基于STM32与物联网的智能盆栽管理系统设计与实现

摘要：目前城市化进程加快和绿色生活理念的普和，家庭与办公场景对智能绿植养护的需求逐渐增长。传统养护方式依赖人工经验，存在效率低、误操作多等问题。本文提出一种基于STM32单片机与物联网技术的智能盆栽管理系统，通过集成多种环境传感器、嵌入式控制模块和远程通信，实现对盆栽生长环境的实时监测、智能调控和远程管理。本文采用模块化设计，结合阈值判定算法和云平台数据处理技术，本文旨在提升盆栽养护的智能化水平，为家庭园艺与小型绿植管理提供智能创新解决方法。

关键词：STM32；物联网；智能浇灌；远程控制；动态阈值

引言

绿植养护作为现代城市生活的重要组成部分，不仅改善室内微环境，还能缓解心理压力。然而，传统养护方式依赖人工经验，存在效率低、误操作多等问题。随着物联网与嵌入式技术的发展，智能盆栽系统逐渐成为研究热点。STM32单片机具有低功耗、高性能和丰富的外设接口有点，成为理想选择。结合传感器技术、无线通信和云平台数据处理，构建集环境监测、智能控制、远程管理继承一体的综合系统，可有效解决传统养护方式的不足，推动绿植管理向智能化、精准化、个性化方向发展。

一、系统总体设计

（一）需求分析

系统需实现以下核心功能：

1.实时环境监测：采集土壤湿度、温度、空气湿度、光照强度等参数，为智能调控提供数据支撑。

2.智能控制功能：预设阈值，自动触发浇灌、补光、通风等设备，来维持植物生长的最适生长环境。

3.交互设计：通过手机 APP 实时查看数据、设置参数，并支持远程手动控制，满足用户个性化需求。

4.数据存储与分析：云端存储历史数据，生成趋势曲线，为用户提供养护建议，优化养护策略。

（二）系统架构

系统分为四层：

1.感知层：内置温湿度传感器、土壤湿度传感器、光照传感器等，实时采集环境数据。

2.传输层：通过Wi-Fi模块或蓝牙模块实现数据上传，利用OneNET平台实现数据传输。

3.控制层：STM32主控芯片执行逻辑判断，驱动继电器控制水泵、补光灯等执行单元。

4.应用层：开发跨平台APP，支持实时数据可视化与远程指令下发。

二、关键技术与实现

（一）嵌入式系统设计

以STM32为核心控制器，其72MHz主频与256KB Flash存储能力满足多传感器并行采集需求，USART、SPI、I2C等接口支持外设扩展。硬件采用模块化设计，划分为以下功能单元：

1.传感器接口：DHT11温湿度传感器通过单总线协议与主控通信；FC-28土壤湿度传感器输出模拟信号，经ADC转换后量化湿度值；BH1750光照传感器通过I2C接口传输数字信号，分辨率达1lux。

2.执行驱动模块：继电器驱动水泵与补光灯，采用NPN三极管放大单片机输出信号，保护主控电路；声光报警单元由蜂鸣器与RGB LED组成，异常状态下触发多级警示（如湿度<30%时红灯闪烁）。

3.双模通信模块：ESP8266 Wi-Fi模块通过AT指令连接OneNET云平台，支持EDP协议加密传输；蓝牙模块支持近距离手机直连，便于现场参数配置。

（二）物联网通信优化策略

1.协议优化：基于EDP协议封装JSON数据包，压缩率提升至65%，减少带宽占用；

2.双通道冗余：Wi-Fi信号强度低于-75dBm时，自动切换蓝牙传输关键指令；

3.心跳机制：每30秒发送心跳包至云平台，超时3次触发设备重启，避免通信僵死。

（三）智能控制算法实现

1.模糊自适应PID控制

建立植物生长环境参数数据库，预设不同植物的温湿度、光照强度阈值（如绿萝适宜土壤湿度50%-70%，光照强度200-1000lux）。STM32实时对比采集数据与预设值，通过模糊PID算法调节设备运行时间，避免过度浇灌或补光。

2.数据预处理与容错机制

（1）滑动中值滤波：对传感器原始数据采用窗口宽度为5的滑动中值滤波，消除脉冲噪声；

（2）异常检测：连续3次采集值超出历史均值±3σ范围时，触发传感器自检程序，并通过APP推送故障代码。

（四）跨平台交互与数据分析

1.移动端应用开发：

（1）实时监控：仪表盘动态显示环境参数，支持拖拽缩放历史曲线；

（2）远程控制：手动模式下可设置浇灌时长（1-300s）与补光强度（10%-100%）；

（3）多设备管理：支持添加多个花盆，通过设备ID区分控制指令。

2.云端数据分析：

（1）趋势预测：采用ARIMA模型预测未来24小时环境参数变化，准确率≥85%；

（2）养护建议：结合植物生长数据库（如绿萝适宜pH 6.0-7.0），推送个性化提示（如“建议降低浇灌频率”）。

三、系统实现与验证

（一）硬件部署与优化

在传感器布局上将土壤湿度探头FC-28垂直嵌入盆体底部10cm深度，避免表层干燥干扰；BH1750光照传感器固定于盆顶中央，采用遮光罩消除环境光散射影响；DHT11温湿度传感器悬挂于盆体侧壁，距离土壤表面5cm，确保空气流通。

（二）软件调试与验证

基于Keil MDK环境编写STM32固件，采用FreeRTOS实现多任务调度（数据采集、通信、控制任务优先级分别为3/2/1），通过UART串口调试传感器数据。

（三）综合性能评估

1.环境监测：在温度方面，-10℃～50℃范围内误差±0.3℃（DS18B20校准基准），湿度检测方面，10%～90%RH范围内误差±1.8%（饱和盐溶液标定法），光照强度方面，0～65535lux线性度误差<2%。

2.控制响应测试：当土壤湿度从40%升至60%耗时28秒（设定值30秒），超调量4.3%；补光灯从关闭到满亮度（800lux）响应时间3.2秒，稳态误差±2%。

3.通信可靠性：APP发送浇灌指令后，水泵在2秒内启动数据刷新延迟＜3 秒，蓝牙模式下控制距离可达10米，Wi-Fi模式下无距离限制。

四、结语

本文设计的基于STM32与物联网技术的智能盆栽管理系统，通过多源传感融合、模糊PID控制及双模通信优化。通过多传感器数据融合、阈值判定算法和云平台交互，可以满足不同植物的个性化养护需求，能够提升管理效率与精准度。未来可进一步优化功耗设计（如引入太阳能供电）、扩展传感器类型（如 CO₂浓度、土壤 pH 值），为智能园艺领域提供更完善的解决方案。

参考文献：

[1]陈文翰，盛虎，李轶之等.一种基于STM32的可调控智能花盆设计[J].信息通信，2020 （7）：30-31.

[2]康云川.基于Raspberry Pi的家庭花卉智能浇灌系统[D].重庆：重庆三峡学院，2020．

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