基于STM32的智能农业监控系统设计

目录

1. 引言
2. 硬件设计与系统构成
   • 硬件设计
   • 传感器与执行器
3. 软件设计
   • 开发环境与编程语言
   • 系统架构
4. 系统功能模块
   • 温湿度监控模块
   • 土壤湿度监控模块
   • 光照监控模块
   • 灌溉控制模块
   • 数据远程传输模块
5. 代码实现
   • 5.1 温湿度监控模块
   • 5.2 土壤湿度监控模块
   • 5.3 灌溉控制模块
   • 5.4 数据远程传输模块
6. 系统调试与优化
7. 结论与未来工作

1. 引言

随着农业现代化的推进，传统的农业生产方式逐渐向智能化、自动化方向发展。智能农业系统通过监控环境参数，自动调节农业生产过程中的关键因素，从而提高农业生产效率。本文设计了一款基于STM32的智能农业监控系统，该系统通过采集环境数据，控制灌溉设备，并通过无线通信上传数据，帮助农民实现精准农业管理。

2. 硬件设计与系统构成

硬件设计

本系统的硬件设计主要由以下模块组成：

• 主控芯片：STM32F103C8T6微控制器，负责数据采集、处理与控制。
• 传感器模块：
  • DHT22温湿度传感器：实时监控空气温湿度。
  • 土壤湿度传感器：监控土壤的湿润度。
  • 光照传感器：用于检测环境光照强度。
• 执行器模块：
  • 水泵控制继电器：根据土壤湿度控制灌溉水泵的开关。
  • 风扇控制继电器：用于控制温度过高时的风扇。
• 无线通信模块：
  • ESP8266 Wi-Fi模块：用于数据的远程传输。
• 电源管理模块：
  • 太阳能电池板和蓄电池：为系统提供电力，适用于户外环境。

系统构成

• 主控模块：STM32F103C8T6微控制器。
• 传感器模块：温湿度传感器、土壤湿度传感器、光照传感器。
• 执行器模块：水泵控制继电器、风扇控制继电器。
• 无线通信模块：ESP8266 Wi-Fi模块。
• 电源管理模块：太阳能电池板和蓄电池。

3. 软件设计

开发环境与编程语言

• 开发环境：STM32CubeIDE
• 编程语言：C语言
• 操作系统：FreeRTOS（用于多任务处理）
• 中间件：LwIP（用于Wi-Fi通信）

系统架构

系统架构分为以下几个主要模块：

1. 数据采集模块：从传感器读取环境数据。
2. 控制模块：根据传感器数据控制执行器，如水泵、风扇等。
3. 远程数据上传模块：通过ESP8266模块将数据上传到云平台，供用户查看。
4. 本地报警模块：当温度或湿度异常时，本地发出报警提示。

4. 系统功能模块

温湿度监控模块

该模块通过DHT22传感器实时获取环境的温湿度，并与设定的阈值进行比较。如果温湿度超出范围，系统会通过蜂鸣器或其他设备发出警告。

土壤湿度监控模块

土壤湿度传感器实时检测土壤湿润度。当土壤湿度过低时，系统会自动启动灌溉系统，进行补水操作。

光照监控模块

光照传感器用于监控光照强度。当光照强度过低时，系统可以开启室内照明设备，或发出警报通知用户。

灌溉控制模块

根据土壤湿度传感器的数据，自动控制灌溉设备（如水泵）。如果土壤湿度过低，水泵将自动启动进行灌溉。

数据远程传输模块

系统通过ESP8266 Wi-Fi模块，将环境数据（温湿度、土壤湿度、光照等）上传至云平台或手机App，以便用户远程监控。

5. 代码实现

5.1 温湿度监控模块

该模块使用DHT22传感器读取温湿度数据并控制风扇和水泵。

代码实现

#include "dht22.h"
#include "stm32f1xx_hal.h"

#define TEMP_SENSOR_PIN GPIO_PIN_6
#define TEMP_SENSOR_PORT GPIOB

void DHT22_Init(void) {
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
    __HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE();
    GPIO_InitStruct.Pin = TEMP_SENSOR_PIN;
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
    GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW;
    HAL_GPIO_Init(TEMP_SENSOR_PORT, &GPIO_InitStruct);
}

void DHT22_Read(uint8_t *temperature, uint8_t *humidity) {
    if (DHT22_Get_Data(temperature, humidity) == DHT22_OK) {
        printf("Temperature: %d C, Humidity: %d %%\n", *temperature, *humidity);
    }
}

void Control_Fan(uint8_t temperature) {
    if (temperature > 30) {
        // 启动风扇
        HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_7, GPIO_PIN_SET);
    } else {
        // 关闭风扇
        HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_7, GPIO_PIN_RESET);
    }
}

5.2 土壤湿度监控模块

土壤湿度监控模块通过土壤湿度传感器获取数据，并在需要时启动灌溉系统。

代码实现

#include "soil_moisture_sensor.h"
#include "stm32f1xx_hal.h"

#define SOIL_SENSOR_PIN GPIO_PIN_8
#define SOIL_SENSOR_PORT GPIOB

void Soil_Moisture_Init(void) {
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
    __HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE();
    GPIO_InitStruct.Pin = SOIL_SENSOR_PIN;
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_ANALOG;
    GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
    HAL_GPIO_Init(SOIL_SENSOR_PORT, &GPIO_InitStruct);
}

void Soil_Moisture_Read(uint16_t *moisture) {
    *moisture = HAL_ADC_GetValue(&hadc1);
    printf("Soil Moisture: %d\n", *moisture);
}

void Control_Irrigation(uint16_t moisture) {
    if (moisture < 500) {
        // 启动灌溉
        HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_9, GPIO_PIN_SET);
    } else {
        // 关闭灌溉
        HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_9, GPIO_PIN_RESET);
    }
}

5.3 灌溉控制模块

根据土壤湿度的读取数据控制水泵的开关。

代码实现

#include "stm32f1xx_hal.h"

#define WATER_PUMP_PIN GPIO_PIN_9
#define WATER_PUMP_PORT GPIOB

void Water_Pump_Init(void) {
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
    __HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE();
    GPIO_InitStruct.Pin = WATER_PUMP_PIN;
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
    GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW;
    HAL_GPIO_Init(WATER_PUMP_PORT, &GPIO_InitStruct);
}

void Control_Water_Pump(uint8_t state) {
    if (state == 1) {
        HAL_GPIO_WritePin(WATER_PUMP_PORT, WATER_PUMP_PIN, GPIO_PIN_SET);
    } else {
        HAL_GPIO_WritePin(WATER_PUMP_PORT, WATER_PUMP_PIN, GPIO_PIN_RESET);
    }
}

5.4 数据远程传输模块

使用ESP8266模块上传传感器数据到云平台。

代码实现

#include "esp8266.h"
#include "stm32f1xx_hal.h"

#define WIFI_TX_PIN GPIO_PIN_10
#define WIFI_RX_PIN GPIO_PIN_11

void WiFi_Init(void) {
    ESP8266_Init();
}

void Upload_Data(uint16_t temp, uint16_t humidity, uint16_t soil_moisture) {
    char data[100];
    snprintf(data, sizeof(data), "Temp: %d, Humidity: %d, Soil Moisture: %d", temp, humidity, soil_moisture);
    ESP8266_Send_Data(data);
}

 

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6. 系统调试与优化

1. 无线通信稳定性：通过调整Wi-Fi模块的配置，确保数据上传稳定性。
2. 电池管理：考虑太阳能电池板与蓄电池的容量匹配，优化系统的电池使用寿命。
3. 传感器精度：校准土壤湿度传感器，提高系统精度。

7. 结论与未来工作

本文设计并实现了一款基于STM32的智能农业监控系统。该系统能够实时监控环境温湿度、土壤湿度和光照强度，并通过控制灌溉和风扇等执行器，实现对农业生产的精准调控。未来的工作可以进一步集成更多的传感器，如CO2浓度传感器、气压传感器等，以增强系统的功能，并实现更高级的数据分析和决策支持。