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基于STM32的智能温室环境监测与控制系统设计（代码示例）

article 2024/11/5 12:27:49

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一、项目概述

在现代农业中，智能大棚能够通过环境监测、数据分析和自动控制等技术手段，实现对作物生长环境的精细化管理。本项目旨在设计一个基于STM32单片机的智能大棚系统，能够实时监测光照强度、空气温湿度及土壤湿度，并根据设定的阈值自动控制加热片、风扇、灯光和水泵，以优化植物生长环境。系统将实时数据通过OLED屏幕展示，并通过Wi-Fi模块将数据上传至手机APP，方便用户随时监控和调整大棚环境。

技术栈关键词

单片机: STM32F103C8T6
传感器:
温湿度传感器: DHT22
土壤湿度传感器: YL-69
光照传感器: 光敏电阻
显示模块: OLED屏幕（SSD1306）
无线通信: ESP8266
开发环境: STM32CubeIDE
手机应用: Blynk或自定义移动端应用

二、系统架构

设计系统架构

系统整体架构由数据采集模块、控制模块、显示模块和通信模块组成。各模块通过STM32单片机进行数据传输与控制。

选择合适的单片机和通信协议

单片机: 选择STM32F103C8T6，具备高性能和低功耗的特点，适合于实时数据处理和控制。
传感器:
DHT22: 提供高精度的温湿度数据。
YL-69: 测量土壤湿度，适合农业应用。
光敏电阻: 监测光照强度，以便于植物的光照需求。
无线通信: 使用ESP8266实现Wi-Fi通信，支持数据上传至互联网。
显示模块: OLED屏幕用于实时监控和数据展示，提高用户体验。

系统架构图

三、环境搭建和注意事项

硬件环境搭建

准备材料:

STM32开发板（如STM32F103C8T6）
DHT22温湿度传感器
YL-69土壤湿度传感器
光敏电阻
ESP8266 Wi-Fi模块
OLED显示屏（SSD1306）
加热片、风扇、灯和水泵

连接方式:

DHT22: 数据引脚连接至STM32的数字输入引脚，VCC和GND分别连接至电源。
YL-69: 直接连接至STM32的模拟输入引脚。
光敏电阻: 通过分压电路连接至STM32的模拟输入引脚。
ESP8266: 通过UART接口连接至STM32。
OLED: 通过I2C接口连接至STM32。

软件环境搭建

IDE选择: 使用STM32CubeIDE进行代码编写和调试。
库文件: 导入所需的库文件，包括DHT库、Adafruit SSD1306库和ESP8266库。

注意事项

确保传感器和模块的供电电压与STM32相匹配。
在代码中进行适当的错误处理，以避免因传感器故障导致系统崩溃。
定期进行系统测试，确保各传感器和控制模块的正常工作。

四、代码实现过程

在本部分，我们将详细介绍基于STM32单片机的智能大棚系统的代码实现过程。整个系统的实现可以分为四个主要模块：传感器数据读取、设备控制、OLED显示和Wi-Fi数据上传。我们会逐步介绍每个模块的设计和实现。

1. 系统架构回顾

在设计本项目时，我们搭建了系统架构，主要包括以下几个模块：

传感器模块: 负责采集环境数据，如温湿度、土壤湿度及光照强度。
控制模块: 根据传感器数据控制加热片、风扇、灯和水泵。
显示模块: 通过OLED屏幕展示当前环境参数。
通信模块: 利用ESP8266模块将数据上传至手机APP，实现远程监控。

2. 读取传感器数据

我们使用DHT22传感器读取环境的温湿度数据，YL-69传感器读取土壤湿度，光敏电阻用于监测光照强度。

代码实现

以下是STM32的代码示例，使用HAL库读取传感器数据并处理。

1. 初始化代码

在main.c中初始化各个模块：

#include "main.h"
#include "dht.h"
#include "ssd1306.h"

// 定义引脚
#define SOIL_MOISTURE_PIN GPIO_PIN_1
#define LIGHT_SENSOR_PIN GPIO_PIN_2
#define HEATER_PIN GPIO_PIN_3
#define FAN_PIN GPIO_PIN_4
#define LIGHT_PIN GPIO_PIN_5
#define PUMP_PIN GPIO_PIN_6

// 设定阈值
float TEMP_THRESHOLD = 20.0;    // 温度阈值
float HUMIDITY_THRESHOLD = 60.0; // 湿度阈值
int LIGHT_THRESHOLD = 300;       // 光照强度阈值
int SOIL_MOISTURE_THRESHOLD = 300; // 土壤湿度阈值

DHT_HandleTypeDef hDHT; // DHT传感器句柄

void SystemClock_Config(void);
static void MX_GPIO_Init(void);
static void MX_I2C1_Init(void);
static void MX_DHT_Init(void);

int main(void) {
    HAL_Init(); // 初始化HAL库
    SystemClock_Config(); // 配置系统时钟
    MX_GPIO_Init(); // 初始化GPIO
    MX_I2C1_Init(); // 初始化I2C
    MX_DHT_Init(); // 初始化DHT传感器

    SSD1306_Init(); // 初始化OLED显示屏

    while (1) {
        float humidity = DHT_ReadHumidity(&hDHT);
        float temperature = DHT_ReadTemperature(&hDHT);
        int soilMoisture = HAL_ADC_GetValue(&hadc1); // 读取土壤湿度
        int lightIntensity = HAL_ADC_GetValue(&hadc2); // 读取光照强度

        // 在OLED上显示数据
        SSD1306_Clear();
        SSD1306_SetCursor(0,0);
        SSD1306_WriteString("Humidity: ", Font_11x18, White);
        SSD1306_WriteFloat(humidity, Font_11x18, White);
        SSD1306_WriteString("%", Font_11x18, White);
        SSD1306_SetCursor(0,20);
        SSD1306_WriteString("Temp: ", Font_11x18, White);
        SSD1306_WriteFloat(temperature, Font_11x18, White);
        SSD1306_WriteString("C", Font_11x18, White);
        SSD1306_SetCursor(0,40);
        SSD1306_WriteString("Soil: ", Font_11x18, White);
        SSD1306_WriteInt(soilMoisture, Font_11x18, White);
        SSD1306_SetCursor(0,60);
        SSD1306_WriteString("Light: ", Font_11x18, White);
        SSD1306_WriteInt(lightIntensity, Font_11x18, White);
        SSD1306_UpdateScreen(); // 更新显示

        // 控制设备
        controlDevices(temperature, humidity, soilMoisture, lightIntensity);

        HAL_Delay(2000); // 每2秒更新一次
    }
}

2. 设备控制逻辑

在智能大棚系统中，设备控制逻辑的实现至关重要。以下是具体实现的代码示例以及解析。

设备控制函数实现

void controlDevices(float temperature, float humidity, int soilMoisture, int lightIntensity) {
    // 控制加热片
    if (temperature < TEMP_THRESHOLD) {
        HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, HEATER_PIN, GPIO_PIN_SET); // 开启加热片
    } else {
        HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, HEATER_PIN, GPIO_PIN_RESET); // 关闭加热片
    }

    // 控制风扇
    if (humidity > HUMIDITY_THRESHOLD) {
        HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, FAN_PIN, GPIO_PIN_SET); // 开启风扇
    } else {
        HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, FAN_PIN, GPIO_PIN_RESET); // 关闭风扇
    }

    // 控制灯光
    if (lightIntensity < LIGHT_THRESHOLD) {
        HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, LIGHT_PIN, GPIO_PIN_SET); // 开启灯光
    } else {
        HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, LIGHT_PIN, GPIO_PIN_RESET); // 关闭灯光
    }

    // 控制水泵
    if (soilMoisture < SOIL_MOISTURE_THRESHOLD) {
        HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, PUMP_PIN, GPIO_PIN_SET); // 开启水泵
    } else {
        HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, PUMP_PIN, GPIO_PIN_RESET); // 关闭水泵
    }
}

代码解析

加热片控制: 当环境温度低于设定的阈值（TEMP_THRESHOLD）时，系统会自动开启加热片以提供热量；当温度高于设定值时，系统会关闭加热片。
风扇控制: 如果环境湿度超过设定阈值（HUMIDITY_THRESHOLD），风扇会被开启，以帮助降低湿度；反之，风扇会停止工作。
灯光控制: 通过检测光照强度（lightIntensity），如果光照强度低于设定值（LIGHT_THRESHOLD），则系统会开启灯光，以确保植物获得足够的光照。
水泵控制: 当土壤湿度（soilMoisture）低于设定阈值（SOIL_MOISTURE_THRESHOLD）时，水泵将被启动进行灌溉；如果土壤湿度足够，则水泵会关闭。

3. OLED显示模块

OLED显示模块用于实时展示当前环境参数，这部分代码已经在之前的传感器数据读取部分中提到过。为了更清晰地展示数据，我们将创建一个专门的显示函数。

OLED显示函数

void displayData(float humidity, float temperature, int soilMoisture, int lightIntensity) {
    SSD1306_Clear(); // 清空显示内容
    SSD1306_SetCursor(0, 0);
    SSD1306_WriteString("Humidity: ", Font_11x18, White);
    SSD1306_WriteFloat(humidity, Font_11x18, White);
    SSD1306_WriteString("%", Font_11x18, White);
    
    SSD1306_SetCursor(0, 20);
    SSD1306_WriteString("Temp: ", Font_11x18, White);
    SSD1306_WriteFloat(temperature, Font_11x18, White);
    SSD1306_WriteString("C", Font_11x18, White);
    
    SSD1306_SetCursor(0, 40);
    SSD1306_WriteString("Soil: ", Font_11x18, White);
    SSD1306_WriteInt(soilMoisture, Font_11x18, White);
    
    SSD1306_SetCursor(0, 60);
    SSD1306_WriteString("Light: ", Font_11x18, White);
    SSD1306_WriteInt(lightIntensity, Font_11x18, White);
    
    SSD1306_UpdateScreen(); // 更新OLED显示
}

4. Wi-Fi数据上传

为了实现远程监控和数据上传功能，我们需要设置ESP8266 Wi-Fi模块，并通过UART与STM32进行通信。以下是具体的实现步骤。

4.1 Wi-Fi模块初始化

在main.c文件中，我们需要配置UART并初始化ESP8266模块。下面是UART初始化的代码示例：

UART_HandleTypeDef huart2; // 定义UART句柄

void MX_USART2_UART_Init(void) {
    huart2.Instance = USART2;
    huart2.Init.BaudRate = 115200; // ESP8266的默认波特率
    huart2.Init.WordLength = UART_WORDLENGTH_8B;
    huart2.Init.StopBits = UART_STOPBITS_1;
    huart2.Init.Parity = UART_PARITY_NONE;
    huart2.Init.Mode = UART_MODE_TX_RX;
    huart2.Init.HwFlowCtl = UART_HWCONTROL_NONE;
    huart2.Init.OverSampling = UART_OVERSAMPLING_16;
    HAL_UART_Init(&huart2);
}

4.2 发送数据到ESP8266

为了将传感器数据上传至手机APP，我们将创建一个函数，该函数将通过ESP8266发送传感器数据。以下是发送数据的代码示例：

void sendDataToESP8266(float temperature, float humidity, int soilMoisture, int lightIntensity) {
    char buffer[100];
    snprintf(buffer, sizeof(buffer), "GET /update?temp=%.2f&hum=%.2f&soil=%d&light=%d HTTP/1.1\r\nHost: your_server_ip\r\n\r\n",
             temperature, humidity, soilMoisture, lightIntensity);
    
    HAL_UART_Transmit(&huart2, (uint8_t *)buffer, strlen(buffer), HAL_MAX_DELAY); // 发送数据
}

4.3 发送数据的调用

在主循环中，我们需要在每次更新环境数据后调用sendDataToESP8266函数，以确保最新的数据被上传。以下是如何调用该函数的示例：

while (1) {
    float humidity = DHT_ReadHumidity(&hDHT);
    float temperature = DHT_ReadTemperature(&hDHT);
    int soilMoisture = HAL_ADC_GetValue(&hadc1);
    int lightIntensity = HAL_ADC_GetValue(&hadc2);

    // 更新显示
    displayData(humidity, temperature, soilMoisture, lightIntensity);

    // 控制设备
    controlDevices(temperature, humidity, soilMoisture, lightIntensity);

    // 发送数据到ESP8266
    sendDataToESP8266(temperature, humidity, soilMoisture, lightIntensity);

    HAL_Delay(2000); // 每2秒更新一次
}

时序图

5. 项目总结

本项目针对现代农业的需求，设计并实现了一个基于STM32的智能大棚系统。该系统通过实时监测和自动控制环境参数，如温度、湿度、土壤湿度和光照强度，极大地提高了作物生长的环境适应性和农业生产效率。通过结合传感器、控制器、显示模块及Wi-Fi通信技术，项目不仅展示了现代农业智能化的实现路径，也为相关领域的研究和应用提供了参考。