基于STM32的智能温室环境监测与控制系统设计（代码示例）

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

读取读取读取控制控制控制控制显示上传数据数据传输 STM32单片机温湿度传感器土壤湿度传感器光照强度传感器加热片风扇灯水泵 OLED显示屏 ESP8266 手机APP

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。

初始化代码

在main.c中初始化各个模块：

c 复制代码

#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

c 复制代码

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

c 复制代码

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：

c 复制代码

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：

c 复制代码

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：

c 复制代码

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

User App ESP8266 STM32 Sensors OLED Devices 访问应用发送请求数据连接请求读取传感器数据返回温湿度、土壤湿度、光照强度控制设备状态反馈更新显示内容显示确认发送实时数据上传数据更新显示数据 User App ESP8266 STM32 Sensors OLED Devices

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。

项目的主要功能包括：

环境监测: 系统集成了DHT22温湿度传感器、YL-69土壤湿度传感器及光敏电阻，能够实时获取环境的关键参数，为后续的环境调节提供数据支持。
智能控制: 根据设定的阈值，系统能够自动控制加热片、风扇、灯光和水泵，从而在不同的环境条件下自动调节大棚内的微气候，为植物提供最佳的生长环境。
数据展示: 通过OLED显示屏，实时展示温湿度、土壤湿度和光照强度等重要数据，便于用户直观地监控环境变化。
远程监控: 利用ESP8266模块，系统能够将实时数据上传至手机APP，用户可以随时随地进行远程监控和管理，提高了对大棚环境的响应速度和管理效率。