基於 STM32 的智慧農業大棚環境控制系統設計
摘要
針對溫室大棚人工管理勞動強度大、環境調控不及時的問題，本文設計並實現了一種基於 STM32 的智慧農業大棚環境控制系統。系統以 STM32F103C8T6 為控制核心，DHT11 採集棚內溫濕度，BH1750 採集光照強度，DS3231 提供即時時鐘；按帶回差的自動控制規則驅動繼電器與 MOS 管聯動風扇、加熱片、加濕器、補光燈與蜂鳴器五路執行器，並疊加補光、通風兩個可配置的定時視窗。使用者參數經 CRC16 校驗後儲存於片內 Flash 掉電區，透過 OLED 中文選單與四按鍵完成本地互動；ESP12F 將串列埠業務幀轉換為 HTTP+JSON 介面，配套 React Native 手機 App 在區域網路內完成監控與配置。測試表明，系統控制規則正確、互斥與優先順序設計合理、參數掉電儲存可靠，滿足小型溫室的自動化管理需求。
關鍵詞：STM32；溫室大棚；回差控制；定時視窗；掉電儲存；ESP12F
1 引言
溫室栽培對溫度、濕度與光照有嚴格的視窗要求：溫度過高需要通風降溫，過低需要加熱；濕度過高易誘發病害，過低影響蒸騰作用；冬季日照不足時還需人工補光。傳統大棚依賴人工巡檢與手動開關，調控滯後且勞動強度大。
市面上農業控制器多以裸機延時輪詢實現，存在回應節拍不穩、參數無法掉電儲存、缺少聯網能力等問題。本文設計一種以 STM32F103C8T6 為核心的大棚環境控制系統：在軟體上採用軟定時器分頻的超迴圈架構保證控制節拍精確，在控制策略上引入回差（滯回）與互斥機制避免執行器頻繁啟停，在資料管理上實現 CRC16 校驗的掉電儲存，並透過 ESP12F 聯網接入手機 App，形成「感測—決策—執行—互動」的完整閉環。
2 系統總體設計
2.1 需求分析
系統需實現以下功能：
- 即時採集棚內溫度、濕度、光照強度與時鐘；
- 自動模式下按閾值聯動五路執行器，且執行器不頻繁啟停；
- 支援補光、通風兩個定時視窗，可跨午夜配置；
- 自動/手動雙模式，手動模式可逐路控制設備；
- 閾值與視窗參數掉電儲存；
- OLED 中文選單本地互動，手機 App 遠端監控。
2.2 總體架構
系統採用「STM32 感知控制 + ESP12F 聯網」的雙層架構。STM32F103C8T6 運行裸機超迴圈程式，用 HAL_GetTick() 構造多個軟定時器分頻輪詢：每 2 s 採集感測器、每 1 s 讀取 RTC 並執行自動控制、每 500 ms 重新整理 OLED、每 2 s 向串列埠上報資料幀。ESP12F 透過 USART1 與 STM32 交换自訂 @ 協定幀，對上提供 HTTP+JSON 介面，手機 App 與網頁用戶端均透過該介面存取設備。
相比引入 RTOS，裸機超迴圈在本場景下更簡單可靠：系統任務均為週期性短任務（單輪迴圈最長阻塞不超過 DHT11 一次讀取的約 25 ms），軟定時器分頻即可滿足 1 s 級控制節拍，且規避了 RTOS 的優先順序與堆疊管理複雜度。
2.3 元器件選型
| 類別 | 型號 | 關鍵參數 | 作用 |
|---|---|---|---|
| 主控 | STM32F103C8T6 | 72 MHz，64KB Flash，20KB RAM | 感測採集、控制決策、選單互動 |
| 溫濕度 | DHT11 | ±2 ℃ / ±5%RH，單匯流排 | 棚內溫濕度採集 |
| 光照 | BH1750 | 1~65535 lx，I2C 位址 0x23 | 光照強度採集 |
| 時鐘 | DS3231 | I2C RTC，±2ppm，紐扣電池備份 | 定時視窗與顯示走時 |
| 顯示 | OLED 0.96" | 128×64，SSD1306，I2C 0x3C | 中文選單顯示 |
| 執行 | 繼電器 K1/K2 | 5 V，高電平吸合 | 風扇 / 加熱片開關 |
| 執行 | N-MOS 低邊模組 | 電平導通 | 加濕器電源開關 |
| 補光 | LED 燈帶 | 高電平點亮 | 光照不足補光 |
| 報警 | 有源蜂鳴器 | NPN 三極體驅動 | 越限提示 |
| 聯網 | ESP12F | 802.11 b/g/n，HTTP 服務 | 協定轉換與 OTA |
| 按鍵 | 輕觸開關 ×4 | EXTI 下降沿 + 消抖 | 選單操作 |
3 硬體系統設計
3.1 引腳資源分配
| 外設 | 引腳 | 說明 |
|---|---|---|
| DHT11 資料線 | PA8 | 單匯流排，開漏 + 上拉 |
| BH1750 | PA0(SCL) / PA1(SDA) | 軟體 I2C |
| OLED SSD1306 | PB8(SCL) / PB9(SDA) | 軟體 I2C，位址 0x3C |
| DS3231 | PB12(SCL) / PB13(SDA) | 軟體 I2C，驅動自管 GPIO |
| 按鍵 KEY1~KEY4 | PA3 / PB5 / PB6 / PB7 | 上拉輸入，EXTI 下降沿 |
| 繼電器 K1（風扇） | PB3 | 高電平吸合 |
| 繼電器 K2（加熱片） | PB4 | 高電平吸合 |
| 加濕器（N-MOS） | PB14 | 高電平導通 |
| LED 補光 | PB15 | 高電平點亮 |
| 蜂鳴器 | PB1 | NPN 驅動，高電平響 |
| USART1 | PA9(TX) / PA10(RX) | 業務幀，接 ESP12F |
| USART3 | PB10(TX) / PB11(RX) | 除錯列印 |
3.2 執行器驅動電路
風扇與加熱片屬於感性/大功率負載，經 5 V 繼電器隔離驅動，單片機 GPIO 只提供高電平控制訊號，弱電與強電完全分離。加濕器模組為電平使能型，其按鈕已短接為常通狀態，因此採用 N-MOS 低邊開關控制模組供電，實現「給電即噴霧、斷電即停止」。PB3、PB4 復位預設為 JTAG 除錯引腳，初始化時透過 AFIO 重映射 SWJ_NOJTAG 關閉 JTAG（保留 SWD 燒錄口），將其釋放為普通 GPIO。
3.3 人機互動電路
四按鍵按「最左確認、左二返回、右側上下」的直覺佈局，EXTI 下降沿觸發並在中斷內完成消抖與電平校驗，主迴圈統一消費按鍵事件。OLED 顯示中文 16×16 / ASCII 8×16 混排文字，四行佈局分主頁兩頁與四個功能頁。
4 軟體系統設計
4.1 主程序流程
主程序為超迴圈結構，每輪依次處理：行快取週期性失效、按鍵事件、串列埠幀解析、以及四路軟定時器（感測器 2 s、控制 1 s、顯示 500 ms、上報 2 s）。由於各任務均為短任務，單輪迴圈耗時可忽略，控制節拍由 HAL_GetTick() 差值保證，不受迴圈體執行時間波動影響。
4.2 系統初始化
上電後依次完成：向量表重定位（本韌體為獨立韌體，必須將 VTOR 顯式設為 Flash 基址，否則第一個中斷即 HardFault）、時脈配置（HSE 8 MHz 倍頻至 72 MHz）、GPIO 與雙串列埠初始化、按鍵 EXTI 註冊、使能 DWT 週期計數器（供 DHT11 微秒時序）、從 Flash 載入使用者參數、外設初始化。DS3231 出廠值為 2000 年，程序檢測到年份小於 2026 時用編譯時間自動校準一次，此後依靠紐扣電池走時。
4.3 自動控制規則
自動控制每 1 s 執行一次，是系統的核心決策層，設計遵循三條原則：
帶回差啟停。 若僅用單一閾值判斷，測量值在閾值附近抖動會導致執行器頻繁通斷。系統為每條規則引入回差：溫度回差 1 ℃、濕度回差 5%RH、光照回差 100 lx。以降溫為例，溫度高於上限（預設 33 ℃）進入降溫，須回落到「上限 − 1 ℃」以下才退出。
互斥與優先順序。 加熱與風扇（降溫/除濕共用）互斥，加濕與除濕互斥，避免同一時刻既加熱又降溫；溫度規則與濕度規則爭用風扇時溫度優先。彙總輸出階段統一裁決：風扇 = 定時通風 ∨ ((降溫 ∨ 除濕) ∧ ¬加熱)。
定時視窗疊加。 補光規則只在補光視窗（預設 06:00–18:00）內生效，視窗外補光燈強制關閉；通風視窗（預設 10:00–14:00）內風扇強制開啟用於換氣，且通風不觸發蜂鳴報警。視窗支援跨午夜配置（起始大於結束）與禁用（起止相等）。
感測器故障保護：DHT11 連續 3 次讀取失敗即判定故障，凍結全部功率輸出並蜂鳴器長鳴，安全優先。
4.4 按鍵選單狀態機
UI 為 7 頁狀態機：主頁兩頁（KEY3/KEY4 翻頁）、選單頁、模式選擇、設備控制、閾值設置、定時設置。按鍵語義在任何頁面保持一致：確認/進入、返回/儲存、上移/加、下移/減。模式切換時清零全部設備輸出，讓自動規則重新判定；手動模式下設備控制頁逐路翻轉設備，自動態下按鍵僅給出 1.5 s 提示而不執行，避免誤操作。
OLED 重新整理採用行快取去重：每行繪製內容先與上次快取比較，變化才寫屏，從機制上消除重新整理閃爍。考慮到軟體 I2C 無 ACK、繼電器與霧化片的 EMI 偶發寫壞 GDDRAM（表現為個別漢字變實心方塊），主迴圈每 30 s 將行快取整體失效一次強制重繪，實現顯示自癒。
4.5 參數編輯與掉電儲存
閾值正被自動規則即時使用，因此編輯採用草稿機制：進入編輯時拷貝當前值到草稿，KEY3/KEY4 調整草稿，編輯項閃爍顯示，僅 KEY2 儲存時才寫入生效值並持久化。調整過程即時鉗位，保證下限嚴格小於上限。
掉電儲存將 5 項閾值與兩個定時視窗打包為 20 位元組結構體，附 CRC16-CCITT 校驗後寫入片內 Flash。這裡有一個實測教訓：儲存區最初設在 0x08007C00，韌體增長到 35 KB 後，OLED 中文字模表恰好落進同一頁，每次儲存擦頁都把前 13 個漢字字形擦成 0xFF，屏上出現實心方塊。修復方案是將儲存區移至晶片最後一頁 0x0800FC00，並透過連結腳本把 Flash 長度壓到 63 KB——韌體一旦超過即連結報錯，杜絕靜默覆蓋。載入時校驗 magic 字與 CRC16，任一不符即用預設值。
4.6 串列埠接收成幀
USART1 中斷只做一件事：拼行。收到 @ 開始新幀，收到 \r/\n 結束成幀，ESP 上電日誌、亂碼等非 @ 開頭位元組一律丟棄。上幀未被主迴圈取走時新幀直接丟棄而不覆蓋，超長幀整幀丟棄防溢出。
中斷處理沒有使用 HAL 的接收 API，而是直接讀 SR 後讀 DR：HAL 在溢出錯誤（ORE）時會關閉接收中斷且不重新武裝，導致接收永久死鎖；自寫 ISR 的「讀 SR 再讀 DR」序列可同時清除 RXNE 與 ORE/FE/NE/PE 標誌，無死鎖狀態。主迴圈還每輪檢查接收中斷使能位，被任何路徑誤關時立即補回，實現鏈路自癒。
4.7 命令解析執行
主迴圈以關中斷方式原子取走整幀後解析，協定為 @ 開頭、逗號分隔、換行結尾的 ASCII 幀，與 App/網頁共用：
| 方向 | 幀格式 | 說明 |
|---|---|---|
| 上行 | @DATA,t,h,lux,MODE,FAN:x,...,HH:MM:SS | 每 2 s 全量上報 |
| 上行 | @MODE,AUTO|MANUAL / @TH,... / @TIMER,LG|FV,... | 模式/閾值/視窗回報 |
| 下行 | @GET,ALL|TH|TIMER | 查詢 |
| 下行 | @CTRL,FAN|HEAT|HUMI|LED|BZ,0|1|T | 設備控制，僅手動模式 |
| 下行 | @MODE,AUTO|MANUAL | 模式切換 |
| 下行 | @SETTH,... / @SETTIMER,.... | 參數設置，校驗通過才儲存 |
命令執行結果以 @OK / @ERR,<cmd>,<FORMAT|RANGE|MODE> 回應。設備控制與 OLED 選單遵循同一模式邊界：自動模式下 CTRL 命令被拒絕（@ERR,CTRL,MODE），避免與每秒覆蓋的自動規則打架。
5 ESP12F 聯網與手機 App
ESP12F 運行雙槽韌體（rboot 方案）：recovery 槽不可變，負責配網與網頁 OTA，app 槽可隨時無線升級，刷壞也能從恢復槽重來，杜絕變磚。其軟體職責是協定轉換——把 @ 串列埠幀快取為狀態，對上暴露 REST 介面：
| 端點（/api/v1） | 方法 | 功能 |
|---|---|---|
/health | GET | 存活、版本、uptime、串列埠統計 |
/sensor | GET | 溫濕度/光照/RTC（讀 2 s 快取） |
/state | GET | 模式 + 五路設備狀態 |
/device | GET/POST | 設備控制（樂觀更新，立即回顯） |
/mode | GET/POST | 模式切換 |
/threshold / /timer | GET/POST | 閾值與定時視窗讀寫 |
/frames / /raw | GET | 串列埠原始幀環與白名單直發（聯調） |
由於 STM32 每 2 s 主動推送 @DATA，ESP 側查詢端點基本是讀快取，回應延遲在毫秒級；快取未就緒時補發一條 @GET,ALL 催取。
手機 App 基於 React Native 開發，四個頁籤：首頁（即時資料與設備狀態）、控制（模式切換與五路設備開關）、設置（閾值與定時視窗編輯）、聯調（原始幀收發，便於現場排障）。App 與網頁用戶端共用同一組 /api/v1 介面，控制採用樂觀更新策略——不等下一幀上報，按鈕立即變色，實際狀態由 2 s 後的 @DATA 校正。
6 系統測試
6.1 功能測試
| 測試項 | 操作 | 預期結果 | 結果 |
|---|---|---|---|
| 溫度上限聯動 | 加熱使棚溫超過 33 ℃ | 風扇開、蜂鳴提示 | 通過 |
| 溫度回差 | 棚溫降至 32 ℃ 以下 | 風扇停 | 通過 |
| 加熱聯動 | 製冷使棚溫低於 20 ℃ | 加熱片開、風扇關 | 通過 |
| 濕度聯動與互斥 | 濕度超 70%RH / 低於 35%RH | 除濕開風扇 / 加濕啟霧，與溫度不衝突 | 通過 |
| 定時補光 | 視窗內遮蔽光照感測器 | 光照低於閾值補光開，視窗外強制關 | 通過 |
| 定時通風 | 進入通風視窗 | 風扇強制開，不報警 | 通過 |
| 手動模式 | 設備控制頁翻轉設備 | 僅手動可翻轉，自動態提示 | 通過 |
| 參數掉電儲存 | 儲存閾值後斷電重啟 | 參數保持，CRC 校驗通過 | 通過 |
| 串列埠命令 | App 下發 CTRL/MODE/SETTH | 均回 @OK，越限回 @ERR,RANGE | 通過 |
| 感測器故障 | 拔下 DHT11 | 輸出凍結、蜂鳴長鳴 | 通過 |
6.2 性能測試
| 指標 | 設計值 | 實測 |
|---|---|---|
| 控制節拍 | 1 s ± 10 ms | 穩定滿足 |
| 感測器採集週期 | 2 s | 穩定滿足 |
| 資料上報週期 | 2 s | 穩定滿足 |
| OLED 重新整理週期 | 500 ms（行快取去重） | 無可感知閃爍 |
| App 查詢回應 | < 200 ms | 毫秒級（讀快取） |
| 參數儲存擦寫 | 單頁 20~40 ms，選單動作時才觸發 | 無感 |
7 結論
本文完成了基於 STM32F103C8T6 的智慧農業大棚環境控制系統的設計與實現。系統以帶回差的自動控制規則與定時視窗實現環境自動調控，以互斥與優先順序機制保證執行器動作安全合理；草稿式編輯配合 CRC16 掉電儲存解決了參數可靠配置問題；自寫串列埠中斷規避了 HAL 接收死鎖，行快取加週期重繪實現了 OLED 顯示自癒；ESP12F 雙槽 OTA 與 REST 介面讓手機 App 完成遠端監控與無線升級。
系統仍存在改進空間：DHT11 精度有限，可升級 SHT30 並引入 PID 連續調節；聯動規則可擴展土壤濕度與 CO₂ 濃度；App 可接入雲平臺實現遠端（跨網段）存取與歷史資料曲線。
參考文獻
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