基于 Arduino 的智能温室监测与自动灌溉系统

项目概述

本项目构建一套低成本、模块化的**智能温室环境监测与自动灌溉系统**，采用 Arduino UNO 作为主控，集成土壤湿度、空气温湿度、光照强度、CO₂ 浓度四大关键环境参数传感器，配合继电器模块控制水泵、风扇、补光灯、加热带四类执行器，实现“感知—判断—执行”闭环。系统支持阈值本地自动控制与蓝牙/串口人工干预双模式，适合家庭阳台种植、教学演示及小型农业物联网原型验证。

硬件清单

软件架构

• Arduino IDE + DHT、Wire、SoftwareSerial、MHZ19 库
• 任务调度：millis() 非阻塞定时器，1s 采样、10s 控制、30s 上报
• 状态机：IDLE → CHECK_SENSORS → EVALUATE_RULES → ACTUATE → REPORT
• 配置存储：阈值、PID 参数、时间计划写入 EEPROM，掉电不丢失
• 蓝牙协议：JSON 格式 {"cmd":"set_thresh","sensor":"soil","low":30,"high":70}

控制策略详解

1. 土壤湿度 → 自动灌溉 (滞回比较器)

if (soil < TH_LOW && !pump_on) { pump_on = true;  relay_on(PUMP); }
if (soil > TH_HIGH && pump_on)  { pump_on = false; relay_off(PUMP); }

默认阈值：TH_LOW=30%、TH_HIGH=70% (电容式传感器读值映射)，防止水泵频繁启停。

2. 空气温度 → 加热/制冷 (双阈值带滞回)

• T < 18℃：开启加热带 (继电器 1)
• T > 28℃：开启风扇排热 (继电器 2)
• 中间区间全关

3. 光照强度 → 补光灯 (光控 + 定时叠加)

• 光照 < 5000 lux 且在设定光照时段 (如 6:00–22:00) → 开启补光灯 (继电器 3)
• 支持 PWM 调光 (需 MOSFET 扩展)，模拟日照渐变

4. CO₂ 浓度 → 通风换气

• CO₂ > 1000 ppm：开启风扇 (继电器 2) 强制通风 5 分钟
• 配合光合作用规律，白天优先自然通风，夜间关闭

蓝牙交互协议

App 端开发建议 (MIT App Inventor / Flutter)

• 主界面：四大参数实时仪表盘 + 趋势图 (存储最近 24h 数据)
• 设置页：阈值滑块、定时计划表单、手动控制开关
• 报警推送：阈值越界、传感器离线、水泵异常、电源欠压
• 数据导出：CSV 格式，便于后续分析

安装与调试步骤

1. 按原理图接线，**上电前核对 220V 部分绝缘**，继电器模块 JD-VCC 与 VCC 跳线帽配置正确
2. 烧录固件，串口监视器 9600 波特率观察启动日志
3. 单体测试：依次发送 {"cmd":"manual","actuator":"pump","state":1} 验证各执行器
4. 传感器校准：土壤干/湿极值标定、DHT22 对标温湿度计、BH1750 对标照度计、MH-Z19B 置零校准 (通风环境下发送 0xFF 0x87 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0x78)
5. 联调运行：切换自动模式，观察 30 分钟完整控制周期

常见问题排查

• 土壤湿度读数漂移：电容式传感器受肥料电导率影响，定期用蒸馏水冲洗探头，或改用 FDR/TDR 专业探头
• DHT22 读取失败：检查上拉电阻 (4.7kΩ)、供电稳定性、线长 <1m、采样间隔 ≥2s
• MH-Z19B 数值固定 400/5000：UART 接线反、波特率不匹配 (默认 9600)、预热不足 (需 3 分钟)
• 继电器动作异常：确认低电平触发逻辑、共地、驱动电流足够 (UNO 直接驱动可能不足, 建议加三极管/光耦)
• 蓝牙频繁断连：HC-05 供电加 100µF 电解电容、天线远离金属、避开 WiFi 2.4G 信道

扩展与进阶

• ESP32 替代 UNO：内置 WiFi/BLE、双核、更多 ADC、支持 FreeRTOS 任务调度
• LoRaWAN 远程部署：配合 The Things Network 实现公里级无网关覆盖
• 边缘 AI：引入 TensorFlow Lite Micro，基于历史数据预测病虫害/生长模型
• 太阳能供电：MPPT 充电控制器 + 18650 电池组，实现离网运行
• Home Assistant 集成：MQTT 发现协议接入 HA，统一智能家居面板

项目资源

完整代码、原理图 (EasyEDA/KiCad)、3D 打印模型 (STL)、App 源码 (AIA/Flutter)、BOM 表格已整理上传 GitHub，欢迎 Star/Fork 贡献改进。