基于ESP32的多节点分布式温室环境控制系统设计_余恩.pdf

现 代 电 子 技 术 Modern Electronic Technique 2025 年 9 月 1 日 第 48 卷 第 17 期 Sep 2025 Vol 48 No 17 0 引 言 随着现代农业的快速发展 特别是在温室农业领 域 传统的环境控制方法因依赖繁重的人工操作而显 得效率低下且成本高昂 1 2 物联网 IoT 技术的兴起为 解决这些问题提供了新的途径 通过智能化和自动化 技术 能够实时监控和调节关键环境参数 从而提高生 产精度和持续性 3 6 国际上已有研究展示自动化控制 系统的初步成果 7 8 国内则多集中于改善单一传感器的 应 用 或 部 分 自 动 化 设 备 面 临 高 功 耗 和 数 据 传 输 问 题 9 11 针对此 本文设计了一种基于 ESP32 微控制器 和 FreeRTOS 操作系统的多节点分布式温室环境控制系 统 12 该系统通过集成设计和稳定的数据传输技术 不 仅提高了响应速度 还提升了环境监测和调节的精度 展示了低功耗与高效能的优势 本文的主要创新点如下 1 集成系统架构设计 采用基于 ESP32 的控制系 统 结合多线程技术和 MQTT 协议 实现温室内多种环 境参数的实时监控与控制 13 基 于 ESP32 的 多 节 点 分 布 式 温 室 环 境 控 制 系 统 设 计 余 恩 1 李 永 可 1 2 3 周 文 艺 1 王 磊 1 2 3 1 新疆农业大学 计算机与信息工程学院 新疆 乌鲁木齐 830052 2 新疆农业大学 智能农业教育部工程研究中心 新疆 乌鲁木齐 830052 3 新疆农业大学 新疆农业信息化工程技术研究中心 新疆 乌鲁木齐 830052 摘 要 文 中 研 究 开 发 了 一 套 基 于 ESP32 的 多 节 点 分 布 式 温 室 环 境 控 制 系 统 该 系 统 利 用 FreeRTOS 实 时 操 作 系 统 及 多 线 程 技 术 有 效 监 控 和 调 节 温 湿 度 光 照 强 度 及 CO 2 浓 度 等 关 键 环 境 参 数 借 助 RS 485 总 线 和 MQTT 协 议 确 保 了 数 据 在 复 杂 温 室 环 境 下 的 高 稳 定 性 传 输 实 验 数 据 显 示 成 功 率 高 达 99 96 相 较 于 传 统 控 制 方 法 文 中 系 统 不 仅 提 升 了 控 制 精 度 还 显 著 降 低 了 能 耗 证 实 了 其 在 现 代 农 业 生 产 中 的 高 效 性 和 广 泛 适 用 性 关 键 词 ESP32 多 节 点 分 布 式 智 能 温 室 FreeRTOS MQTT 物 联 网 中 图 分 类 号 TN919 34 TP273 1 S625 3 文 献 标 识 码 A 文 章 编 号 1004 373X 2025 17 0153 07 Design of multi node distributed greenhouse environment control system based on ESP32 YU En 1 LI Yongke 1 2 3 ZHOU Wenyi 1 WANG Lei 1 2 3 1 College of Computer and Information Engineering Xinjiang Agricultural University Urumqi 830052 China 2 Intelligent Agriculture Engineering Research Center of Ministry of Education Xinjiang Agricultural University Urumqi 830052 China 3 Xinjiang Agricultural Informatization Engineering Technology Research Center Xinjiang Agricultural University Urumqi 830052 China Abstract A multi node distributed greenhouse environmental control system based on ESP32 is developed in this study By employing the FreeRTOS real time operating system and multi threading technology the system monitors and adjusts key environmental parameters such us temperature and humidity illumination intensity and CO 2 concentration effectively By utilizing the bus RS 485 and the MQTT protocol the system ensures high stability data transmission in complex greenhouse environments and the experimental data shows that the success rate is as high as 99 96 In comparison with the traditional control methods the proposed system not only improves control accuracy but also reduces energy consumption significantly which demonstrates its high efficiency and wide applicability in modern agricultural production Keywords ESP32 multi node distribution smart greenhouse FreeRTOS MQTT Internet of Things DOI 10 16652 j issn 1004 373x 2025 17 023 引用格式 余恩 李永可 周文艺 等 基于 ESP32 的多节点分布式温室环境控制系统设计 J 现代电子技术 2025 48 17 153 159 收 稿 日 期 2024 09 27 修 回 日 期 2024 11 29 基 金 项 目 中央引导地方科技发展项目 沙漠小麦水肥一体化精准控制关机技术应用推广 153 153现 代 电 子 技 术 2025 年 第 48 卷 2 数据传输的稳定性与高效性 通过 RS 485 总线 结合 MQTT 协议 14 有效克服了传统无线通信在温室环 境中的干扰问题 确保了数据的稳定和可靠传输 3 系统验证与实际应用 系统在新疆昌吉华兴农 场的温室中进行了现场测试 实验证明了系统在复杂环 境中的高效运行和稳定性 验证了其在实际农业生产中 的应用潜力与推广价值 本文旨在为现代温室农业提供一套集成化 智能化 的控制解决方案 以提升生产效率 降低人工成本 并确 保作物生长的高质量和产量 推动农业向智能化和可持 续发展 1 系 统 设 计 本节详细介绍基于 ESP32 的多节点分布式温室环 境控制系统的设计 包括系统的总体架构 硬件设计 传 感器集成与数据采集模块设计以及系统的软件架构与 功能实现 1 1 系 统 总 体 架 构 多节点分布式温室环境控制系统采用模块化设计 主要分为上位机 云端管理平台 和下位机 采集与控制 模块 两部分 15 上位机负责集中处理和管理所有来自 下位机的环境数据 并将相应的控制指令发送到下位机 执行 下位机则直接与传感器和执行设备 卷帘机 风 扇 湿帘 灌溉系统等 连接 实时采集环境参数并根据 预设条件对各设备进行自动化控制 在数据传输方面 系统采用 RS 485 总线与 MQTT 协 议的组合方式 确保数据在复杂温室环境下的稳定传 输 各模块通过 WiFi 连接到上位机 实现远程数据采 集与控制 整个系统架构如图 1 所示 展现了传感器模 块 控制模块与云端平台之间的通信流程 图 1 系 统 总 体 架 构 1 2 硬 件 设 计 硬件部分主要由以下几个模块组成 MCU 最小系 统模块 电源管理电路 RS 485 通信电路 继电器控制 电路及各类传感器模块 各模块之间通过标准化接口 连接 以保证系统的稳定运行和扩展性 16 硬件设计架 构如图 2 所示 图 2 硬 件 设 计 架 构 1 2 1 MCU 最 小 系 统 ESP32 作为系统的核心控制器 具有高性能 低功 耗的特点 能够集成 WiFi 和蓝牙功能 适用于物联网 环 境中的数据采集与控制 MCU 最小系统由 ESP32 WROOM 32UE 模组 下载调试电路 复位与启动电路组 成 其中 ESP32 WROOM 32UE 模组通过 USB 接口实 现程序的自动下载 并集成了抗干扰的消抖电路以提高 系统的稳定性 MCU 最小系统电路 17 如图 3 所示 1 2 2 电 源 管 理 电 路 系统采用了 MP1584EN LF Z 芯片作为主要的降压 电源管理模块 该芯片能够将 12 28 V 的输入电压稳 定转换为 5 V 输出 以供给 ESP32 和其他外部电路 为 了确保电源的稳定性 电路设计中加入了多级滤波电 路 极 大 降 低 了 纹 波 和 噪 声 此 外 系 统 还 采 用 AMS1117 3 3 稳压电路 将 5 V 电压降至 3 3 V 供传感 器和其他低功耗设备使用 电源管理电路如图 4 所示 锂电池充放电电路采用 TP4056 芯片 确保锂电池 的高效充电与放电 同时提供过充 过放和温度保护功 能 确保系统在极端环境下的安全运行 充放电电路如 图 5 所示 1 2 3 RS 485 通 信 电 路 为了保证各类传感器与控制模块的数据传输稳定 性 系统采用了 RS 485 总线进行通信 RS 485 通信电 路基于 MAX1487EESA T 芯片设计 具备过流保护和抗 静电功能 能够在长距离和复杂电磁环境中维持稳定的 数据传输 通过 RS 485 与 ModBus 协议的结合 系统能 够支持多个传感器模块的并行连接 实现数据的高效采 集与传输 RS 485 通信电路如图 6 所示 154第 17 期 1 2 4 继 电 器 控 制 电 路 系统的执行设备 如卷帘机 风扇 湿帘等 通过继 电器进行控制 每个执行设备对应一个继电器控制模 块 控制模块由光耦隔离电路 三极管驱动电路和继电 器组成 光 耦 提 供 信 号 隔 离 确 保 控 制 信 号 的 稳 定 传 输 三极管驱动继电器线圈 完成对设备的控制 继电器控 制电路如图 7 所示 图 3 MCU 最 小 系 统 电 路 图 4 电 源 管 理 电 路 余 恩 等 基 于 ESP32 的 多 节 点 分 布 式 温 室 环 境 控 制 系 统 设 计 155现 代 电 子 技 术 2025 年 第 48 卷 图 6 RS 485 通 信 电 路 图 5 充 放 电 电 路 1 3 传 感 器 选 型 环境数据的采集是多节点分布式温室环境控制系 统的核心功能之一 系统集成了多个高精度传感器 用 于监测温湿度 光照强度 CO 2 浓度等环境参数 1 空 气 温 湿 度 传 感 器 空 气 温 湿 度 传 感 器 选 用 YDTH 06 型传感器 具有高精度和宽量程的特点 该传 感器基于 RS 485 接口输出数字信号 能够实时监测温室 内空气的温度和湿度 测量范围为温度 20 70 湿度 0 80 RH 能够满足不同气候条件下的应用需求 2 土壤温湿度传感器 HSTL 102STRWS 型土壤温 湿度传感器能够精确反映土壤的体积含水量和温度情况 该传感器采用频域反射技术 能够在不同土壤环境下提供 精准的水分测量 确保植物在最佳的土壤环境下生长 3 光照传感器 HSTL GZD 系列光照强度传感器能 够在不同光照条件下提供精确的光照强度数据 其光电 探测器具有高灵敏度和出色的稳定性 传感器的最大 允许误差为 7 适合用于不同植物的光照需求监控 图 7 继 电 器 控 制 电 路 4 CO 2 传感器 SN 3002Y CO2 传感器用于实时监 测温室内的 CO 2 浓度 确保环境中 CO 2 浓度始终维持在 适合植物生长的范围内 该传感器支持 RS 485 通信 通信距离最远可达 2 000 m 并具有 IP65 防护等级 适 用于恶劣环境下的长期监控 1 4 系 统 软 件 设 计 系统软件采用 FreeRTOS 实时操作系统 实现多任 务并行处理 软件设计的主要功能模块包括数据采集 模块 控制逻辑模块和通信模块 通过多线程技术提高 系统的运行效率和响应速度 18 1 4 1 数 据 的 采 集 与 处 理 数据采集模块负责从各类传感器获取环境数据 并 通过 RS 485 总线传输至 ESP32 进行初步处理 为确保 数据的及时性与准确性 系统采用了多线程架构 将数 据采集任务 通信任务和控制任务分离 以避免任务间 156第 17 期 的相互干扰 数据采集程序的设计流程如图 8 所示 图 8 数 据 采 集 程 序 的 设 计 流 程 为了确保数据的规范性和可读性 定义数据键名 如表 1 所示 表 1 数 据 采 集 规 范 数 据 键 名 AirT AirH SoilT SoilH LigthS CO 2 RSSI 说 明 空 气 温 度 空 气 湿 度 土 壤 温 度 土 壤 湿 度 光 照 强 度 CO 2 浓 度 信 号 强 度 关 联 变 量 数 据 类 型 Float Float Float Float Uint32 t Int16 t Uint16 t 字 节 B 4 4 4 4 4 2 2 1 4 2 控 制 逻 辑 系统的控制逻辑基于设定的环境参数阈值自动触 发 例如 当温度超过设定阈值时 系统将自动启动卷 帘机降低温室内温度 系统通过多线程实时监控温室 内的环境变化 确保各执行设备能够快速响应 保持温 室环境的稳定 控制模块包括卷帘机 卷膜机 风扇 湿帘 喷淋和 灯光的控制 其逻辑设计基本相似 本文以卷帘机模块 为例进行说明 卷帘机模块的程序设计采用 FreeRTOS 实时操作系统 通过多线程控制方式实现精确 高效的 操作 系统通过实时监测温室环境参数 当光照或温度 超出设定阈值时 卷帘机会自动调整 从而保持最佳的 温室环境 卷帘机模块的程序设计流程如图 9 所示 该 设计同样适用于其他模块的控制 确保系统整体的稳定 性与可靠性 1 4 3 通 信 与 自 动 化 远 程 控 制 通信模块基于 MQTT 协议 实现下位机与上位机的 远程通信 上位机通过云端平台实时获取温室内的环 境 数 据 并 根 据 需 求 向 下 位 机 发 送 控 制 指 令 通 过 TLink 平台 用户可以随时随地对温室内的各类设备进 行远程控制和自动化管理 其系统通信结构 远程控 制 自动化管理如图 10 图 12 所示 图 9 卷 帘 器 模 块 的 程 序 设 计 流 程 图 10 系 统 通 信 结 构 图 11 远 程 控 制 余 恩 等 基 于 ESP32 的 多 节 点 分 布 式 温 室 环 境 控 制 系 统 设 计 157现 代 电 子 技 术 2025 年 第 48 卷 图 12 自 动 化 管 理 2 系 统 测 试 与 分 析 本节将通过在新疆昌吉华兴农场温室的实际应用 环境 验证基于 ESP32 的多节点分布式温室环境控制系 统的稳定性 数据传输效率 系统响应速度以及自动控 制功能 实验主要围绕温度 湿度 光照强度和 CO 2 浓 度等环境参数的监控和自动调节展开 2 1 测 试 安 装 与 调 试 本次测试在新疆昌吉市大西渠镇华兴农场的温室 内进行 温室面积约为 长 50 m 宽 7 m 高 8 m 温室内 安装了空气温湿度传感器 土壤温湿度传感器 光照强 度传感器和 CO 2 浓度传感器 均匀分布于温室的不同区 域 确保环境参数的全面监测 系统的执行设备包括卷帘机 风扇 湿帘 灌溉系统 和灯光系统 均通过 ESP32 控制器与继电器控制电路连 接 为了测试系统的实时响应和传输稳定性 进行了长 时间实验 以评估系统在动态变化中的表现 设备调 试 安装实物如图 13 所示 图 13 设 备 调 试 安 装 实 物 2 2 数 据 传 输 稳 定 性 测 试 为了验证系统在温室环境中长期运行的数据传输 稳定性 实验持续测试了一个月 在实验过程中 传感 器每 30 s 采集一次环境数据 温湿度 光照强度 CO 2 浓 度 通 过 RS 485 总 线 传 输 至 ESP32 控 制 器 再 通 过 MQTT 协议上传至 TLink 云平台 本文随机抽取了其中 5 天的数据传输情况 统计接 收和发送数据包的数量 并计算传输成功率 每个测试 日包含 24 h 连续的数据采集和传输 数据传输稳定性 测试结果见表 2 表 2 数 据 传 输 稳 定 性 测 试 结 果 次 数 1 2 3 4 5 接 收 数 据 包 个 2 878 2 879 2 879 2 879 2 879 发 送 数 据 包 个 2 880 2 880 2 880 2 880 2 880 数 据 上 传 成 功 率 99 930 6 99 965 3 99 965 3 99 965 3 99 965 3 实验结果表明 系统在这 5 天的测试中 数据传输 成功率保持在 99 93 以上 表明系统在温室环境中具 备良好的传输稳定性 2 3 传 感 器 响 应 速 度 测 试 在传感器响应速度测试中 通过自然环境的变化 记录传感器对温湿度变化的响应时间以及系统控制设 备的执行延迟 实验持续 48 h 监测温湿度 光照强度 等环境参数的变化 并根据设定的阈值触发控制设备 卷帘机 风扇 本文重点记录了温湿度发生较大变化时 传感器捕 捉到数据变化与控制设备响应之间的时间差 传感器响 应速度和控制延迟结果如表 3 所示 表 3 传 感 器 响 应 速 度 和 控 制 延 迟 测 试 结 果 s 实 验 条 件 温 度 从 20 升 至 30 湿 度 从 40 RH 增 至 80 RH 温 度 从 30 下 降 至 22 传 感 器 响 应 时 间 0 5 0 6 0 5 设 备 控 制 延 迟 1 1 1 3 1 1 2 4 自 动 化 控 制 功 能 测 试 自动化控制是智能温室系统的重要功能 为了验 证系统的自动化控制效果 本文设置了温度 湿度和光 照等环境参数的阈值 当参数超出预设范围时 系统会 自动启动相应设备进行调整 例如 当空气温度高于 25 时 系统应自动启动卷帘机进行降温 当空气湿度 过高时 系统应自动打开风扇进行排湿 实验进行了 10 次重复测试 以评估系统的控制精 度和成功率 结果如表 4 所示 158第 17 期 表 4 自 动 化 控 制 功 能 测 试 结 果 任 务 类 别 定 时 任 务 定 时 任 务 定 时 任 务 触 发 任 务 触 发 任 务 触 发 任 务 任 务 内 容 10 00 打 开 卷 帘 机 12 00 打 开 卷 膜 器 13 00 打 开 喷 淋 当 空 气 温 度 高 于 25 开 卷 帘 机 当 空 气 湿 度 高 于 80 开 风 扇 当 土 壤 湿 度 低 于 40 开 喷 淋 次 数 10 10 10 10 10 10 成 功 率 100 100 100 100 100 100 结果显示 系统在所有条件触发下均成功执行了对 应的设备控制 成功率达到 100 这验证了系统的自 动化控制功能在温室环境中的有效性 能够根据预设的 环境参数动态调节设备工作 保证温室环境的稳定 2 5 结 果 分 析 与 总 结 通过实验验证 本系统在数据传输 传感器响应速 度 自动化控制以及能耗管理等方面均表现出色 具体 结果如下 1 数据传输稳定性 系统的数据传输成功率达到 99 93 以上 保证了温室内环境数据的实时传输与监控 2 实时响应性能 传感器响应时间控制在 0 5 s 以 内 设备控制延迟不超过 1 3 s 具备良好的实时性 3 自动化控制功能 系统的自动化控制任务成功 率达到 100 能够根据环境参数的变化自动调节设备 运行 实验结果表明 基于 ESP32 的多节点分布式温室环 境控制系统在复杂环境中能够高效 稳定运行 具备较 高的实际应用价值 3 结 论 本文成功设计并实现了一套基于 ESP32 的多节点 分布式温室环境控制系统 该系统整合了 FreeRTOS 实 时操作系统 多传感器数据采集 RS 485 总线与 MQTT 协议 实现了对温室内环境参数的实时监控和自动化控 制 实际应用实验显示 系统在数据传输稳定性 传感 器响应速度和设备控制延迟方面表现出色 本系统展现了高度的稳定性和灵活性 同时具备良 好的可扩展性 未来 通过优化数据传输机制 增强传 感器的自动校准功能和改进用户界面 有望更好地满足 大规模农业生产需求 为现代温室管理提供一个更高 效 智能的解决方案 参 考 文 献 1 刘青 李兰兰 张德树 等 基于物联网技术的智慧农业大棚监 测系统研究 J 安徽科技学院学报 2021 35 4 19 25 2 冯天明 基于物联网的智能温室大棚开发设计与实现 D 大 连 大连海洋大学 2020 3 史正元 基于 PLC 的智能温室的设计与应用 D 南京 南京理 工大学 2018 4 任玲 夏俊 翟旭军 等 基于农业物联网技术的智能温室系统 实现 J 南方农机 2022 53 3 5 10 5 张爱英 基于物联网的智能水培温室控制系统的研究 D 临 沂 临沂大学 2024 6 李刚 基于 STM32 单片机的温室大棚智能监控系统的设计 D 雅安 四川农业大学 2020 7 ULLAH M W MORTUZA M G KABIR M H et al Internet of Things based smart greenhouse remote monitoring and auto matic control EB OL 2018 02 11 https dpi dex php dteees article view 27803 8 MARAVEAS C Incorporating artificial intelligence technology in smart greenhouses Current state of the art J Applied sciences 2022 13 1 14 9 冯志旗 基于 WEB 技术的温室智能控制系统的优化与应用 D 郑州 河南科技学院 2023 10 高贯磊 李长普 付帅帅 等 基于物联网的智能温室大棚控 制系统设计 J 山东工业技术 2023 2 71 77 11 吴宝忠 任振辉 王娟 基于手机 APP 的温室大棚温湿度自动 控制系统设计 J 中国农机化学报 2018 39 4 68 71 12 张柯翔 基于 FreeRTOS 的无线网络门禁系统设计与实现 D 桂林 广西师范大学 2021 13 李国利 周创 牟福元 基于 ESP32 的温室大棚环境远程监控 系统设计 J 中国农机化学报 2022 43 3 47 52 14 荣锋 孟环环 基于 MQTT 协议的智能网关设计 J 现代电子 技术 2023 46 2 75 79 15 刘艳伟 李思雯 杨启良 等 基于 UWB 定位的智能温室三维 温湿度检测系统研究 J 农业机械学报 2023 54 9 414 422 16 刘军 基于 STM32 的智能灌溉控制系统设计 J 农机化研究 2022 44 10 181 184 17 ESPressif 公司 ESP 硬件设计指南 EB OL 2023 07 12 https docs espressif com projects esp hardware design guidelines zh CN latest esp32 index html 18 欧阳敏 杨斐文 基于 FreeRTOS 和 Modbus 的新型液压支架 姿态监测系统设计 J 煤炭技术 2022 41 9 185 188 19 薛荣辉 王蓬勃 刘星星 基于物联网 TLINK 的汽车蓄电池电 量手机远程监测系统 J 内燃机与配件 2023 19 12 14 20 邹彬 董军堂 杨延宁 等 基于云平台的温室大棚管理系统 J 传感器与微系统 2021 40 12 112 114 作 者 简 介 余 恩 1998 男 土 家 族 重 庆 黔 江 人 硕 士 研 究 生 CCF 会 员 V6449G 研 究 方 向 为 智 慧 农 业 李 永 可 1985 男 河 南 许 昌 人 博 士 研 究 生 副 教 授 研 究 方 向 为 农 业 信 息 化 周 文 艺 1997 男 河 南 周 口 人 硕 士 研 究 生 研 究 方 向 为 智 慧 农 业 王 磊 1985 男 陕 西 蓝 田 人 博 士 研 究 生 讲 师 研 究 方 向 为 控 制 科 学 与 工 程 物 联 网 工 程 余 恩 等 基 于 ESP32 的 多 节 点 分 布 式 温 室 环 境 控 制 系 统 设 计 159