且数据具有掉电记忆功能。ESP32将环境数据上传至点灯科技物联网平台，用户可在手机APP上远程查看大棚状态；同时支持Web一键配网，极大降低部署难度。本设计完成2026 M-Design设计竞赛的任务一

创新点

- **四维环境精准感知**：集成空气温湿度、土壤湿度、光照强度四类传感器，全面反映作物生长环境

- **多策略智能联动控制**：温度、湿度、土壤湿度、光照分别触发排气扇、水泵、补光灯和声光报警，实现完全自动化的环境调节

- **物联网云监控与远程管理**：通过点灯科技平台，用户可随时随地通过手机APP查看大棚实时数据与设备状态

- **免代码Web配网与掉电记忆**：支持WiFi一键配置，断电不丢失，上电即恢复工作模式

二、硬件介绍

主要硬件组件

- 主控芯片：STM32F103C8T6（Cortex-M3内核，72MHz）

- 物联网模块：ESP32-WROOM-32（WiFi+蓝牙双模）

- 空气温湿度传感器：DHT11（数字信号，高精度）

- 土壤湿度传感器：电阻式土壤湿度探头（模拟输出，经ADC采集）

- 光照传感器：BH1750（I2C接口，高精度数字光照度计）

- 显示模块：0.96寸 OLED（I2C接口）

- 执行器件：5V排气扇、水泵、补光灯LED模组

- 驱动电路：2路N-MOS管（IRF540）分别驱动风扇和水泵；补光灯通过另一路MOS驱动

- 报警器件：有源蜂鸣器+高亮红色LED

- 输入设备：3个独立按键（用于阈值设定）

- 供电方案：STM32板载稳压，兼容USB供电与电池供电

硬件连接说明

- STM32与ESP32通过UART串口通信（PA9-TX，PA10-RX）

- 空气温湿度传感器DHT22连接至PA0（单总线）

- 土壤湿度传感器输出接PA1（ADC1_IN1）

- BH1750光照传感器与OLED使用I2C1总线

- 排气扇MOS管控制引脚PA4，水泵MOS PA5，补光灯MOS PA6

- 蜂鸣器控制引脚PA7，报警LED接PA8

- ESP32自身独立运行，通过UART接收STM32发来的数据，上传至云端

三、方案框图和项目设计思路

方案框图

设计思路

本系统遵循“感知—处理—控制—传输—展示”五层架构：

感知层：DHT11获取空气温湿度，土壤湿度探头获得体积含水率，BH1750测量光照强度，实现四项环境要素实时采集
处理层：STM32完成传感器数据读取、阈值比较、自动控制逻辑、按键扫描以及阈值保存与读取
控制层：当温度>35℃开启排气扇，<10℃声光报警；空气湿度>80%开启排气扇，<30%声光报警；土壤湿度<50%启动水泵；光照<3000 Lux开启补光灯
传输层：ESP32通过UART接收所有环境数据，连接WiFi后将数据封装上传至点灯科技平台；支持Web配网接口，无需修改固件即可更改WiFi
展示层：本地OLED显示主界面（四项参数）与状态界面；点灯科技手机APP同步显示实时数据卡片

四、原理图和PCB设计介绍

原理图设计特点

电源部分：5V输入经板载LDO稳压为STM32、ESP32及传感器供电，5V直供MOS驱动电路和排气扇/水泵/补光灯
传感器接口：DHT11单总线加4.7k上拉；土壤湿度传感器利用分压式采集，内部ADC分辨率12位；BH1750和OLED挂在不同I2C总线，地址无冲突
MOS驱动回路：采用N-MOS低端驱动方式，G极串联电阻防止振荡
报警：蜂鸣器和LED由GPIO直驱
按键电路：按键均靠内部上拉，GPIO检测低电平，配合去抖算法实现阈值加减、切换选项及保存功能

五、软件流程图和关键代码介绍

软件流程图

关键代码介绍

void jiance(void)
{
		if(uwTick-aa>1000)	//       
	{
		DHT11_Read_Data(&temperature,&humidity);
		tu_humi=100-getADC(&hadc1);
		light = BH1750_ReadLight();
		sprintf(t, "t%2dv%3di%3dp%5d", temperature, humidity, (int)tu_humi, (int)light);
		HAL_UART_Transmit(&huart1,(uint8_t*)t,strlen(t),50);
		aa=uwTick;
		tt[num]=temperature;
		ii[num]=humidity;
		ll[num]=(int)light;
		vv[num]=(int)tu_humi;
		num++;
		if(num==100) num=0;
	}
}

2. ESP32部分代码

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  BLINKER_DEBUG.stream(Serial);
  MySerial.begin(115200,SERIAL_8N1, 6, 7);// 初始化串口  波特率，默认SERIAL_8N1为8位数据位、无校验、1位停止位，后面两个分别为 RXD,TXD 引脚
  pinMode(9,INPUT_PULLUP);
  pinMode(2,OUTPUT);
  digitalWrite(2,LOW);
  MySerial.write('0');

六、功能展示图及说明

最终效果图展示

系统上电后，OLED主界面：

- **界面1（主界面）**：空气温度/湿度、土壤湿度、光照强度，同一屏四行数据清晰排列

手机APP监控界面

通过点灯科技定制化控件：

- 实时数据卡片：温度、湿度、土壤湿度、光照强度

数据储存界面

系统整体图

图中红棕线是电阻式土壤湿度传感器，紫白色连接的是水泵

排气风扇运行图

风扇连接PCB上带有风扇丝印的排针处，阈值达到自动排气

七、设计中遇到的难题和解决方法

多传感器数据同步与干扰问题

问题：DHT11单总线读取时间较长，可能阻塞其他逻辑；

解决：

- 将DHT11读取放在函数里面，利用定时轮询

八、对本次竞赛的心得体会

技术创新方面

本项目让我深刻体会到物联网技术在智慧农业中的巨大潜力。将空气温湿度、土壤湿度、光照等环境参数融合为一体，用简单的微控制器实现自动调控，真正做到了“让植物自己说话”。在方案设计过程中，我意识到精准的环境控制不仅可以提高作物产量，更能大幅节约水电资源。

工程实践方面

从原理图绘制到PCB布局，从单传感器驱动到多设备协同工作，每一步都遇到了教材里看不到的细节问题。比如MOS管驱动电机时务必加续流二极管，按键去抖不能简单延时，EEPROM写入必须考虑寿命等。这些经历让我积累了宝贵的硬件调试经验，也明白了文档和代码规范对于复杂项目的重要性。

社会价值方面

本项目可直接应用于小规模蔬菜大棚、花卉种植或阳台农业。通过智能控制排风、灌溉和补光，能减少人力投入约70%，节水节电30%以上。尤其对于缺乏种植经验的用户，系统自动维持作物最适环境，降低了农业技术门槛。Web配网和手机APP监控让非专业人员也能轻松上手，具有很好的推广前景。

个人成长方面

在项目开发中，我学会了从系统高度统筹硬件、软件和云端三部分，培养了真正的产品思维。遇到故障时，不再盲目更换元件，而是逐步缩小范围、分析信号波形，解决能力显著增强。同时我也养成了持续学习的好习惯：为了完成手机APP定制，自学了点灯科技的控件配置；为了降低功耗，重新温习了STM32的低功耗模式。这些技能都将让我在未来的工程道路上走得更远。

未来展望

该系统仍有很大优化空间：

- 引入PID控制，实现排气扇和补光灯的无级调控

- 增加CO₂浓度传感器，进一步丰富环境参数

- 开发基于历史数据的智能灌溉策略

- 接入太阳能供电模块，实现能源自给自足

感谢贸泽电子提供这样一个展示创新成果的平台，让我能够把课堂理论转化为真正服务于农业的实用系统，为智慧农业贡献一份青年力量。