基于STM32开发的智能农业环境监控系统

news2025/2/5 17:43:59

目录

  1. 引言
  2. 环境准备工作
    • 硬件准备
    • 软件安装与配置
  3. 系统设计
    • 系统架构
    • 硬件连接
  4. 代码实现
    • 系统初始化
    • 传感器数据采集与处理
    • 环境控制与状态指示
    • Wi-Fi通信与远程监控
  5. 应用场景
    • 农业温室环境管理
    • 农田环境监控与自动化管理
  6. 常见问题及解决方案
    • 常见问题
    • 解决方案
  7. 结论

1. 引言

随着农业技术的发展，智能化、自动化的农业环境监控系统在现代农业中发挥着越来越重要的作用。该系统通过集成温度传感器、湿度传感器、光照传感器、土壤湿度传感器、Wi-Fi模块等硬件，实时监控农业环境的各种参数，如温度、湿度、光照强度和土壤湿度，并根据预设的阈值自动调节环境条件，确保作物在最佳状态下生长。本文将介绍如何使用STM32微控制器设计和实现一个智能农业环境监控系统。

2. 环境准备工作

硬件准备

  • STM32开发板（例如STM32F103C8T6）
  • 温度传感器（例如DS18B20，用于检测环境温度）
  • 湿度传感器（例如DHT22，用于检测空气湿度）
  • 光照传感器（例如BH1750，用于检测光照强度）
  • 土壤湿度传感器（用于检测土壤湿度）
  • OLED显示屏（用于显示环境参数）
  • 风扇、加热器或灌溉设备（用于控制环境条件）
  • Wi-Fi模块（例如ESP8266，用于远程监控和数据传输）
  • LED（用于状态指示）
  • 面包板和连接线
  • USB下载线

软件安装与配置

  • Keil uVision：用于编写、编译和调试代码。
  • STM32CubeMX：用于配置STM32微控制器的引脚和外设。
  • ST-Link Utility：用于将编译好的代码下载到STM32开发板中。

步骤：

  1. 下载并安装Keil uVision。
  2. 下载并安装STM32CubeMX。
  3. 下载并安装ST-Link Utility。

3. 系统设计

系统架构

智能农业环境监控系统由STM32微控制器作为核心控制单元，通过温度传感器、湿度传感器、光照传感器和土壤湿度传感器实时采集环境数据，并通过相应的控制设备（如风扇、加热器、灌溉系统等）自动调节环境条件，确保作物在最佳状态下生长。OLED显示屏用于显示环境参数，Wi-Fi模块用于将数据上传至远程服务器，方便用户通过手机或电脑进行监控和管理。

硬件连接

  1. 温度传感器连接：将DS18B20温度传感器的VCC引脚连接到STM32的3.3V引脚，GND引脚连接到GND，数据引脚连接到STM32的GPIO引脚（例如PA0）。用于测量环境温度。
  2. 湿度传感器连接：将DHT22湿度传感器的VCC引脚连接到STM32的3.3V引脚，GND引脚连接到GND，数据引脚连接到STM32的GPIO引脚（例如PA1）。用于测量空气湿度。
  3. 光照传感器连接：将光照传感器的VCC引脚连接到STM32的3.3V引脚，GND引脚连接到GND，SCL和SDA引脚连接到STM32的I2C引脚（例如PB6、PB7）。用于测量光照强度。
  4. 土壤湿度传感器连接：将土壤湿度传感器的VCC引脚连接到STM32的3.3V引脚，GND引脚连接到GND，数据引脚连接到STM32的ADC引脚（例如PA2）。用于测量土壤湿度。
  5. 控制设备连接：将风扇、加热器或灌溉设备的控制引脚连接到STM32的GPIO引脚（例如PA3、PA4），通过继电器或驱动模块进行控制。
  6. OLED显示屏连接：将OLED显示屏的VCC引脚连接到STM32的3.3V引脚，GND引脚连接到GND，SCL和SDA引脚连接到STM32的I2C引脚（例如PB6、PB7）。用于显示环境参数。
  7. Wi-Fi模块连接：将Wi-Fi模块的TX、RX引脚分别连接到STM32的USART引脚（例如PA9、PA10），VCC引脚连接到STM32的3.3V引脚，GND引脚连接到GND。用于远程监控和数据传输。
  8. LED连接：将LED的正极引脚连接到STM32的GPIO引脚（例如PA5），负极引脚连接到GND。用于指示系统状态。

4. 代码实现

系统初始化

#include "stm32f1xx_hal.h"
#include "temperature_sensor.h"
#include "humidity_sensor.h"
#include "light_sensor.h"
#include "soil_moisture_sensor.h"
#include "oled.h"
#include "wifi.h"
#include "led.h"
#include "fan.h"
#include "heater.h"
#include "irrigation.h"

void SystemClock_Config(void);
static void MX_GPIO_Init(void);
static void MX_USART1_UART_Init(void);
static void MX_I2C1_Init(void);
static void MX_ADC_Init(void);

int main(void) {
  HAL_Init();
  SystemClock_Config();
  MX_GPIO_Init();
  MX_USART1_UART_Init();
  MX_I2C1_Init();
  MX_ADC_Init();

  TemperatureSensor_Init();
  HumiditySensor_Init();
  LightSensor_Init();
  SoilMoistureSensor_Init();
  OLED_Init();
  WiFi_Init();
  LED_Init();
  Fan_Init();
  Heater_Init();
  Irrigation_Init();

  while (1) {
    // 系统循环处理
  }
}

void SystemClock_Config(void) {
  // 配置系统时钟
}

static void MX_GPIO_Init(void) {
  // 初始化GPIO
  __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();
  GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};

  GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_0 | GPIO_PIN_1 | GPIO_PIN_2 | GPIO_PIN_3 |
                        GPIO_PIN_4 | GPIO_PIN_5;
  GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
  GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
  GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW;
  HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);
}

static void MX_USART1_UART_Init(void) {
  // 初始化USART1用于Wi-Fi通信
  huart1.Instance = USART1;
  huart1.Init.BaudRate = 115200;
  huart1.Init.WordLength = UART_WORDLENGTH_8B;
  huart1.Init.StopBits = UART_STOPBITS_1;
  huart1.Init.Parity = UART_PARITY_NONE;
  huart1.Init.Mode = UART_MODE_TX_RX;
  huart1.Init.HwFlowCtl = UART_HWCONTROL_NONE;
  huart1.Init.OverSampling = UART_OVERSAMPLING_16;
  if (HAL_UART_Init(&huart1) != HAL_OK) {
    Error_Handler();
  }
}

static void MX_I2C1_Init(void) {
  // 初始化I2C1用于OLED显示屏和光照传感器通信
  hi2c1.Instance = I2C1;
  hi2c1.Init.ClockSpeed = 100000;
  hi2c1.Init.DutyCycle = I2C_DUTYCYCLE_2;
  hi2c1.Init.OwnAddress1 = 0;
  hi2c1.Init.AddressingMode = I2C_ADDRESSINGMODE_7BIT;
  hi2c1.Init.DualAddressMode = I2C_DUALADDRESS_DISABLE;
  hi2c1.Init.OwnAddress2 = 0;
  hi2c1.Init.GeneralCallMode = I2C_GENERALCALL_DISABLE;
  hi2c1.Init.NoStretchMode = I2C_NOSTRETCH_DISABLE;
  if (HAL_I2C_Init(&hi2c1) != HAL_OK) {
    Error_Handler();
  }
}

static void MX_ADC_Init(void) {
  // 初始化ADC用于土壤湿度传感器数据采集
  ADC_ChannelConfTypeDef sConfig = {0};

  hadc1.Instance = ADC1;
  hadc1.Init.ScanConvMode = ADC_SCAN_DISABLE;
  hadc1.Init.ContinuousConvMode = ENABLE;
  hadc1.Init.DiscontinuousConvMode = DISABLE;
  hadc1.Init.ExternalTrigConv = ADC_SOFTWARE_START;
  hadc1.Init.DataAlign = ADC_DATAALIGN_RIGHT;
  hadc1.Init.NbrOfConversion = 1;
  if (HAL_ADC_Init(&hadc1) != HAL_OK) {
    Error_Handler();
  }

  sConfig.Channel = ADC_CHANNEL_2;
  sConfig.Rank = ADC_REGULAR_RANK_1;
  sConfig.SamplingTime = ADC_SAMPLETIME_55CYCLES_5;
  if (HAL_ADC_ConfigChannel(&hadc1, &sConfig) != HAL_OK) {
    Error_Handler();
  }
}

传感器数据采集与处理

#include "temperature_sensor.h"
#include "humidity_sensor.h"
#include "light_sensor.h"
#include "soil_moisture_sensor.h"

void TemperatureSensor_Init(void) {
  // 初始化温度传感器
}

float TemperatureSensor_Read(void) {
  // 读取温度数据
  return 25.0; // 示例数据
}

void HumiditySensor_Init(void) {
  // 初始化湿度传感器
}

float HumiditySensor_Read(void) {
  // 读取湿度数据
  return 60.0; // 示例数据
}

void LightSensor_Init(void) {
  // 初始化光照传感器
}

float LightSensor_Read(void) {
  // 读取光照强度
  return 300.0; // 示例数据
}

void SoilMoistureSensor_Init(void) {
  // 初始化土壤湿度传感器
}

uint32_t SoilMoistureSensor_Read(void) {
  // 读取土壤湿度数据
  return HAL_ADC_GetValue(&hadc1);
}

环境控制与状态指示

#include "fan.h"
#include "heater.h"
#include "irrigation.h"
#include "led.h"

void Fan_Init(void) {
  // 初始化风扇
}

void Fan_On(void) {
  // 打开风扇
  HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_3, GPIO_PIN_SET);
}

void Fan_Off(void) {
  // 关闭风扇
  HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_3, GPIO_PIN_RESET);
}

void Heater_Init(void) {
  // 初始化加热器
}

void Heater_On(void) {
  // 打开加热器
  HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_4, GPIO_PIN_SET);
}

void Heater_Off(void) {
  // 关闭加热器
  HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_4, GPIO_PIN_RESET);
}

void Irrigation_Init(void) {
  // 初始化灌溉系统
}

void Irrigation_On(void) {
  // 开启灌溉
  HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_5, GPIO_PIN_SET);
}

void Irrigation_Off(void) {
  // 关闭灌溉
  HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_5, GPIO_PIN_RESET);
}

void LED_SetStatus(bool isOptimal) {
  // 根据环境状态设置LED状态
  if (isOptimal) {
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_6, GPIO_PIN_SET); // 优化状态
  } else {
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_6, GPIO_PIN_RESET); // 非优化状态
  }
}

Wi-Fi通信与远程监控

#include "wifi.h"

void WiFi_Init(void) {
  // 初始化Wi-Fi模块
}

bool WiFi_IsConnected(void) {
  // 检查Wi-Fi是否已连接
  return true; // 示例中假设已连接
}

void WiFi_SendData(float temperature, float humidity, float lightIntensity, uint32_t soilMoisture) {
  // 发送环境数据到服务器或远程设备
  char dataStr[128];
  sprintf(dataStr, "Temp: %.2fC, Humidity: %.2f%%, Light: %.2f lx, Soil Moisture: %lu%%",
          temperature, humidity, lightIntensity, soilMoisture);
  HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t*)dataStr, strlen(dataStr), HAL_MAX_DELAY);
}

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5. 应用场景

农业温室环境管理

本系统适用于农业温室环境，通过实时监测和记录温室内的温度、湿度、光照强度和土壤湿度等参数，自动调节环境条件，确保作物在最佳状态下生长。系统通过OLED显示屏显示当前的环境参数，并通过Wi-Fi模块将数据上传至远程服务器，便于用户随时随地监控温室环境。

农田环境监控与自动化管理

本系统也适用于开放农田，通过智能农业环境监控系统，农民可以实时监测农田环境条件，并根据作物生长需求，自动调节灌溉和其他环境控制措施，优化农业生产过程，提高作物产量和品质。

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