植物人工培育環(huán)境控制系統(tǒng)

第1章緒論1.1研究目的及意義植物是地球上最重要的生物之一，它們?yōu)槲覀兲峁┝搜鯕夂褪澄?，并對環(huán)境有著至關(guān)重要的作用。隨著人口的增長和城市化的加速，我們需要更多的食物和綠化空間。因此，人工培育植物成為一種解決方法。在人工培育過程中，環(huán)境控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)變得尤為重要。在這篇文章中，我們將探討植物人工培育環(huán)境控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的及意義。首先，植物人工培育環(huán)境控制系統(tǒng)的目的是為了提供適宜的生長環(huán)境。植物需要光照、水分、溫度和二氧化碳等因素才能正常生長。環(huán)境控制系統(tǒng)可以通過控制這些因素來創(chuàng)造一個(gè)穩(wěn)定的生長環(huán)境，促進(jìn)植物的生長和發(fā)育。例如，在溫室中，我們可以利用自動(dòng)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)溫度、濕度、通風(fēng)和光照，以使植物獲得最佳的生長條件。其次，植物人工培育環(huán)境控制系統(tǒng)的意義在于提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量。在人工培育過程中，我們可以控制植物生長的各個(gè)方面，從而提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量。例如，在蔬菜種植中，我們可以通過控制光照和水分來促進(jìn)植物的生長和發(fā)育，以提高產(chǎn)量和品質(zhì)。此外，植物人工培育環(huán)境控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)還可以減少對自然資源的依賴。傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需要大量的土地、水資源和化肥等自然資源。而人工培育可以在相對較小的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)量的生產(chǎn)，從而減少對自然資源的消耗。最后，植物人工培育環(huán)境控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)還可以為城市綠化和室內(nèi)裝飾提供更多的選擇。在城市中，由于土地資源的限制和環(huán)境的惡劣，傳統(tǒng)的綠化方式往往無法滿足需求。而通過人工培育，我們可以在室內(nèi)或室外創(chuàng)造一個(gè)適宜的生長環(huán)境，從而實(shí)現(xiàn)城市綠化和室內(nèi)裝飾的目的。總之，植物人工培育環(huán)境控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的及意義是多方面的。它可以為人類提供更多的食物和綠化空間，同時(shí)提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量，減少對自然資源的依賴，為城市綠化和室內(nèi)裝飾提供更多的選擇。因此，設(shè)計(jì)和建立一個(gè)高效的植物人工培育環(huán)境控制系統(tǒng)對于解決食品和環(huán)境問題具有重要意義。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀植物是地球上最重要的生物之一，是維持生態(tài)平衡、人類生存的基石。而植物的生長、發(fā)育和產(chǎn)量受環(huán)境因素的影響很大，因此植物的人工培育環(huán)境控制系統(tǒng)研究顯得尤為重要。本文將對國內(nèi)外植物人工培育環(huán)境控制系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜述。隨著全球氣候變化和人口增長的加劇，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)面臨越來越大的挑戰(zhàn)，如土地資源短缺、水資源緊張、氣候異常等。而植物人工培育技術(shù)的研究和發(fā)展，有助于解決這些問題，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效率和產(chǎn)量，減少對自然環(huán)境的壓力。因此，植物人工培育環(huán)境控制系統(tǒng)的研究成為了國內(nèi)外科研工作者的熱點(diǎn)之一。植物人工培育環(huán)境控制系統(tǒng)是一種能夠控制植物生長環(huán)境的系統(tǒng)，包括氣候、光照、水分、營養(yǎng)、生長介質(zhì)等因素。通過對這些因素的精確控制，使植物在理想的環(huán)境條件下生長，提高植物的生產(chǎn)力和品質(zhì)。氣候是影響植物生長的重要因素之一，氣溫、濕度、CO2濃度等環(huán)境因素的控制對植物的生長和產(chǎn)量有著顯著的影響。目前，國內(nèi)外研究者主要采用自動(dòng)化控制技術(shù)，如PLC、SCADA等，對氣候環(huán)境進(jìn)行控制。在控制氣候環(huán)境方面，歐美等發(fā)達(dá)國家研究得較為成熟，各類氣候控制系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于大型的植物工廠、溫室等環(huán)境中。而在國內(nèi)，雖然也有不少研究機(jī)構(gòu)開展了類似的研究工作，但是還有很大的提升空間。光照是植物生長中不可或缺的因素，不同光照強(qiáng)度、光周期和光質(zhì)對植物的生長和品質(zhì)有著重要的影響。目前，人工光源的應(yīng)用已經(jīng)成為了植物人工培育環(huán)境控制系統(tǒng)的主要方式之一。人工光源可以在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)提供所需的光照條件，從而實(shí)現(xiàn)全年無季節(jié)限制的植物生產(chǎn)。而在光照環(huán)境控制方面，國外已經(jīng)有不少研究機(jī)構(gòu)研制出了各種光照環(huán)境控制系統(tǒng)，如滑動(dòng)式日光溫室、LED光源植物工廠等，這些系統(tǒng)已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。在國內(nèi)，雖然也有一些研究機(jī)構(gòu)開展了類似的研究工作，但是在實(shí)際應(yīng)用方面還存在一些挑戰(zhàn)。水分是植物生長中不可或缺的因素之一，對植物的生長和發(fā)育有著重要的影響。目前，國內(nèi)外研究者主要采用自動(dòng)化控制技術(shù)，如PLC、SCADA等，對水分環(huán)境進(jìn)行控制。在水分環(huán)境控制方面，國外已經(jīng)研究出了一些應(yīng)用于不同類型植物的自動(dòng)化水肥一體化控制系統(tǒng)，并在實(shí)際應(yīng)用中取得了不錯(cuò)的效果。而在國內(nèi)，雖然也有不少研究機(jī)構(gòu)開展了類似的研究工作，但是還有很大的提升空間。植物的營養(yǎng)是其生長和發(fā)育的基礎(chǔ)，因此營養(yǎng)環(huán)境的控制對植物的生產(chǎn)力和品質(zhì)有著重要的影響。目前，國內(nèi)外研究者主要采用自動(dòng)化控制技術(shù)，如PLC、SCADA等，對營養(yǎng)環(huán)境進(jìn)行控制。在營養(yǎng)環(huán)境控制方面，國外已經(jīng)研究出了一些應(yīng)用于不同類型植物的自動(dòng)化施肥系統(tǒng)，并在實(shí)際應(yīng)用中取得了不錯(cuò)的效果。而在國內(nèi)，雖然也有不少研究機(jī)構(gòu)開展了類似的研究工作，但是還有很大的提升空間。生長介質(zhì)環(huán)境控制是指對植物根系所處的介質(zhì)進(jìn)行調(diào)控，以滿足植物生長的需求。常見的生長介質(zhì)包括土壤、水培介質(zhì)、纖維素等。在國內(nèi)外研究中，通常采用自動(dòng)化控制技術(shù)，如PLC、SCADA等，對生長介質(zhì)環(huán)境進(jìn)行控制。國外研究者在生長介質(zhì)控制方面也進(jìn)行了一些探索，例如在水培環(huán)境中控制水質(zhì)、pH值、溶解氧濃度等，以達(dá)到優(yōu)化植物生長的目的。在國內(nèi)，由于人工培育技術(shù)的發(fā)展還相對較為滯后，因此在生長介質(zhì)控制方面的研究也相對較少?？諝猸h(huán)境控制是指對植物所處的空氣環(huán)境進(jìn)行調(diào)控，包括溫度、濕度、CO2濃度等因素。空氣環(huán)境控制對于植物生長的影響同樣非常重要。國外研究者通過自動(dòng)化控制技術(shù)，如PLC、SCADA等，對空氣環(huán)境進(jìn)行精細(xì)控制，以實(shí)現(xiàn)優(yōu)化植物生長的目的。例如，在植物工廠中，通常會(huì)控制CO2濃度、溫度、濕度等因素，以提高植物的生產(chǎn)力和品質(zhì)。在國內(nèi)，空氣環(huán)境控制方面的研究也在逐步開展中?？傮w來說，隨著人工培育技術(shù)的不斷發(fā)展，植物人工培育環(huán)境控制系統(tǒng)的研究也在不斷深入。國內(nèi)外的研究者們利用自動(dòng)化控制技術(shù)，對植物的光照、水分、營養(yǎng)、生長介質(zhì)和空氣環(huán)境等因素進(jìn)行精細(xì)控制，以實(shí)現(xiàn)植物生長的優(yōu)化和提高植物品質(zhì)的目的。雖然在某些方面國外已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展，但是在國內(nèi)仍然存在很多挑戰(zhàn)和發(fā)展空間。未來，隨著技術(shù)的進(jìn)步和人們對健康生活需求的不斷提高，植物人工培育環(huán)境控制系統(tǒng)的研究將會(huì)越??來越重??要，并??有望得??到更廣??泛的應(yīng)用。通過對國內(nèi)外研究現(xiàn)狀的了解，我認(rèn)識到一個(gè)好的人工培育環(huán)境控制系統(tǒng)應(yīng)該是能夠自動(dòng)化控制營養(yǎng)液的溫度、含量以及光照強(qiáng)度，同時(shí)還應(yīng)該能夠監(jiān)測和記錄植物生長的各種參數(shù)，以便進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和優(yōu)化。此外，它應(yīng)該是能夠靈活適應(yīng)不同的植物品種和生長階段的，以確保獲得最佳的植物生長結(jié)果。1.3主要研究內(nèi)容本課題是設(shè)計(jì)一款植物人工培育環(huán)境控制系統(tǒng)，由STM32單片機(jī)作為主控，該系統(tǒng)由溫度傳感器、光敏電阻、超聲波傳感器、蜂鳴器、OLED顯示屏、藍(lán)牙模塊等器件組成，由keil5設(shè)計(jì)出滿足功能需求的運(yùn)行程序，通過上位機(jī)的控制，以實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)的加熱、補(bǔ)光、報(bào)警、數(shù)據(jù)顯示等功能。此次設(shè)計(jì)的植物人工培育環(huán)境控制系統(tǒng)具有運(yùn)行穩(wěn)定、成本低廉的優(yōu)點(diǎn)，有一定的實(shí)用意義。

第2章系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)2.1設(shè)計(jì)方案第一：理論知識準(zhǔn)備階段，理解設(shè)計(jì)課題，認(rèn)真研究課題所涉及到的內(nèi)容，能夠較好的掌握有關(guān)題目的知識；第二：確定系統(tǒng)各個(gè)模塊，理清各個(gè)模塊之間的關(guān)系，收集相關(guān)得到軟硬件資料；第三：規(guī)劃課題，確定系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)，勾畫出大體系統(tǒng)框架并在結(jié)構(gòu)框架的基礎(chǔ)上提出原理框圖；第四：利用軟件完成硬件電路部分設(shè)計(jì)并畫出各部分電路圖，將系統(tǒng)部件通過接口電路集合在一起，并畫出電路圖；第五：根據(jù)系統(tǒng)控制過程完成軟件設(shè)計(jì)部分，繪制出主流程圖；第六：進(jìn)行模擬仿真，檢查系統(tǒng)是否能夠按照要求實(shí)現(xiàn)控制功能，整理論文。2.2功能需求分析2.2.1技術(shù)路線：1.硬件部分需要牙通信模塊、上位機(jī)、下位機(jī)、OLED顯示模塊、設(shè)置模塊、溫度傳感器、光照傳感器、液位傳感器、自動(dòng)更換營養(yǎng)液裝置、加熱模塊、補(bǔ)光模塊。;

2.軟件平臺程序用keil5；

3.畫原理圖用AD；

4.編程語言用C語言；

5.設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖.2.2.2預(yù)期結(jié)果：作品展示，完成一個(gè)植物人工培育環(huán)境控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)的功能主要有，藍(lán)牙通信，手機(jī)端上位機(jī)上位機(jī)：1.接受下位機(jī)數(shù)據(jù)參數(shù)狀況，并進(jìn)行顯示；2.設(shè)定系統(tǒng)時(shí)間；3.設(shè)定營養(yǎng)液溫度閾值；4.設(shè)定環(huán)境光照閾值；5.設(shè)定營養(yǎng)液液位閾值；6.發(fā)送下位機(jī)指令補(bǔ)光（光照小于閾值，才會(huì)響應(yīng)）；7.發(fā)送下位機(jī)指令自動(dòng)半更換營養(yǎng)液/全更換營養(yǎng)液；8.發(fā)送下位機(jī)指令立即更換半更換營養(yǎng)液/全更換營養(yǎng)液；下位機(jī)：1.系統(tǒng)可根據(jù)上位機(jī)設(shè)置時(shí)間，進(jìn)行顯示當(dāng)前時(shí)間；2.系統(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)測營養(yǎng)液液位狀況，顯示，并發(fā)送上位機(jī)；3.系統(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)測營養(yǎng)液溫度狀況，顯示，并發(fā)送上位機(jī)；4.系統(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)測環(huán)境光照狀況，顯示，并發(fā)送上位機(jī)；5.系統(tǒng)可根據(jù)上位機(jī)設(shè)定的周期，自動(dòng)更換營養(yǎng)液：（1）接收上位機(jī)設(shè)定的更換周期；（2）根據(jù)當(dāng)前時(shí)間來計(jì)算下次營養(yǎng)液更換時(shí)間，到達(dá)時(shí)間進(jìn)行更換；（3）根據(jù)上位機(jī)設(shè)定的更換模式和營養(yǎng)液高度，更換一半（倒出一半，注入一半）/全部更換進(jìn)行更換營養(yǎng)液；6.營養(yǎng)液溫度低于設(shè)定值，開啟加熱設(shè)備；7.光照狀況低于設(shè)定值時(shí)，可接受上位機(jī)指令開啟/關(guān)閉補(bǔ)光；8.OLED顯示相關(guān)參數(shù)；2.3單片機(jī)型號選擇主控制芯片選擇STM32F103C8T6，STM32F103C8T6單片機(jī)與普通51單片機(jī)相比有以下特點(diǎn)1、同樣晶振的情況下，速度是普通51的8~12倍2、有8路10位AD3、多了兩個(gè)定時(shí)器，帶PWM功能4、有SPI接口。STM32系列單片機(jī)是一款高性能，功能強(qiáng)大的系列單片機(jī)。該系列單片機(jī)常被用于要求低成本、高性能和低功耗的嵌入式應(yīng)用程序，其在功耗和集成方面也展現(xiàn)出良好的性能。由于其便捷的工具和簡單的結(jié)構(gòu)并且結(jié)合了強(qiáng)大的功能性，在業(yè)界很受歡迎。本實(shí)驗(yàn)采用的最小系統(tǒng)如下圖。圖2-3STM32最小系統(tǒng)原理圖

第3章系統(tǒng)的硬件部分設(shè)計(jì)3.1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)本課題是設(shè)計(jì)一款植物人工培育環(huán)境控制系統(tǒng)，由STM32單片機(jī)作為主控，該系統(tǒng)由溫度傳感器、光敏電阻、超聲波傳感器、蜂鳴器、OLED顯示屏、藍(lán)牙模塊等器件組成，由keil5設(shè)計(jì)出滿足功能需求的運(yùn)行程序，通過上位機(jī)的控制，以實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)的加熱、補(bǔ)光、報(bào)警、數(shù)據(jù)顯示等功能。此次設(shè)計(jì)的植物人工培育環(huán)境控制系統(tǒng)具有運(yùn)行穩(wěn)定、成本低廉的優(yōu)點(diǎn)，有一定的實(shí)用意義。總體原理圖如下所示：圖3-1總體原理圖3.2系統(tǒng)的主要功能模塊設(shè)計(jì)3.2.1溫度采集模塊設(shè)計(jì)DS18B20是一款常用的高精度的單總線數(shù)字溫度測量芯片。具有體積小，硬件開銷低，抗干擾能力強(qiáng)，精度高的特點(diǎn)。1.測溫范圍為-55℃到+125℃，在-10℃到+85℃范圍內(nèi)誤差為±0.4°。2.返回16位二進(jìn)制溫度數(shù)值3.主機(jī)和從機(jī)通信使用單總線，即使用單線進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收4.在使用中不需要任何外圍元件，獨(dú)立芯片即可完成工作。5.掉電保護(hù)功能DS18B20內(nèi)部含有EEPROM，通過配置寄存器可以設(shè)定數(shù)字轉(zhuǎn)換精度和報(bào)警溫度，在系統(tǒng)掉電以后，它仍可保存分辨率及報(bào)警溫度的設(shè)定值。6.每個(gè)DS18B20都有獨(dú)立唯一的64位-ID，此特性決定了它可以將任意多的DS18b20掛載到一根總線上，通過ROM搜索讀取相應(yīng)DS18B20的溫度值7.寬電壓供電，電壓2.5V~5.5VDS18B20返回的16位二進(jìn)制數(shù)代表此刻探測的溫度值，其高五位代表正負(fù)。如果高五位全部為1，則代表返回的溫度值為負(fù)值。如果高五位全部為0，則代表返回的溫度值為正值。后面的11位數(shù)據(jù)代表溫度的絕對值，將其轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)值之后，再乘以0.0625即可獲得此時(shí)的溫度值。溫度采集模塊原理圖如圖所示。圖3-2-1-1溫度采集模塊原理圖圖3-2-1-2溫度采集模塊實(shí)物圖3.2.2光照強(qiáng)度采集模塊設(shè)計(jì)光敏電阻是采用半導(dǎo)體材料制作，利用內(nèi)光電效應(yīng)工作的光電元件。它在光線的作用下其阻值往往變小，這種現(xiàn)象稱為光導(dǎo)效應(yīng)，因此，光敏電阻又稱光導(dǎo)管。用于制造光敏電阻的材料主要是金屬的硫化物、硒化物和碲化物等半導(dǎo)體。通常采用涂敷、噴涂、燒結(jié)等方法在絕緣襯底上制作很薄的光敏電阻體及梳狀歐姆電極，然后接出引線，封裝在具有透光鏡的密封殼體內(nèi)，以免受潮影響其靈敏度。在黑暗環(huán)境里，它的電阻值很高，當(dāng)受到光照時(shí)，只要光子能量大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度，則價(jià)帶中的電子吸收一個(gè)光子的能量后可躍遷到導(dǎo)帶，并在價(jià)帶中產(chǎn)生一個(gè)帶正電荷的空穴，這種由光照產(chǎn)生的電子—空穴對增加了半導(dǎo)體材料中載流子的數(shù)目，使其電阻率變小，從而造成光敏電阻阻值下降。光照愈強(qiáng)，阻值愈低。入射光消失后，由光子激發(fā)產(chǎn)生的電子—空穴對將逐漸復(fù)合，光敏電阻的阻值也就逐漸恢復(fù)原值。光照強(qiáng)度采集模塊原理圖如圖所示。圖3-2-2-1光照強(qiáng)度采集模塊原理圖圖3-2-2-2光敏電阻實(shí)物圖3.2.3超聲波測距模塊設(shè)計(jì)HC-SR04超聲波模塊常用于機(jī)器人避障、物體測距、液位檢測、公共安防、停車場檢測等場所。HC-SR04超聲波模塊主要是由兩個(gè)通用的壓電陶瓷超聲傳感器，并加外圍信號處理電路構(gòu)成的。兩個(gè)壓電陶瓷超聲傳感器，一個(gè)用于發(fā)出超聲波信號，一個(gè)用于接收反射回來的超聲波信號。由于發(fā)出信號和接收信號都比較微弱，所以需要通過外圍信號放大器提高發(fā)出信號的功率，和將反射回來信號進(jìn)行放大，以能更穩(wěn)定地將信號傳輸給單片機(jī)。超聲波模塊有4個(gè)引腳，分別為Vcc、Trig（控制端）、Echo（接收端）、GND；其中VCC、GND接上5V電源，Trig（控制端）控制發(fā)出的超聲波信號，Echo（接收端接收反射回來的超聲波信號。主要參數(shù)：1.使用電壓：DC—5V2.靜態(tài)電流：小于2mA3.電平輸出：高5V4.電平輸出：底0V5.感應(yīng)角度：不大于15度6.探測距離：2cm-450cm7.高精度：可達(dá)0.2cm超聲波測距模塊原理圖如圖所示。圖3-2-3-1超聲波測距模塊原理圖圖3-2-3-2超聲波測距模塊實(shí)物圖3.2.4蜂鳴器模塊設(shè)計(jì)蜂鳴器是一種將電信號轉(zhuǎn)換為聲音信號的器件，常用來產(chǎn)生設(shè)備的按鍵音、報(bào)警音等提示信號蜂鳴器按驅(qū)動(dòng)方式可分為有源蜂鳴器和無源蜂鳴器有源蜂鳴器：內(nèi)部自帶振蕩源，將正負(fù)極接上直流電壓即可持續(xù)發(fā)聲，頻率固定無源蜂鳴器：內(nèi)部不帶振蕩源，需要控制器提供振蕩脈沖才可發(fā)聲，調(diào)整提供振蕩脈沖的頻率，可發(fā)出不同頻率的聲音蜂鳴器有正負(fù)極，頂部印有+號的為正極，若蜂鳴器引腳沒剪，則長的為正極，單片機(jī)引腳不能直接蜂鳴器，加NPN型三極管進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，因?yàn)閱纹瑱C(jī)的引腳驅(qū)動(dòng)能力有限，蜂鳴器的功率比較大，所以需要通過三極管來驅(qū)動(dòng)，R1為限流電阻，單片機(jī)引腳如果給高電平，則三極管導(dǎo)通，VCC便給蜂鳴器供電，如果給低電平，則三極管斷開，PNP型三極管同理，只不過是單片機(jī)引腳輸出低電平導(dǎo)通，輸出高電平斷開。蜂鳴器模塊原理圖如圖所示。圖3-2-4-1蜂鳴器模塊原理圖圖3-2-4-2蜂鳴器實(shí)物圖3.2.5顯示模塊設(shè)計(jì)0.96寸4針OLED屏模塊是一種顯示屏模塊，它包括一個(gè)0.96英寸的OLED顯示屏和4個(gè)引腳。這種OLED屏幕模塊通常用于嵌入式系統(tǒng)和小型電子設(shè)備中，可以顯示文本、圖像和其他類型的信息。由于其小尺寸和低功耗，它們也常用于智能手表、健康追蹤器和其他便攜式設(shè)備中。此類模塊通常使用SPI或I2C接口進(jìn)行通信，并且支持多種分辨率和顏色模式。該模塊有4個(gè)引腳，分別為VCC、GND、SCL和SDA。VCC是電源引腳，用于提供模塊的電源，一般是3.3V或5V電源。GND是地引腳，用于提供模塊的接地。需要接到負(fù)極電源上。SCL是時(shí)鐘引腳，用于傳輸數(shù)據(jù)時(shí)的時(shí)鐘信號。通常需要連接到主控芯片的時(shí)鐘引腳。SDA是數(shù)據(jù)引腳，用于傳輸數(shù)據(jù)。通常需要連接到主控芯片的數(shù)據(jù)引腳。在使用I2C接口時(shí)，這個(gè)引腳也可以被稱為SDA（串行數(shù)據(jù)線）。液晶顯示模塊原理圖如圖所示。圖3-2-5-1顯示模塊原理圖圖3-2-5-2顯示模塊實(shí)物圖3.2.6藍(lán)牙模塊設(shè)計(jì)TXD：發(fā)送端，一般表示為自己的發(fā)送端，正常通信必須接另一個(gè)設(shè)備的RXD。RXD：接收端，一般表示為自己的接收端，正常通信必須接另一個(gè)設(shè)備的TXD。正常通信時(shí)候本身的TXD永遠(yuǎn)接設(shè)備的RXD！自收自發(fā)：正常通信時(shí)RXD接其他設(shè)備的TXD，因此如果要接收自己發(fā)送的數(shù)據(jù)顧名思義，也就是自己接收自己發(fā)送的數(shù)據(jù)，即自身的TXD直接連接到RXD，用來測試本身的發(fā)送和接收是否正常，是最快最簡單的測試方法，當(dāng)出現(xiàn)問題時(shí)首先做該測試確定是否產(chǎn)品故障。也稱回環(huán)測試。TTL電平：通常數(shù)據(jù)表示采用二進(jìn)制，規(guī)定+5V等價(jià)于邏輯"1",0V等價(jià)于邏輯"0",稱作TTL信號系統(tǒng)，是正邏輯RS232電平：采用-12V到-3V，等價(jià)于邏輯"0"，+3V到+12V的邏輯電平，等價(jià)于邏輯"1"，是負(fù)邏輯的。、核心模塊使用HC-05從模塊，引出接口包括VCC,GND,TXD,RXD,KEY引腳、藍(lán)牙連接狀態(tài)引出腳（STATE），未連接輸出低，連接后輸出高2、led指示藍(lán)牙連接狀態(tài)，快閃表示沒有藍(lán)牙連接，慢閃表示進(jìn)入AT模式，雙閃表示藍(lán)牙已連接并打開了端口3、底板設(shè)置防反接二極管，帶3.3VLDO，輸入電壓3.6~6V，未配對時(shí)電流約30mA，配對后約10mA，輸入電壓禁止超過7V！4、接口電平3.3V，可以直接連接各種單片機(jī)（AVR，PIC，ARM，MSP430等），5V單片機(jī)也可直接連接，無需MAX232也不能經(jīng)過MAX232！5、空曠地有效距離10米(功率等級為CLASS2)，超過10米也是可能的，但不對此距離的連接質(zhì)量做保證6、配對以后當(dāng)全雙工串口使用，無需了解任何藍(lán)牙協(xié)議，支持8位數(shù)據(jù)位、1位停止位、可設(shè)置奇偶校驗(yàn)的通信格式，這也是最常用的通信格式，不支持其他格式。7、可以通過拉高34腳進(jìn)入AT命令模式設(shè)置參數(shù)和查詢信息8、體積小巧（3.57cm*1.52cm），工廠貼片生產(chǎn)，保證貼片質(zhì)量。并套透明熱縮管，防塵美觀，且有一定的防靜電能力。9、可通過a特率。藍(lán)牙模塊原理圖如圖所示。圖3-2-6-1藍(lán)牙模塊原理圖圖3-2-6-2藍(lán)牙模塊實(shí)物圖

第4章系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)4.1系統(tǒng)總體流程圖當(dāng)單片機(jī)初始化成功后會(huì)采集溫度傳感器、光敏電阻、超聲波測距傳感器的數(shù)據(jù)，然后通過OLED屏幕顯示以上數(shù)據(jù)，根據(jù)上位機(jī)設(shè)定的閾值判定，當(dāng)溫度低于閾值的時(shí)，開啟加熱模式；反之，停止加熱。當(dāng)光照強(qiáng)度低于閾值時(shí)，開啟補(bǔ)光模式；反之，關(guān)閉補(bǔ)光模式。當(dāng)液位低于閾值時(shí)，開啟蜂鳴器報(bào)警；反之，停止報(bào)警。最后將執(zhí)行完操作后的狀態(tài)重新反饋給傳感器重新進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，做到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的刷新。流程圖如下所示。圖4-1系統(tǒng)總體流程圖4.2溫度采集模塊軟件的設(shè)計(jì)當(dāng)單片機(jī)初始化成功后會(huì)采集溫度傳感器傳感器的數(shù)據(jù)，根據(jù)上位機(jī)設(shè)定的閾值判定，當(dāng)溫度低于閾值的時(shí)，開啟加熱模式；反之，停止加熱。最后將執(zhí)行完操作后的狀態(tài)重新反饋給傳感器重新進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，做到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的刷新。流程圖如下所示。圖4-2溫度采集模塊子程序流程圖4.3光照強(qiáng)度采集模塊軟件的設(shè)計(jì)當(dāng)單片機(jī)初始化成功后會(huì)采集光敏電阻的數(shù)據(jù)，根據(jù)上位機(jī)設(shè)定的閾值判定，當(dāng)光照強(qiáng)度低于閾值時(shí)，開啟補(bǔ)光模式；反之，關(guān)閉補(bǔ)光模式。最后將執(zhí)行完操作后的狀態(tài)重新反饋給光敏電阻重新進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，做到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的刷新。流程圖如下所示。圖4-3光照強(qiáng)度采集模塊子程序流程圖4.4超聲波測距模塊軟件的設(shè)計(jì)當(dāng)單片機(jī)初始化成功后會(huì)采集超聲波測距傳感器的數(shù)據(jù)根據(jù)上位機(jī)設(shè)定的閾值判定，當(dāng)液位低于閾值時(shí)，開啟蜂鳴器報(bào)警；反之，停止報(bào)警。最后將執(zhí)行完操作后的狀態(tài)重新反饋給傳感器重新進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，做到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的刷新。流程圖如下所示。圖4-4超聲波測距模塊子程序流程圖4.5顯示模塊軟件的設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)中需要顯示當(dāng)前時(shí)間、營養(yǎng)液的溫度、光照強(qiáng)度、液位和營養(yǎng)液的添加方式信息。系統(tǒng)使用液晶顯示數(shù)據(jù),STM32單片機(jī)初始化完成后顯示屏?xí)詣?dòng)寫控制字，控制字為單片機(jī)中獲得的數(shù)據(jù)，隨后顯示出來。圖4-5顯示模塊子程序流程圖

第5章系統(tǒng)測試5.1系統(tǒng)實(shí)物圖如圖所示。圖5-1系統(tǒng)實(shí)物圖5.2測試原理測試用例要包括欲測試的功能、應(yīng)輸入的數(shù)據(jù)和預(yù)期的輸出結(jié)果。測試數(shù)據(jù)應(yīng)該選用少量、高效的測試數(shù)據(jù)進(jìn)行盡可能完備的測試；基本目標(biāo)是：設(shè)計(jì)一組發(fā)現(xiàn)某個(gè)錯(cuò)誤或某類錯(cuò)誤的測試數(shù)據(jù)，測試用例應(yīng)覆蓋方面：輸入用戶實(shí)際數(shù)據(jù)以驗(yàn)證系統(tǒng)是滿足需求規(guī)格說明書的要求；測試用例中的測試點(diǎn)應(yīng)首先保證要至少覆蓋需求規(guī)格說明書中的各項(xiàng)功能，并且正常。5.3加熱功能測試當(dāng)單片機(jī)初始化成功后會(huì)采集溫度傳感器傳感器的數(shù)據(jù)，根據(jù)上位機(jī)設(shè)定的閾值判定，當(dāng)溫度低于閾值的時(shí)，開啟加熱模式；反之，停止加熱。如圖所示。圖5-3-1溫度傳感器實(shí)物圖圖5-3-2加熱繼電器實(shí)物圖5.4補(bǔ)光功能測試當(dāng)單片機(jī)初始化成功后會(huì)采集光敏電阻的數(shù)據(jù)，根據(jù)上位機(jī)設(shè)定的閾值判定，當(dāng)光照強(qiáng)度低于閾值時(shí)，開啟補(bǔ)光模式；反之，關(guān)閉補(bǔ)光模式。如圖所示。圖5-4-1光敏電阻實(shí)物圖圖5-4-2LED燈實(shí)物圖5.5報(bào)警功能測試當(dāng)單片機(jī)初始化成功后會(huì)采集超聲波測距傳感器的數(shù)據(jù)根據(jù)上位機(jī)設(shè)定的閾值判定，當(dāng)液位低于閾值時(shí)，開啟蜂鳴器報(bào)警；反之，停止報(bào)警。如圖所示。圖5-5-1超聲波傳感器實(shí)物圖圖5-5-2蜂鳴器實(shí)物圖5.6營養(yǎng)液補(bǔ)充功能測試系統(tǒng)可根據(jù)上位機(jī)設(shè)定的周期，自動(dòng)更換營養(yǎng)液：（1）接收上位機(jī)設(shè)定的更換周期；（2）根據(jù)當(dāng)前時(shí)間來計(jì)算下次營養(yǎng)液更換時(shí)間，到達(dá)時(shí)間進(jìn)行更換；（3）根據(jù)上位機(jī)設(shè)定的更換模式和營養(yǎng)液高度，更換一半（倒出一半，注入一半）/全部更換進(jìn)行更換營養(yǎng)液。如圖所示。圖5-6補(bǔ)充功能繼電器實(shí)物圖

總結(jié)與展望6.1總結(jié)系統(tǒng)軟件的調(diào)試過程并不是一帆風(fēng)順，在調(diào)試過程中出現(xiàn)了一些錯(cuò)誤。但在老師的輔導(dǎo)下，我總算發(fā)現(xiàn)了問題，并糾正了設(shè)計(jì)中的錯(cuò)誤和不科學(xué)的地方。設(shè)計(jì)方案中的問題和解決方法主要包含下面一些層面。(1)在功率模塊模擬仿真過程中，發(fā)現(xiàn)調(diào)試輸出值一直達(dá)不上設(shè)計(jì)規(guī)定。查驗(yàn)基本原理錯(cuò)誤后，發(fā)現(xiàn)電路板焊接時(shí)出現(xiàn)了一些技術(shù)問題，于是重新焊接。(2)應(yīng)用仿真軟件，發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤代碼。然后調(diào)整，發(fā)現(xiàn)在啟用程序流程時(shí)，單片機(jī)沒有正常復(fù)位，在程序流程中添加復(fù)位程序流程后才獲得準(zhǔn)確的結(jié)果。(3)在模擬測試時(shí)，一直提醒端口號P0存有邏輯錯(cuò)誤。盡管不危害效果的輸出，但在具體印刷制版過程中確實(shí)會(huì)危害電源電路。之后通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，數(shù)據(jù)信息發(fā)送錯(cuò)誤代碼表明時(shí)，未能分辨忙碌情況。之后在制定中添加忙碌情況分辨后，系統(tǒng)軟件工作中一切正常，數(shù)據(jù)信息口也沒有提醒邏輯錯(cuò)誤。6.2展望隨著人口的增加和城市化進(jìn)程的加快，全球食品生產(chǎn)的需求與日俱增。然而，由于氣候變化和土地使用的限制，傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)模式已經(jīng)難以滿足人類對食品的需求。因此，人工培育的植物已經(jīng)成為未來的發(fā)展趨勢。在未來，人工培育環(huán)境控制將會(huì)變得越來越重要，以確保高產(chǎn)量、高品質(zhì)和節(jié)約資源的植物生產(chǎn)。在未來，植物人工培育環(huán)境控制的重點(diǎn)將是環(huán)境控制和能源使用效率。在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上，可以通過使用高科技設(shè)備來精確地控制植物生長的各個(gè)方面，包括溫度、濕度、光照、二氧化碳濃度、氧氣濃度和營養(yǎng)成分。例如，智能LED照明系統(tǒng)可以根據(jù)植物的需要提供最適宜的光照，而智能溫度和濕度控制系統(tǒng)可以確保環(huán)境溫度和濕度始終在最適宜的范圍內(nèi)。此外，通過使用新技術(shù)如區(qū)塊鏈技術(shù)，人工智能技術(shù)，遠(yuǎn)程監(jiān)測技術(shù)等，可以提高植物的生長效率，降低生產(chǎn)成本，保證植物的生產(chǎn)品質(zhì)。在能源使用效率方面，未來的植物人工培育環(huán)境將會(huì)更加注重能源節(jié)約和環(huán)保。綠色能源，如太陽能和風(fēng)能，將會(huì)成為未來的主要能源來源，以確保環(huán)境的可持續(xù)性和生態(tài)友好型的生產(chǎn)模式。此外，新型的材料和設(shè)備的使用也可以提高能源利用效率，減少能源浪費(fèi)?？傊?，植物人工培育環(huán)境控制的未來展望是十分廣闊的。通過持續(xù)的技術(shù)創(chuàng)新和環(huán)境控制的不斷優(yōu)化，我們有信心實(shí)現(xiàn)高效、節(jié)能、綠色的植物生產(chǎn)模式。參考文獻(xiàn)[1]趙芝蕓.溫室智能監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究[D].江蘇科技大學(xué)碩士學(xué)位論文.2021.[2]吳鴻霞.溫室綜合環(huán)境控制技術(shù)[J].江漢大學(xué)學(xué)報(bào)，2022.37(1):52-57.[3]劉雁征，滕光輝，劉世榮.溫室環(huán)境控制系統(tǒng)的發(fā)展及現(xiàn)存問題[J].中國農(nóng)學(xué)通報(bào),2020(10):154-156.[4]王君，于海業(yè)，張蕾.溫度環(huán)境控制系統(tǒng)的發(fā)展[J].中國農(nóng)學(xué)通報(bào).2021,26(12)371-375.[5]畢玉革，麻碩士.我國現(xiàn)代溫室環(huán)境控制硬件系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展[J].農(nóng)機(jī)化研究,2020(3):16-17.[6]閆豐.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的糧倉溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)的研究[D].燕山大學(xué)碩士學(xué)位論文.2021.[7]楊柳.基于ZigBee的無線傳感器環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)[D].上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文.2020.[8]沈佳棟.基于Web的嵌入式遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)的研究[D].東華大學(xué)碩士學(xué)位論文。2020.[9]朱春馨,劉亞榮,謝曉蘭,覃彥之.多肉植物大棚環(huán)境控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程,2023,31(01):189-193.[0]盧翠香,鄭永德,邱春錦,陳政明,李碧瓊,張祖堂,林俊揚(yáng).食用菌生長環(huán)境控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技,2022,(24):109-111+115.[11]彭麗紅.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在溫室環(huán)境控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].農(nóng)業(yè)科技與信息,2022,(23):112-115.[12]容能威,劉仁鑫,楊衛(wèi)平,胡惠玥.規(guī)?；i養(yǎng)殖設(shè)施環(huán)境控制技術(shù)應(yīng)用研究現(xiàn)狀與展望[J].黑龍江畜牧獸醫(yī),2022,(23):32-37.[13]范毓升,楊正乘,施沁希.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的生豬運(yùn)輸環(huán)境控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].無線互聯(lián)科技,2022,19(21):86-88.[14]徐超,張紅巖,湯茶琴,王潤賢.淺析現(xiàn)代高標(biāo)準(zhǔn)生態(tài)茶園的環(huán)境控制[J].南方農(nóng)業(yè),2022,16(20):31-33+67.[15]云南省畜牧獸醫(yī)科學(xué)院養(yǎng)豬與動(dòng)物營養(yǎng)研究所畜禽養(yǎng)殖環(huán)境控制研究所云南省種豬性能測定站云南省種豬質(zhì)量檢驗(yàn)測試中心[J].云南畜牧獸醫(yī),2022,(05):48.[16]麻小娟,朱維娜,黨建林.基于STM32的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境控制系統(tǒng)[J].現(xiàn)代信息科技,2022,6(18):171-174+177.[17]K.Takaharu，K.Hiroya.EnvironmentalmeasurementforIndoorPlantFactorywithMicro-miniatureSizeWirelessSensor[C].ProceedingsofSICEAnnualConerence.Tokyo,Japan.2021,9:13-18.[18]J.E.Park.H.Murase.OptimalEnvironmentalConditionforMossProductioninPlantFactorySystem[C].Preprintsofthe18IFACWorldConferenceAug.28-Sep.2,2021:621-626.[19]J.Hwang，C.Shin，H.Yoe.StudyonanAgricultureEnvironmentMonitoringServerSystemusingWirelessSensorNetworks[J].Sensors.2011,10:11189-11211.[20]LiXiuhongSunZhongfu,HuangTianhu.EmbeddedWirelessNetworkControlSystem:anApplicationofRemoteMonitoringSystemforGreenhouseEnvironment[C].MulticonferenceonComputationalEngineeringinSystemsApplications.Beijing.2022:1719-1722.[21]SungWenTsaiYaoChisu,ChenJuiho.DevelopmentofaWirelessSensorNetworkforFactoryPowerMonitoringandAutomaticControl[J].MaterialsEngineeringforAdvancedTechnologies.2021,8:1346-1351.[22]PWright，D.Dornfeld.N.Ota.ConditionMonitoringinEnd-MillingUsingWirelessSensorNetworks[J].TransactionsofNAMRI/SME.2021.36:177-184.[23]NingWang,NaiqianZhang,MaohuaWang.WirelessSensorsinAgricultureandFoodIndustry-RecentDevelopmentandFuturePerspective[C].The2004CIGRIntenationConference.Beijing，2020.

原理圖

源代碼#include"sys.h"#include"delay.h"#include"tim.h"#include"port.h"#include"app.h"#include"oled.h"#include"usart3.h" #include"adc.h"#include"hcsr04.h"#include"ds18b20.h"#include"rtc.h" intmain(void){ delay_init(); //延時(shí)函數(shù)初始化 NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);//設(shè)置中斷優(yōu)先級分組為組2：2位搶占優(yōu)先級，2位響應(yīng)優(yōu)先級 system_Time_Init(9,7199); RTC_Init(); adc_init(); hsr04_init(); DS18B20_Init(); sys_gpio_init(); OLED_Init(); //初始化OLED OLED_Clear();OLED_ShowString(0,0,"nihao",12); USART3_Config(9600);//lanyawhile(1) { app(); } }//#include"dht11.h"#include"delay.h"u8temperature,humidity;//復(fù)位DHT11voidDHT11_Rst(void) { DHT11_IO_OUT(); //SETOUTPUT DHT11_DQ_OUT=0; //拉低DQ delay_ms(20); //拉低至少18ms DHT11_DQ_OUT=1; //DQ=1 delay_us(30); //主機(jī)拉高20~40us}//等待DHT11的回應(yīng)//返回1:未檢測到DHT11的存在//返回0:存在u8DHT11_Check(void) { u8retry=0; DHT11_IO_IN();//SETINPUT while(DHT11_DQ_IN&&retry<100)//DHT11會(huì)拉低40~80us { retry++; delay_us(1); }; if(retry>=100)return1; elseretry=0;while(!DHT11_DQ_IN&&retry<100)//DHT11拉低后會(huì)再次拉高40~80us { retry++; delay_us(1); }; if(retry>=100)return1; return0;}//從DHT11讀取一個(gè)位//返回值：1/0u8DHT11_Read_Bit(void) { u8retry=0; while(DHT11_DQ_IN&&retry<100)//等待變?yōu)榈碗娖?{ retry++; delay_us(1); } retry=0; while(!DHT11_DQ_IN&&retry<100)//等待變高電平 { retry++; delay_us(1); } delay_us(40);//等待40us if(DHT11_DQ_IN)return1; elsereturn0; }//從DHT11讀取一個(gè)字節(jié)//返回值：讀到的數(shù)據(jù)u8DHT11_Read_Byte(void){ u8i,dat; dat=0; for(i=0;i<8;i++) { dat<<=1; dat|=DHT11_Read_Bit(); } returndat;}//從DHT11讀取一次數(shù)據(jù)//temp:溫度值(范圍:0~50°)//humi:濕度值(范圍:20%~90%)//返回值：0,正常;1,讀取失敗u8DHT11_Read_Data(u8*temp,u8*humi){ u8buf[5]; u8i; DHT11_Rst(); if(DHT11_Check()==0) { for(i=0;i<5;i++)//讀取40位數(shù)據(jù) { buf[i]=DHT11_Read_Byte(); } if((buf[0]+buf[1]+buf[2]+buf[3])==buf[4]) { *humi=buf[0]; *temp=buf[2]; } }elsereturn1; return0; }//初始化DHT11的IO口DQ同時(shí)檢測DHT11的存在//返回1:不存在//返回0:存在 u8DHT11_Init(void){ GPIO_InitTypeDefGPIO_InitStructure; RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB,ENABLE); //使能PG端口時(shí)鐘 GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_0; //PA4端口配置 GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_Out_PP; //推挽輸出 GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz; GPIO_Init(GPIOB,&GPIO_InitStructure); //初始化IO口 GPIO_SetBits(GPIOB,GPIO_Pin_0); //PE11輸出高 DHT11_Rst();//復(fù)位DHT11 returnDHT11_Check();//等待DHT11的回應(yīng)}#include"hcsr04.h"#include"delay.h"u8overcount=0;voidTIM4_IRQHandler(void){ if(TIM_GetITStatus(TIM4,TIM_IT_Update)!=RESET) { TIM_ClearITPendingBit(TIM4,TIM_IT_Update); overcount++; }} voidTIM4_Int_Init(void){TIM_TimeBaseInitTypeDefTIM_TimeBaseStructure; NVIC_InitTypeDefNVIC_InitStructure; RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM4,ENABLE); //定時(shí)器TIM3初始化 TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period=999;//設(shè)置在