基于Home Assistant的蔬菜大棚智能化改造方案.pdf

2025 年 第 11 期 中国农机装备 设施农业装备 基于 Home Assistant 的蔬菜大棚智能化改造方案 基于 Home Assistant 的蔬菜大棚智能化改造 方案 加子义 邓自强 叶贝贝 黄正学 十堰高级职业学校 十堰 432000 摘要 物联网技术及自动化技术已经应用于蔬菜大棚生产中 部分地区开始推广智能化种植技术 但目前相关成熟的方案建 设成本较高 需要专业技术人员进行维护 研究设计了一种基于Home Assistant的智能蔬菜大棚监控系统 以ESP32 单片机 为核心控制单元 通过多传感器如空气温湿度 光照强度 土壤湿度传感器采集数据 依托Home Assistant软件平台开发人 机交互界面 实现对蔬菜大棚内环境的远程监测 智能调控和远程警报提醒 设计的系统具有成本低 技术门槛低等优点 能满足个体农户对传统蔬菜大棚的智能化升级改造的需求 关键词 Home Assistant 蔬菜大棚 智能化改造 ESP32 控制器 性能测试 1 研究背景 当前 传统的蔬菜大棚种植模式面临诸多挑战 如环境调控不精准 资源利用效率低等 据文献调研 数据 传统大棚种植中农户需花费较多时间进行人工 巡检 且因调控滞后 容易造成作物因病虫害以及环 境等问题减产和水资源浪费等 物联网技术及自动化 控制技术的出现为解决这些问题提供了新的途径 通 过构建智能蔬菜大棚系统 可实现对大棚内环境参数 的实时监测与自动控制 提高蔬菜种植的科学性和经 济效益 降低农户的劳动强度 保障农产品的稳定供 应 具有重要的现实意义 张建成在 智慧农业技术在蔬菜大棚生产应用中 面临的困难与对策 中指出 现代化 智能化的大棚 设施 其造价往往较高 在寿光市卷帘机 放风机价 格普遍在 2000 8000 元 水肥一体机价格更高 1 智慧农业建设涉及先进的信息技术 如传感器 智能 设备等高成本设备和系统 生产成本包括了各种技术 设备 人工维护 电力和水资源等多项费用 因此生 产成本相对较高 这使得农民和农业企业在采用这些 技术时面临着较高的投资成本 尤其是对一些小规模 的农场或农户而言 通过查阅相关资料 可以发现国内外智慧蔬菜大 棚建设的整体解决方案的案例如表 1 所示 这些成熟 的智能化方案使用对象一般是大型农业企业 赵春江 院士在 智慧农业的发展现状与未来展望 中提出我 国小农户占比 95 以上 小农 小地块的农业生产 经营方式导致我国智慧农业技术投入的边际效益低 经营主体应用积极性不高 2 对个性化的 DIY 蔬菜大棚的改造方案进行的文 献分析结果表明 王彦儒等设计的基于 STC89C52 单 片机智能农业蔬菜大棚系统 3 只能实现蔬菜大棚的温 湿度的调节 张桓玮等设计了一个基于 STM32 处理 器的蔬菜大棚监测终端系统 采用交换机搭建云服务 器 可实现蔬菜大棚远程的监控 设备较多 搭建较 为复杂 4 韦明峥等设计了基于物联网的智能蔬菜大 棚远程控制系统 借助机智云服务平台实现产品手机 基金项目 十堰市教育局乡村振兴背景下中等职业学校电子专业课程改革研究 编号 2025046 作者简介 加子义 1983 08 男 讲师 研究方向 电子技术应用 通讯作者 邓自强 1991 05 男 讲师 研究方向 机电技术应用 表1国内外智慧蔬菜大棚建设的整体解决方案对比 产品类型 代表方案 单棚成本 核心优势 局限性 国外方案 荷兰 Priva 智能连栋温室设施设备国产化创新与应用 北京市农业 农村局 2024 约 20 万元 全参数 AI 决策 维护成本高 国产方案 托普云农 智慧蔬菜大棚建设典型案例 南阳市农业农村局 2023 5 万 8 万元 功能全面 操作复杂116 2025 年 第 11 期 中国农机装备 设施农业装备 基于 Home Assistant 的蔬菜大棚智能化改造方案 APP 的开发及数据点的接入与设置 但使用技术门槛 较高 5 考虑到农户实际的知识储备能力和技能水平 设 计了一套简单的智能蔬菜大棚控制系统 既能满足用 户要求对大棚的环境参数进行监控 又便于用户对相 应设备进行控制 2 整体方案设计 2 1 技术方案的确定 2 1 1 Home Assistant 软件主要应用于智能家居领 域 可以通过手机监测家中的环境和控制家电设备 具有操作简单 开源等优点 本研究将 Home Assis tant 进行生态整合 创新性地采用 Home Assistant 开 源平台构建人机交互界面 利用其丰富的插件性能 将传统需要专业编程的 APP 开发简化为图形化配置 使非技术人员也能快速部署 显著降低开发门槛 让 农户控制设备就像控制家里的灯一样方便 同时降低 了使用的门槛 2 1 2 选用国产 ESP32 单片机作为系统控制核心 选择合适的传感器 通过对多传感器的融合算法减小 误差 构建国产化低成本架构 使单棚硬件成本控制 在 1000 元以下 同时 ESP32 单片机有 Wi Fi 模块 便于组网实现远程控制 2 1 3 考虑到农户大棚网络情况 建立本地局域 网 实现离线智能控制 ESP32 在有外网时可以远程 监控 控制蔬菜大棚 断网时仍可基于预设阈值自主 调控设备 也可在局域网辐射范围内监控 控制蔬菜 大棚 解决农村地区网络不稳定问题 构建的系统整体方案如图 1 所示 2 2 硬件搭建 传感器电路 采用 星型拓扑 结构 温湿度传 感器 DHT11 光照传感器 GL5528 土壤湿 度传感器 YL 69 的输出端分别通过杜邦线连接 ESP32 单片机的 GPIO2 GPIO4 GPIO5 引脚 实现 数据并行采集 避免单传感器故障影响整体系统 每 个传感器均配备独立防干扰模块 减少大棚内电机 电磁阀等设备对传感器信号的干扰 数据采集误差控 制在 3 以内 执行器控制 4 路继电器模块 分别控制灌溉 通风 补光 遮阳 继电器模块与ESP32 的 GPIO12 GPIO13 GPIO14 GPIO15 引脚连接 通 过高低电平信号控制执行器启停 同时模块配备光耦 隔离电路 防止执行器反向电压损坏单片机 补光设备 选用模块化LED补光板 支持拼接扩 展 可根据大棚面积增减数量 其光照强度可通过 Home Assistant 界面调节 10 100 亮度可调 供电模块 采用 市电 锂电池 双供电模式 正常情况下通过 12V 5A 电源适配器供电 当农村电 网断电时 自动切换至 12V 5000mAh 锂电池 保障 核心设备连续运行 避免因断电导致环境调控中断 系统关键元器件技术参数如表 2 所示 2 3 软件和用户界面编程 2 3 1 ESP32 端 使用 Python 语言进行开发 核 心功能分为数据采集 阈值判断 网络通信三部分 数据采集部分设置采集频率为 10 秒 次 通过 ADC 接口读取传感器模拟信号 如土壤湿度 通 过单总线协议读取 DHT11 数字信号 采集后对数据 进行滤波处理 阈值判断部分内置默认作物 番茄 的温湿度 光照阈值表 当采集数据超出阈值时 触发继电器控 制执行器 网络配置部分农户可通过手机连接 Wi Fi 在配 图 1 系统方案简图 2025 年 第 11 期 网界面输入 Home Assistant 账号密码 完成对系统的 控制和参数的查看 无网络时 自动切换成自动模式 2 3 2 Home Assistant 端 通过 MQTT 集成部署于 腾讯云轻量应用服务器 添加设备实体 具体步骤如 下 1 在 Home Assistant 的 配置 集成 中搜 索 MQTT 输入服务器地址 端口 1883 账 号密码 完成连接 2 编写 ESP32 的 MQTT 发布 脚本 将传感器数据以 JSON 格式上传至主体 将设 备状态上传至主体 3 开发自定义面板 使用界 面编辑器 采用 卡片式 布局 包含实时数据图 表 报警推送功能 2 4 关键技术路线 2 4 1 多传感器融合技术 采用温湿度传感器 光敏电阻 土壤湿度传感器 构建蔬菜大棚环境感知体系 通过加权平均算法对多 传感器数据进行融合处理 例如 判断灌溉时机时 不仅要参考土壤湿度 还要结合空气湿度和温度 避 免单一传感器误判 2 4 2 阈值控制模式 根据作物的生长需求 建立温度 湿度 光照规 则库 通过 Python 语言对单片机编程 实现执行器 动态调控 同时支持用户自定义规则库 适应不同作 物生长阶段需求 如番茄苗期需高湿 成熟期需低湿 2 4 3 控制界面设计 利用Home Assistant的MQTT集成功能 实现设备 发现 状态同步 远程控制的全流程管理 开发基于 组态的可视化界面 满足农户远程监控的要求 同时 简化操作步骤 例如 点击按钮就能实现水泵的启 动 集成语音助手 实现 打开通风扇 查看今日 湿度 等自然语言控制 用户界面如图 2 所示 3 系统编程逻辑 设计的系统通过腾讯云平台实现 ESP32 单片机 与 Home Assistant 系统的连接 ESP32 通过 MQTT 协 议将传感器数据上传至腾讯云平台 平台接收后转发 至 Home Assistant 的 MQTT 服务器 传感器采集的数 据同时通过接口发送至 OLED 屏幕 实时显示当前参 数及设备状态 方便农户在大棚内查看 对有网络的情况 农户可通过 Home Assistant 的 网页端切换 手动模式 与 自动模式 手动模 式时点击界面按钮直接控制执行器 如点击 灌溉 按钮 系统发送指令至 ESP32 触发继电器启动电磁 图 2 基于 Home Assistant 的用户界面 表2关键元器件选型与来源 模块 元器件型号 供应商 技术参数 选型依据 主控单元 ESP32 WROOM 32 乐鑫科技 240MHz 双核 Wi Fi BLE 国产化替代 STM32 成本降低 60 支持 FreeRTOS 实时操作系统 温湿度 DHT11 深圳奥松电子 温度 20 60 湿度 0 100 低成本 10M 亮阻 100 光谱响应范围 400 700nm 适配植物光合作用需求 土壤湿度 YL 69 杭州源易联 0 100 线性输出 电 容 式 测 量 原 理 抗 干 扰 能 力 强 支 持 埋 入 式 安 装 中国农机装备 设施农业装备 基于 Home Assistant 的蔬菜大棚智能化改造方案 2025 年 第 11 期 阀 同时记录操作日志 操作人 时间 设备状态 自动模式时系统按预设阈值自动调控 农户可实时查 看调控记录 当无网络或断网时 系统自动切换至本地自动模 式 ESP32 读取 Flash 中存储的阈值规则 独立控制 执行器 同时将数据缓存至本地 待网络恢复后自动 同步至 Home Assistant 避免数据丢失 在自动模式下 若环境因素持续超阈值 如温度持续 30 系 统除启动执行器外 还会通过 Home Assistant 平台将 信息以通知的形式告知用户 提醒农户现场检查 控 制程序流程如图 3 所示 4 系统性能测试 4 1 传感器模块性能 系统集成的温湿度 光照及土壤湿度传感器在大 棚实际环境中表现稳定 能实时捕捉环境参数变化 温湿度传感器对昼夜温差 通风操作响应灵敏 数据 更新频率贴合作物生长监控需求 光照传感器可清晰 区分自然光强弱及补光状态 为遮阳 补光设备调控 提供可靠依据 土壤湿度传感器埋入耕作层后 能准 确反映不同区域土壤干湿差异 满足灌溉决策基本要 求 传感器数据采集无明显延迟 与人工观察结果一 致性较高 4 2 设备执行模块性能 各执行器控制逻辑清晰 响应及时 遮阳帘通过 PWM 调速设计实现平稳启停 无机械冲击或卡顿 灌 溉系统与土壤湿度阈值联动 电磁阀开关精准 未出 现误动作或漏水现象 补光灯光线覆盖均匀 多设备 协同运行时 控制指令执行有序 未出现冲突或延迟 4 3 系统稳定性与适配性 软件系统操作流畅 数据传输与存储稳定 断网 时离线控制功能正常启动 按预设策略维持设备运行 系统对不同大棚结构适配性较好 传感器与执行器安 装调试便捷 无需复杂专业工具 整体而言 系统核 心功能完备 稳定性满足实际种植需求 可支撑传统 大棚的智能化管理 系统构成及架构如图 4 所示 5 总结与展望 研究设计的基于 Home Assistant 的智能蔬菜大棚 环境调控系统通过 ESP32 单片机与多传感器协同工 作 结合 Home Assistant 的可视化界面 实现了传统 大棚的低成本智能化改造 解决了个体农户用不起 图 3 控制程序流程图 图 4 蔬菜大棚智能化改造模型 中国农机装备 设施农业装备 基于 Home Assistant 的蔬菜大棚智能化改造方案