基于STM32的智能农业大棚环境控制系统

news2025/2/24 6:12:20

1. 引言

传统农业大棚环境调控依赖人工经验，存在控制精度低、能耗高等问题。本文设计了一款基于STM32的智能农业大棚环境控制系统，通过多参数环境监测、作物生长模型与精准执行控制，实现大棚环境的智能优化，提高作物产量与品质。

2. 系统设计

2.1 硬件设计

主控芯片：STM32F429IGT6，配备LCD控制器与硬件浮点单元
感知模块：
- 温湿度传感器（SHT31）：-40~125℃/0-100%RH（精度±1.5%）
- 光照传感器（BH1750）：0-65535lx（分辨率1lx）
- CO₂传感器（MH-Z19B）：400-5000ppm（精度±50ppm）
- 土壤湿度传感器（TDR-3）：0-100%体积含水量
执行机构：
- 变频风机（0-3000rpm）：调节通风量
- 补光灯（LED，0-100%调光）
- 水肥一体机（蠕动泵，0-100mL/min）
- 遮阳网电机（步进电机，0-100%开度）
通信模块：
- LoRa模块（SX1278）：大棚间组网通信
- 4G模组（EC200S）：连接农业云平台
供电系统：
- 太阳能电池板（300W）
- 锂电池组（48V/200Ah）

2.2 软件架构

环境参数融合：多传感器数据校准与补偿
作物生长模型：基于积温理论的生长阶段预测
精准控制算法：模糊PID调节执行机构
数据管理平台：支持历史数据查询与产量预测

3. 功能模块

3.1 环境实时监测

温度：-20~60℃（精度±0.3℃）
湿度：0-100%RH（精度±2%）
光照：0-100klux（分辨率1lux）
CO₂：400-2000ppm（精度±30ppm）

3.2 智能环境调控

温度控制：±1℃精度（加热/通风联动）
光照调节：根据作物需求动态补光
CO₂补充：光合作用最佳浓度维持
水肥管理：EC/pH精准控制

3.3 作物生长管理

生长阶段预测（发芽/开花/结果）
积温累计与生长进度显示
病虫害预警（环境异常关联分析）

3.4 远程监控运维

实时查看大棚环境参数
支持控制策略远程调整
故障自动报警（短信/APP推送）

4. 核心算法

4.1 积温计算模型

float calculate_gdd(float temp) {  
    float base_temp = 10.0;  // 基础温度  
    return fmax(0, temp - base_temp);  // 日积温  
}

4.2 模糊PID控制

void fuzzy_pid_control(float error) {  
    float Kp = 0.8, Ki = 0.05, Kd = 0.1;  
    static float integral = 0, last_err = 0;  
    integral += error * 0.1;  // 采样周期0.1秒  
    float output = Kp*error + Ki*integral + Kd*(error - last_err);  
    set_fan_speed(output * 100);  // 转换为百分比转速  
    last_err = error;  
}

4.3 水肥配比算法

void fertigation_control(float ec, float ph) {  
    if (ec < target_ec) {  
        increase_fertilizer(0.1);  // 增加肥量  
    } else if (ph > target_ph) {  
        add_acid(0.05);           // 添加酸性调节剂  
    }  
}

5. 关键代码实现

5.1 多传感器数据采集

void sensor_read_task() {  
    float temp = SHT31_ReadTemp();  
    float humi = SHT31_ReadHumi();  
    float light = BH1750_Read();  
    float co2 = MHZ19B_Read();  
    transmit_lora(temp, humi, light, co2);  // LoRa无线传输  
}

5.2 补光灯控制逻辑

void light_control() {  
    float light_needed = get_light_requirement();  
    float current_light = BH1750_Read();  
    if (current_light < light_needed) {  
        set_led_intensity((light_needed - current_light) * 100);  
    }  
}