基于NB-IoT的农业大棚环境监控系统设计与实现（有完整资料）

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编号：

T3792402M

设计简介：

本设计是基于NB-IoT的农业大棚环境监控系统设计与实现，主要实现以下功能：

1. 通过温湿度传感器检测环境温湿度，当湿度过低或者温度过高时，自动打开加湿器
2. 通过光照传感器检测光照强度，光照过低时，自动打开灯光
3. 通过土壤湿度传感器检测土壤湿度，当土壤湿度低于阈值时，自动打开水泵
4. 通过二氧化碳传感器检测二氧化碳，当二氧化碳浓度过高时，自动打开风扇通风
5. 通过按键可以设置光照、环境温湿度、土壤湿度和二氧化碳阈值
6. 通过OLED显示屏可以显示光照、环境温湿度、土壤湿度和二氧化碳
7. 通过NB模块连接云平台，可以实现远程监测数据和设置阈值

电源： 5V
传感器：温湿度传感器，光照传感器，土壤湿度传感器，二氧化碳传感器
显示屏：OLED12864
单片机：STM32F103C8T6
执行器：水泵（N-MOS），风扇（N-MOS），USB灯（N-MOS），加湿器（N-MOS），蜂鸣器
人机交互：独立按键，NB模块

标签：STM32、OLED12864、NB-IOTBC25、光敏电阻、DHT11、电容式土壤湿度传感器、RBY-CO2、N-MOS

题目扩展：基于物联网智能大棚系统、基于单片机的农田灌溉系统，基于STM32的智慧农业系统

基于 STM32 的 NB-IoT 农业大棚环境监控系统设计与实现

一、主控部分

核心：STM32 单片机

功能：获取输入数据、内部处理、控制输出

二、输入部分

1. 温湿度传感器模块：检测农业大棚内环境温湿度
2. 二氧化碳传感器模块：检测农业大棚内二氧化碳浓度
3. 光敏电阻模块：检测农业大棚内光照强度
4. 土壤湿度传感器模块：检测大棚内土壤当前湿度值
5. 独立按键：用于切换界面和系统模式、控制浇水功能、进入参数阈值设置界面
6. 供电电路：为整个 NB-IoT 农业大棚环境监控系统供电

三、输出部分

1. OLED 显示模块：显示土壤湿度、大棚内温湿度、光照强度、二氧化碳浓度及参数阈值设置界面
2. MOS 管控制模块（四个）：分别控制补光灯、水泵、风扇、加湿装置的运行
3. 蜂鸣器报警模块：当检测到大棚内环境数据（如温湿度、二氧化碳浓度、土壤湿度）异常时，触发蜂鸣器报警提醒
4. NB-IoT 模块：将检测到的大棚环境数据上传至云平台并发送给移动端，同时支持通过移动端设置系统参数

第 5 章 实物调试

5.1 整体实物构成

该设计的主要硬件包括 STM32F103C8T6 单片机作为核心控制单元，负责整体的数据处理与指令下达；通信模块用于实现数据的远程传输，保障大棚环境数据能发送到管理端；各类传感器，像温湿度传感器、土壤湿度传感器、光照传感器以及二氧化碳传感器等，用于实时采集大棚内不同环境参数；四个继电器，分别连接灯光、水泵、风扇、喷雾设备，以实现对相应环境因素的调节控制；还有电源电路为整个系统供电，以及显示屏用于直观展示相关数据等。

焊接流程方面，首先要准备好合适的焊接工具，如电烙铁、焊锡丝等，将单片机芯片按照正确的引脚位置准确放置在印制电路板相应焊盘上，随后使用电烙铁配合焊锡丝进行引脚的焊接，要确保焊接牢固、焊点饱满且无虚焊情况。接着依次焊接其他硬件，如通信模块、传感器等，注意各模块引脚与电路板上对应线路的连接要准确无误，完成焊接后可对整体电路进行检查，查看是否存在短路等问题。

注意事项上，焊接前要确保焊接环境干净整洁，避免灰尘等杂质影响焊接质量。焊接时要严格控制电烙铁的温度和焊接时间，防止因温度过高或焊接时间过长对芯片等硬件造成损坏。在焊接不同硬件之间的连线时，要仔细对照电路图，避免线路连接错误，同时对已焊接好的部分要做好防护，防止后续操作中意外碰坏焊点或造成短路。另外，在完成焊接后要进行全面的电路测试，排查可能出现的故障隐患，确保整个硬件系统能正常工作。整体实物如图 5-1 所示：

图 5-1 整体实物图

5.2 参数获取功能测试

该电路板通过各类传感器获取环境参数，温湿度传感器感应周围环境的温度和湿度数据，土壤湿度传感器探测土壤的湿度情况，二氧化碳传感器监测大棚内二氧化碳浓度，还有相关传感器获取光照强度数据。STM32F103C8T6 单片机作为核心控制单元，对这些传感器传来的模拟信号或数字信号进行采集、处理和转换，通过程序算法将其转化为可识别的具体参数数值。处理后的参数数据通过单片机的相关引脚传输到显示屏模块，显示屏根据接收到的数据信息，按照设定的显示格式，将温度、湿度、土壤湿度、二氧化碳浓度、光照强度等参数清晰地展示出来，方便用户直观了解大棚内的环境状况。参数获取功能图如下图 5-2 所示。

图 5-2 参数获取功能图

5.3 设置阈值功能测试

该系统的设置阈值功能依托按键扫描与键值判断实现。按键扫描函数先获取按键按下信息，根据不同键值执行对应操作：键值为 1 时切换界面；键值为 2 时，在界面 1-5 分别对应土壤湿度、湿度、温度、光照、二氧化碳阈值加 1；键值为 3 时，在各界面执行对应阈值减 1；键值为 4 时控制蜂鸣器开关，以此灵活设置各环境参数阈值，满足农业大棚环境调控需求。设置阈值功能测试如下图 5-3 所示：

图 5-3 设置阈值功能测试图

第 6 章 软件调试

6.1 软件介绍

Proteus 8.15 是一款由 Labcenter Electronics 开发的电子设计自动化（EDA）软件。它集电路仿真、PCB 设计和微控制器调试于一体，广泛应用于嵌入式系统开发等领域。

该软件拥有丰富元件库，包含超 50000 种元器件，支持模拟 / 数字电路协同仿真，集成逻辑分析仪等虚拟仪器。它还内置 8051、ARM 等微控制器模型，支持与 Keil 等编译器联调。

此外，Proteus 8.15 可实现从原理图到 PCB 的自动布局布线，并生成 3D 模型。其界面直观，支持工具栏和快捷键个性化定制，还提供电压探针等调试工具，方便用户分析电路行为。软件界面如图 6-1 所示：

图 6-1 软件界面图

6.2 参数显示功能测试

显示功能可依据不同标志位切换界面，界面 0 能呈现土壤温湿度、环境温湿度、二氧化碳浓度、光照强度以及蜂鸣器开关状态；界面 1 至 5 分别用于显示土壤湿度、环境湿度、温度、光照强度、二氧化碳的阈值设置情况。串口通信功能在仿真中替代了实际的 NB 模块，用于模拟数据传输，实现系统与外部设备间的信息交互，同时由于仿真限制，土壤湿度、光敏电阻（模拟光照）和二氧化碳传感器用电位器模拟，借助串口来传递这些模拟的传感器数据。参数显示功能图如下图 6-2 所示。

图 6-2 参数显示功能图

6.3 风扇工作功能测试

当二氧化碳传感器检测到大棚内二氧化碳浓度超过设定阈值时，会自动开启风扇进行通风，以此降低二氧化碳浓度，保障大棚内空气环境适宜，为农作物生长创造良好条件，同时该系统还能通过 NB 模块连接云平台，实现对风扇等设备的远程监测与阈值设置。风扇工作功能测试如下图 6-3 所示：

图 6-3 风扇工作功能测试图