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以下时本人独立开发设计的毕设项目课题：《基于物联网/WIFI/单片机的农业大棚环境监测系统论文》，现在共享出来供大家参阅，可用于做项目时借鉴，博尾附有下载链接。(内附本人联系方式，可一起交流探讨，交朋友)。

针对本课题，本次共享的资料包几乎涵盖毕业设计所需的全部资料：设计方案，开题报告，程序源码，原理图，模块资料，论文，答辩PPT，模块学习资料，等等。本资料包不仅仅适用于“基于物联网/WIFI/单片机的农业大棚环境监测系统论文”毕业设计课题的借鉴。也同样使用与全套要求软硬结合的物联网类设计。

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                                                基于单片机的大棚环境监测系统设计方案

--创想嵌入式设计工作室

1. cup型号：STC12c5a60s2
2. 主要电路模块组成：1电源模块：开关电源（220-5V）

1. 单片机硬件电路设计
2. 继电器控制电路
3. Co2浓度传感器
4. 土壤湿度传感器
5. 光照传感器驱动电路

1. 显示模块：OLED屏幕显示。
2. 本地报警装置：蜂鸣器。               
3. 控制对象：继电器(控制模拟水阀通断)、风机（降温排气等）补光灯控制器（补光）.
4. 设计方式：洞洞板手工焊接。
5. 本设计搭建一个大棚生态环境系统，分别通过传感器监测其中的土壤湿度、CO2浓度，以及空气温湿度。通过按键设定每个参数的界限值，例如当土壤湿度达到界限值则启动水阀继电器进行灌溉，如果温湿度或者CO2浓度过高则启动排气扇进行通风换气，如果检测到光照强度低于设定值，则自动启动补光灯装置进行补光操作，每种传感器的数值实时显示在OLED屏幕上供用户实时查看，此外当检测到环境内某项参量高于正常值（例如设定值的200%）则启动蜂鸣器报警，提醒用户，大棚环境存在异常问题，需要人为及时处理。
6. 资料包：实现以上功能，全套设计资料包括：全套实物、原理图、开题报告、程序源码，原理概述、原理指导，答辩答疑 。设计周期为5到6周。

论文 摘要

题目：基于单片机的大棚环境监测系统

摘要

在国家大力推进农业现代化进程的背景下，提出了一种基于单片机的大棚温湿度等多参数实时监控系统。系统由数据采集及传输部分和上位机数据传输及控制部分两部分组成，本设计主要是完成上位机数据传输及控制部分。通过STM32F103单片机采集各项传感器参数，并对比测得值与预设值，当测得值超出报警预值，则触发声光报警模块，并控制相应的自动调节装置进行调节，从而实现大棚里的环境最适宜种植物的生长。上位机软件通过RS232接收单片机采集的传感器参数并显示，同时显示报警等信息；此外，可通过上位机软件设置报警预值。

本文详细论述了上位机数据传输及控制系统的硬件电路设计和软件设计。并通过对在实验室模拟大棚环境系统的调试，结果表明该系统完全能够实现预设功能。

关键字：STM32单片机；USART通信；VB.net上位机软件；

ABSTRACT

       In the background of the country vigorously promoting the process of agricultural modernization, a multi parameter real-time monitoring system, such as temperature and humidity, is put forward, which is based on single chip microcomputer. The system is composed of two parts: data acquisition and transmission part and data transmission and control part of upper computer. The design mainly completes data transmission and control part of upper computer. STM32F103 microcontroller through the acquisition of the sensor parameters, and compared the measured value with a preset value when the measured value exceeds the alarm value in advance, triggering the alarm module, and control the automatic regulating device of the corresponding adjustment, so as to achieve the most suitable environment for greenhouse plant growth. The upper computer software receives the sensor parameters and displays the information of the alarm, and displays the alarm information through RS232. In addition, the alarm precondition can be set up by the upper computer software.

       This paper discusses in detail the hardware circuit design and software design of the data transmission and control system of the host computer. And through the test of the greenhouse environment system in the laboratory, the results show that the system can achieve the preset function.

       Keywords: STM32 single chip microcomputer ; UART communication； VB.net host computer software ；

目录

目录......................................... 2

1 绪论....................................... 1

1.1 设计背景及意义......................................... 1

1.2 单片机发展概况......................................... 2

2 系统总体设计................................ 6

2.1 总体方案设计........................................... 6

2.2 系统总体运行图......................................... 7

2.3 系统功能模块........................................... 9

2.4 系统设计步骤........................................... 9

3 系统硬件设计............................... 11

3.1 电源模块.............................................. 11

3.2 接口转换电路.......................................... 12

3.3 STM32单片机最小系统................................... 14

3.4 声光报警装置.......................................... 17

3.5 自动调节装置.......................................... 18

4 系统软件设计............................... 21

4.1 通信协议.............................................. 22

4.2 STM32单片机串口通信程序............................... 23

4.3 STM32主控制器程序设计................................. 27

4.4 上位机串口通信程序设计................................ 29

5 系统测设................................... 34

5.1 测试方法.............................................. 34

5.2 测试用例.............................................. 35

5.3 测试分析.............................................. 37

6 总结与展望................................. 38

参考文献.................................... 39

致谢........................................ 41

1. 绪论
2. 设计背景及意义

我国农业历史悠久，农业文化博大精深，农业在国民经济中占有非常重要的地位。人多地少是我国的基本国情。虽然我国地大物博，但中国人均耕地面积只有世界平均水平的43%，从长期来看，人口增加，耕地减少，耕地资源紧张的矛盾将长期存在[1]。除此之外，我国水资源匮乏，是世界上水资源最短缺的国家之一。这些因素始终束缚着我国农业的发展，影响我国农业现代化进程。

在这种情况下，温室大棚的出现有效解决了上述问题。温室大棚能集约化利用土地，改进灌溉方式，提高土地和水资源利用效率。但其同样存在着许多问题. . . . . . . ,剩余内容请参阅原文.方式的种种不足。利用传感器技术、无线通信技术以及单片机等构成的自动检测及控制系统越来越受到欢迎。

单片机以其低功耗，小体积，高性能，大容量，低价格，技术成熟的特点，得到极其广泛的应用。STM32系列资源丰富，使用便捷，在智能仪器、家用电器、工业控制、通信设备等行业使用广泛。随着技术的不断发展，单片机性能不断提高，产品种类越来越多，朝着专用化和通用化的方向发展，为开发人员提供了更多选择。. . . . . . . ,剩余内容请参阅原文.

RS232通信距离较远，布线. . . . . . . ,剩余内容请参阅原文.。

1. 单片机发展概况
2. 单片机技术的现状及发展趋势

单片机产生于20世纪70年代末，总体上可分为三个阶段：SCM阶段、MCU阶段、SOC阶段。计算机系统有三个明显的发展方向，呈现出巨型化、单片化、网络化的特点。复杂系统数据的计算和高速数据处理是巨型机的主要作用。单片机是嵌入式系统的独立发展之路，向MCU阶段发展的重要因素，就是寻求应用系统在芯片上的最大化解决。因此，专用单片机在不断地显示应用中就形成了SOC化的趋势。随着微电子技术、IC设计、EDA工具的出现和迅速发展，SOC单片机迅速发展，应用越来越广泛。因此，对单片机的理解可以从单片微型计算机、单片微控制器延伸到单片应用系统。

单片机以其易操作性、高可靠性、低成本的优势，渗透到了我们生活的各个领域各行各业，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，民用豪华轿车的安全保障. . . . . . . ,剩余内容请参阅原文.

1. 本设计的内容

本设计的主要内容是使用STM32F103单片机采集大棚内各传感器值，上位机软件通过RS232通信接收单片机采集的传感器数据并显示与界面，同事可使用上位机设置系统报警预值，一旦超过报警值，系统报警并采取相应措施。. . . . . . . ,剩余内容请参阅原文.

设计内容如下：

1. STM32单片机采集温度、土壤湿度、光照强度、CO2浓度等数据，通过RS232与上位机软件通信。
2. I2C程序、单总线协议、AD转换、UART通信程序编写；
3. 根据接收到的数据格式，提取有用数据。
4. . . . . . . . ,剩余内容请参阅原文.
5. 上位机的界面设计及程序的编写。

1. 系统总体设计
2. 总体方案设计

本设计中，STM32单片机通过I2C方式读取光照传感器数据；通过AD转换读取烟雾传感器和土壤是度传感器电压值，进而转换为对应的浓度和湿度值；通过单总线协议读取DHT22温度传感器数据；同时，单片机通过RS232将以上数据发送给上位机软件显示，上位机软件还可设置报警值下发到单片机内保存；此外，STM32通过设定值与实测值比较，若实测值超出范围，触发蜂鸣器和LED灯闪烁报警，并打开自动调节装置，采取调节措施。具体过程如图2.1所示。

要实现该系统的功能，首先要完成传感器参数的采集，这里通过配置和调用hal库接口，实现我们的功能。

对STM32单片机调用库函数编程，实现USART3的串口通信功能，用于和上位机通信；若超出预值，则控制蜂鸣器和LED灯，起报警作用；同时控制继电器工作，对环境参数进行相应的调节。

上位机软件分主界面、串口设置、报警值设置三个子界面。

STM32使用串口3的TX输出数据与上位机通信，但RS232接口任何一条信号线的电压均为负逻辑关系，即：逻辑“1”为-3— -15V；逻辑“0”：+3— +15V ，与TTL电平不兼容故需使用电平转换模块方能与TTL电路连接。通过MAX3232电平转换模块与上位机实现通信，将数据传送给上位机，可通过串口调试助手或上位机软件查看。

自动调节装置是通过继电器控制风扇和电机实现环境的补光、通风和卷放草帘的功能。

图2.1 整体方案框图

1. 系统总体运行图

本设计中单片机每隔2秒采集一次传感器数据，按格式存储与ADC2_value_Data[]数组内。STM32单片机通过USART3、以查询方式与上位机通信，上位机设置的报警值保存在hello[]中。

STM32单片机传感器数据ADC2_value_Data[]分别与hello[]比较，若超出设定值，报警并采取调节措施。系统总体运行图如图2.2。

图2.2 系统总体运行图

1. 系统功能模块

系统主要分控制器模块、上位机模块、报警及调节装置三部分：

1. 控制器模块

数据通信：单片机与光照传感器通过I2C通信，与DHT22通过单总线协议通信。

数据处理：采集的传感器有效数据保存在数组中；实测值与预设报警值比较。

1. 上位机模块

通过MAX3232把TTL电平转换为RS232电平，将数据显示在串口助手或上位机软件中。

1. 报警及调节装置

报警装置：实测值不在报警预设值范围内时，蜂鸣器报警，LED灯闪烁；实测值回到报警预设值范围内时，停止报警。  

调节装置：控制器根据系统是否报警控制多组继电器，当系统报警时采取相应调节措施。如温度过高时，接通控制风扇的继电器，风扇工作，通风降温；土壤湿度过低时，接通控制水泵的继电器，打开水阀浇水等等。当实测值重新回到报警预设值范围之内，断开相应的继电器，系统重回正常。

1. 系统设计步骤

系统设计总体分为个步骤：

1. 硬件电路:选择合适元器件及模块，设计硬件电路，连接硬件电路，测试硬件电路。
2. 通信协议的设计：STM32单片机与CC2530模块及上位机通信程序的编写。
3. STM32单片机的编程与调试：编写USART3串口通信程序；数据提取与保存；实测值与报警预设值的比较；。
4. . . . . . . . ,剩余内容请参阅原文.

1. 系统硬件设计

    本设计主要由电源模块、MAX3232电平转换模块、STM32单片机模块、各传感器模块、报警模块和自动调节装置组成。

1. 电源模块

    本设计电源模块为STM32单片机、各传感器、报警装置和其他模块供电。其中STM32单片机和MAX3232芯片的正常工作电压为3.3V，各传感器模块和自动调节模块继电器工作电压为5V。电源模块原理图如图3.1。

. . . . . . . ,剩余内容请参阅原文.. . . . . . . ,剩余内容请参阅原文.. . . . . . . ,剩余内容请参阅原文.. . . . . . . ,剩余内容请参阅原文.. . . . . . . ,剩余内容请参阅原文.. . . . . . . ,剩余内容请参阅原文.. . . . . . . ,剩余内容请参阅原文.

图3.7 ST-link仿真器

单片机与仿真器通过杜邦线连接，仿真器接口编号如图3.8 仿真器接口所示。

. . . . . . . ,剩余内容请参阅原文.

图3.8 仿真器接口

1. 声光报警装置

当测得的参数超过设定的各项参数的报警预值时，报警装置开始工作，蜂鸣器发出连续响声，LED灯闪烁报警。

报警装置，由LED灯和蜂鸣器组成。报警电路如图3.9所示。

. . . . . . . ,剩余内容请参阅原文.

图3.9 LED和蜂鸣器报警电路

LED和蜂鸣器报警正极连接3.3V电源，另一端经1K的电阻连接至STM32单片机PB5引脚，PB5引脚输出高电平时LED和蜂鸣器报警电路接通。

使用9013三极管作开关使用控制蜂鸣器。三极管基极经1K的限流电阻后连接至STM32单片机的PB5脚，PB5脚输出低电平时，三极管工作在截止区，三极管关断，蜂鸣器不工作；PB5脚输出高电平时，三极管工作在饱和区，三极管导通，蜂鸣器鸣响。本设计使用的蜂鸣器为SFM-27电子蜂鸣器，接通电路即可产生断续报警声，无需控制其交替导通。

1. 自动调节装置

当测得参数超过设定的各项参数的报警预值时，自动调节装置开始工作，若报警是由于光照不足引起的，则控制灯泡的继电器闭合，灯泡工作，补充光照。若报警是由温度过高引起的，控制风扇的继电器闭合，风. . . . . . . ,剩余内容请参阅原文.

风扇控制电路原理图如图3.10所示，选用 BFAG-600型风扇。STM32单片机PB3脚输出高电平，导通三极管，光耦发光，继电器吸合，风扇接通220V电源，风扇工作。此原理图中D2二极管为续流二极管，因为继电器的线圈为感性，在断电后存在的电势可通过续流二极管形成回路消耗掉。

. . . . . . . ,剩余内容请参阅原文.

图3.10 风扇控制电路原理图

灯泡的控制电路如图3.11所示，PA12脚输出高电平时，导通9013三极管。继电器吸合，灯泡接通220V电源。

. . . . . . . ,剩余内容请参阅原文.

图3.11 灯泡控制电路原理图

水泵控制电路如图3.12所示，电路工作原理与风扇控制电路的工作原理相同，选用WQY系列水泵，此系列水泵可靠性高，可在恶劣环境下连续无故障工作几个月。

. . . . . . . ,剩余内容请参阅原文.

图3.12 水泵控制电路原理图

1. 系统软件设计

本设计软件部分主要包括STM32单片机AD采样程序、STM32单片机I2C程序、STM32单片机单总线协议程序、STM32单片机串口通信程序、STM32主控制器程序设计、上位机程序设计。系统程序框图如图4.1：

图4.1 系统软件程序框图

软件部分首先要进行各个模块的初始化。STM32单片机每2秒钟采集一次传感器数据，并将数据发送给上位机。对STM32单片机采集到的数据存储与ADC2_value_Data[]数组内，将其与报警预值数组yuzhi[]内的数据进行比较，若超出数组yuzhi[]报警预值的上限或者下限，启动报警装置，同时根据是哪个数据超出范围启动相应调节措施。

1. 通信协议

通信协议是指双方实体完成通信或服务所必须遵循的规则和约定。通过通信信道和设备互连起来的多个不同地理位置的数据通信系统，要使其能协同工作实现信息交换和资源共享，它们之间必须具有共同的语言。交流什么、怎样交流及何时交流，都必须遵循某种. . . . . . . ,剩余内容请参阅原文.

1. 简单的检错方式。

        为了方便起见，我们将上述三个通信协议设置为相同的格式，波特率都设置为9600，8位数据位，1位停止位，无奇偶校验位。STM32使用串口3的查询方式。

单片机和上位机通信主要使用的是RS232协议。在串行通讯时，要求通讯双方都采用一个标准接口，使不同的设备可以方便地连接起来进行通讯。RS-232-C接口(又称EIARS-232-C)是目前最常用的一种串行通讯接口，接口如图4.2。由于在RS232协议中，逻辑1=+3V～+15V，逻辑0=-3V～-15V，所以RS2. . . . . . . ,剩余内容请参阅原文.的TXD，单片机的TXD连接串口线的RXD，并将他们共地即可。

图4.2 RS232接口详图

1. STM32单片机串口通信程序

STM32F103C8T6单片机拥有USART1、USART2、USART3三个串口，本设计中USART3用于与上位机通信。以串口3为例介绍串口的使用。串口通信流程图如图4.3所示。

STM32单片机串口的使用包括串口初始化、GPIO口初始化、开启串口时钟、设置中断优先级、编写串口中断处理函数五部分[11]。KeiMDK界面如图4.4：

图4.4 KeilMDK编程界面

1. 串口初始化

在主函数中调用MX_USART3_UART_Init（）函数初始化串口。将串口3波特率配置为9600。按照以下程序配置，即完成了STM32USART3的串口初始化。STM32单片机sUSART3使用PB10和PB11引脚；

   huart3.Instance = USART3;

//设置波特率9600

. . . . . . . ,剩余内容请参阅原文._STOPBITS_1;

//无奇偶校验

       huart3.Init.Parity = UART_PARITY_NONE;

//无流控制

       huart3.Init.HwFlowCtl = UART_HWCONTROL_NONE;

//打开Rx接收和Tx发送功能

       huart3.Init.Mode = UART_MODE_TX_RX;

1. GPIO口初始化：

要想使用STM32的GPIO口，需先对GPIO口进行配置，一般来说STM32的输入输出管脚有以下8种配置方式：

1. 浮空输入_IN_FLOATING  ——浮空输入，可以做KEY识别；
2. 带上拉输入_IP. . . . . . . ,剩余内容请参阅原文.

n（）函数中进行配置。本设计PB5用于LED灯闪烁和蜂鸣器报警，PB0用于烟雾传感器AD采样，PA3用于土壤湿度传感器 AD采样，PA9用于与DHT22单总线通信，PB3和PA11用于控制继电器，PB6和PB7用于I2C通信。所以需对这几个引脚初始化。按照下列程序即可完成GPIO口的初始化。

//  将PA9和PA12配置为推挽输出

  GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_9|GPIO_PIN_12;

  GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;

  GP. . . . . . . ,剩余内容请参阅原文.. . . . . . . ,剩余内容请参阅原文.

1. 数据比较

上位机设置报警预值上下限，在STM32主程序中与传感器的各参数比较。死个传感器的值都要与报警预值上限和下限比较。在每次比较中分别设置一个标志位，共有4个标志位，分别为k1、k2、k3、k4，超出报警值上限或下限标志位置0，在主程序中判断，k1、k2、k3、k4中，任何一个标志位为0就触发报警和自动调节功能。环境温度比较函数为EnvTempCompare（），环境湿度比较函数为EnvWetCompare（），土壤湿度比较函数为SoiWetCompare（），光照强度比较函数为LightCompare（）。

      以环境温度上限比较为例，介绍数据比较程序：

              if(baojingzhi[0]/10 < dataa[0] - 48)

              {

                     k1 = 0;

              }

           else if(baojingzhi[0]/10 == dataa[0] - 48)

              {

                     k1 = 1;

                     if(baojingzhi[0]%10 <= dataa[1] - 48)

                     {

                            k1 = 0;

                     }

              }

              else

              {

                     k1 = 1;

              }

1. 报警功能

蜂鸣器和LED灯驱动三极管基极连接PB5脚。PB5脚输出高电平，蜂鸣器报警，LED灯亮起，达到报警的效果。编写报警程序：

       HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_5, GPIO_PIN_SET);

1. STM32单片机主程序

STM32单片机的主函数int main（）中包括两部分的内容，一是各种功能的初始化，而是while循环。[13]

由于我们用到了串口功能和GPIO口，所以需要初始化串口、初始化GPIO口、开启时钟。程序如下：

//初始化GPIO口

              MX_GPIO_Init();

//初始化串口功能

          MX_USART3_UART_Init();

//初始化ADC

MX_ADC1_Init();

MX_ADC2_Init();

//初始化ADC

MX_I2C1_Init();

       在while循环中，实现传感器参数采集的功能，各参数比较的功能，判断及触发报警的功能，与上位机通信的功能。

1. 上位机串口通信程序设计

       本设计中，上位机实现显示数据和设置报警值的功能。

1. Visual Studio 2015开发环境及VB.net编程语言介绍

1. Visual Studio 2015开发环境介绍

       Visual Studio 是一套基于组件的软件开发工具和其他技术，可用于构建功能强大、性能出众的应用程序。Visual Studio 是一套完整的开发工具，用于生成 ASP.NET Web 应用程序、XML Web services、桌面应用程序和移动应用程序。 Visual Basic、Visual C# 和 Visual C++ 都使用相同的集成开发环境 (IDE)，这样就能够进行工具共享，并能够轻松地创建混合语言解决方案。 另外，这些语言使用 .NET Framework 的功能，它提供了可简化 ASP Web 应用程序和 XML Web services 开发的关键技术

. . . . . . . ,剩余内容请参阅原文.

      其在调试时是以解释型语言方式运作,而输出为EXE程序是是以编译型语言方式运作。Visual Basic .NET通常缩写为VB.NET,在某些特定情况下也直接简称VB，比如在.NET这个大话题下或者与其他.NET语言一起讨论的时候。

Visual Basic .NET属Basic系语言，其语法特点是以极具亲和力的英文单词为基础标识，以及与自然语言极其相近的逻辑表达，有时候你会觉得写VB.NET代码就好像在写英文句子一样，从这个角度来说，VB.NET似乎是最高级的一门编程语言，当然在Basic系语言中VB.NET也确实是迄今为止最强大的一门编程语言。

Visual Basic .NET的应用范围包括Windows桌面、Web以及当下突然觉醒的正在奋力追赶的第三大移动平台Windows Phone。

1. 上位机程序设计

1. 本设计使用Visual Studio2015新建项目，创建Windows窗体应用程序如图4.5。

图4.5 VC++6.0编程界面

1. 放置控件添加串口通信和其他控件，按要求排列，最终界面如图4.6。

图4.6 上位机界面

1. 为按钮和串口控件添加程序函数。在在主界面中添加SerialPort1串口控件，MenuStrip1菜单控件，Timer1定时器控件。
2. 在串口控件程序中，按照约定好的通信协议，将接受的数据解析显示与对应的控件中。读取报警值可将单片机内现有的报警值数据上传到上位机显示以便查看；下发报警值可将填写的报警值数据下发到单片机中保存，供单片机监控报警使用。

完成上述几项配置，调试生成可执行文件即完成上位机的设计。

1. 系统测设
2. 测试方法

系统测试方法有两种，一种是白盒法，另一种是黑盒法。

黑盒法，又称功能测试，它是将系统看做黑盒子，在完全不考虑程序的内部结构和特征的情况下，测试软件的内部特征。从程序的输入和输出特征上测试其是否满足设定的功能。

白盒法. . . . . . . ,剩余内容请参阅原文.

整个系统硬件连接实物图如图5.1：

图5.1系统硬件连接实物图

1. 测试用例

由于系统实现的功能较多，在此不一一进行测试，以光照度为例测试系统实时显示、报警及自动调节功能。测试过程如下如表5.1所示，测试过程记录如图5.2所示。

表5. 1 系统功能测试记录表

                                                       图5.2 系统测试图

1. 测试分析

经过各个模块的测试，对系统的许多细节做了改进，是系统能够连续准确稳定运行。各项功能均正常工作，本系统达到了设计要求。. . . . . . . ,剩余内容请参阅原文.。

1. 总结与展望

. . . . . . . ,剩余内容请参阅原文.。. . . . . . . ,剩余内容请参阅原文.。. . . . . . . ,剩余内容请参阅原文.。. . . . . . . ,剩余内容请参阅原文.。. . . . . . . ,剩余内容请参阅原文.。. . . . . . . ,剩余内容请参阅原文.。

参考文献

1. . . . . . . . ,剩余内容请参阅原文.. . . . . . . ,剩余内容请参阅原文.. . . . . . . ,剩余内容请参阅原文.

致谢

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第十篇：基于物联网/WIFI/单片机的农业大棚环境监测系统论文、开题报告、原理图（全套毕业设计资料，绝对干货，内附下载链接）

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