STM32的智慧农业系统开发(uC/OS-II)

狄加山6752025-05-07 21:55

一、项目概述与设计思路

1.1 智慧农业系统需求分析

本智慧农业监测系统基于STM32F4系列微控制器开发，主要实现以下核心功能：

  • 环境参数采集（温湿度、光照强度、烟雾浓度）
  • 执行机构控制（PWM调速风扇、LED补光灯）
  • 异常状态报警（蜂鸣器、OLED显示）
  • 人机交互（按键控制、OLED界面）
  • 通信功能（LoRa无线模块）

系统采用模块化设计思想，将传感器采集、执行机构控制、用户界面等模块进行解耦，通过uC/OS-II实时操作系统实现多任务调度。

1.2 硬件架构设计

系统硬件组成框架：

复制代码 
[传感器层]
├─ DHT11温湿度传感器
├─ 光敏电阻（PF7 ADC）
├─ MQ-2烟雾传感器（PA6 ADC + PE6中断）
├─ 按键模块

[控制层]
├─ STM32F407主控
├─ PWM风扇（PC7 TIM3-CH2）
├─ LED补光灯（PC6 TIM3-CH1）

[交互层]
├─ OLED显示屏（I2C：PB8-PB9）
├─ 蜂鸣器模块

[通信层]
└─ LoRa模块（USART1）

1.3 软件架构设计

基于uC/OS-II的多任务系统：

https://img-blog.csdnimg.cn/20210320161536932.png

主要任务划分：

  • 传感器采集任务
  • 环境控制任务
  • 用户界面任务
  • 通信处理任务
  • 报警处理任务

二、硬件接口配置详解

2.1 GPIO功能分配

根据文档1配置关键引脚：

c

Copy

c 复制代码 
/* 引脚功能映射表 */
typedef struct {
    GPIO_TypeDef* GPIOx;
    uint16_t GPIO_Pin;
    GPIOMode_TypeDef Mode;
} PinConfig;

const PinConfig pinConfig[] = {
    {GPIOB, GPIO_Pin_8,  GPIO_Mode_AF},  // I2C1_SCL
    {GPIOB, GPIO_Pin_9,  GPIO_Mode_AF},  // I2C1_SDA
    {GPIOE, GPIO_Pin_6,  GPIO_Mode_IN},  // 烟雾中断
    {GPIOA, GPIO_Pin_6,  GPIO_Mode_AN},   // 烟雾ADC
    {GPIOF, GPIO_Pin_7,  GPIO_Mode_AN},   // 光敏ADC
    {GPIOC, GPIO_Pin_6,  GPIO_Mode_AF},  // TIM3_CH1
    {GPIOC, GPIO_Pin_7,  GPIO_Mode_AF}   // TIM3_CH2
};

2.2 外设时钟配置

外设时钟使能顺序：

c

Copy

c 复制代码 
void RCC_Configuration(void)
{
    RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOA | RCC_AHB1Periph_GPIOB |
                          RCC_AHB1Periph_GPIOC | RCC_AHB1Periph_GPIOE, ENABLE);
    
    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM3, ENABLE);
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_ADC1, ENABLE);
    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_USART3, ENABLE);
}

三、关键外设驱动实现

3.1 OLED显示模块

3.1.1 I2C驱动层

采用软件模拟I2C协议（文档7）：

c

Copy

c 复制代码 
void I2C_Start(void)
{
    SDA_HIGH();
    SCL_HIGH();
    delay_us(5);
    SDA_LOW();
    delay_us(5);
    SCL_LOW();
}

void I2C_WriteByte(uint8_t data)
{
    for(uint8_t i=0;i<8;i++){
        (data & 0x80) ? SDA_HIGH() : SDA_LOW();
        SCL_HIGH();
        delay_us(5);
        SCL_LOW();
        data <<= 1;
    }
}
3.1.2 显示应用层

实现多级菜单系统：

c

Copy

c 复制代码 
typedef struct {
    uint8_t currentMenu;
    void (*DisplayFunc)(void);
} MenuSystem;

void OLED_DisplayTask(void *pdata)
{
    MenuSystem menu;
    while(1){
        switch(menu.currentMenu){
            case 0: ShowMainPage(); break;
            case 1: ShowEnvData(); break;
            case 2: ShowSettings(); break;
        }
        OSTimeDlyHMSM(0,0,0,500);
    }
}

3.2 PWM控制模块

TIM3通道配置（文档10）：

c

Copy

c 复制代码 
void PWM_Init(void)
{
    TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_BaseStruct;
    TIM_OCInitTypeDef TIM_OCStruct;

    // 时基配置：1kHz PWM频率
    TIM_BaseStruct.TIM_Prescaler = 84-1; 
    TIM_BaseStruct.TIM_Period = 1000-1;
    TIM_TimeBaseInit(TIM3, &TIM_BaseStruct);

    // 输出比较配置
    TIM_OCStruct.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1;
    TIM_OCStruct.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;
    TIM_OCStruct.TIM_Pulse = 0; // 初始占空比0%
    
    TIM_OC1Init(TIM3, &TIM_OCStruct); // PC6
    TIM_OC2Init(TIM3, &TIM_OCStruct); // PC7
    
    TIM_Cmd(TIM3, ENABLE);
}

3.3 烟雾传感器驱动

双重检测机制实现（ADC+中断）：

c

Copy

c 复制代码 
void Smoke_Init(void)
{
    // ADC配置
    ADC_CommonInitTypeDef ADC_CommonInitStruct;
    ADC_CommonInitStruct.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent;
    ADC_CommonInitStruct.ADC_Prescaler = ADC_Prescaler_Div2;
    ADC_CommonInit(&ADC_CommonInitStruct);

    // 中断配置
    EXTI_InitTypeDef EXTI_InitStruct;
    EXTI_InitStruct.EXTI_Line = EXTI_Line6;
    EXTI_InitStruct.EXTI_Mode = EXTI_Mode_Interrupt;
    EXTI_InitStruct.EXTI_Trigger = EXTI_Trigger_Rising_Falling;
    EXTI_Init(&EXTI_InitStruct);
}

四、实时操作系统整合

4.1 uC/OS-II任务创建

系统任务初始化流程（文档2）：

c

Copy

c 复制代码 
void main(void)
{
    OSInit();
    
    // 创建系统任务
    OSTaskCreate(AppTask_Init, (void*)0, &init_stk[TASK_STK_SIZE-1], TASK_PRIO_INIT);
    OSTaskCreate(AppTask_Sensor, (void*)0, &sensor_stk[TASK_STK_SIZE-1], TASK_PRIO_SENSOR);
    OSTaskCreate(AppTask_Control, (void*)0, &control_stk[TASK_STK_SIZE-1], TASK_PRIO_CTRL);
    
    OSStart();
}

4.2 任务间通信设计

使用事件标志组实现传感器数据同步：

c

Copy

c 复制代码 
OS_FLAG_GRP *SensorFlagGrp;

void Sensor_Task(void *pdata)
{
    while(1){
        // 采集所有传感器数据
        ReadDHT11();
        ReadLightSensor();
        ReadSmokeSensor();
        
        // 设置数据就绪标志
        OSFlagPost(SensorFlagGrp, DATA_READY_FLAG, OS_FLAG_SET, &err);
        
        OSTimeDlyHMSM(0,0,2,0); // 2秒采集周期
    }
}

void Control_Task(void *pdata)
{
    while(1){
        // 等待数据就绪
        OSFlagPend(SensorFlagGrp, DATA_READY_FLAG, OS_FLAG_WAIT_SET_ALL, 0, &err);
        
        // 执行控制逻辑
        EnvControlLogic();
    }
}

五、系统控制逻辑实现

5.1 环境自适应控制算法

实现模糊PID控制：

c

Copy

c 复制代码 
typedef struct {
    float Kp, Ki, Kd;
    float integral_max;
    float last_error;
    float integral;
} FuzzyPID;

float FuzzyPID_Calculate(FuzzyPID *pid, float setpoint, float actual)
{
    float error = setpoint - actual;
    pid->integral += error;
    
    // 积分限幅
    if(pid->integral > pid->integral_max) pid->integral = pid->integral_max;
    if(pid->integral < -pid->integral_max) pid->integral = -pid->integral_max;
    
    float derivative = error - pid->last_error;
    float output = pid->Kp*error + pid->Ki*pid->integral + pid->Kd*derivative;
    
    pid->last_error = error;
    return output;
}

5.2 异常处理机制

烟雾浓度三级报警策略：

c

Copy

c 复制代码 
void Smoke_Handler(void)
{
    float smoke_level = GetSmokeLevel();
    
    if(smoke_level > WARNING_THRESHOLD){
        OSFlagPost(AlarmFlagGrp, SMOKE_ALARM_FLAG, OS_FLAG_SET, &err);
        SetFanSpeed(MAX_SPEED);
    }
    else if(smoke_level > NOTICE_THRESHOLD){
        Beep_Alert(INTERMITTENT_BEEP);
        AdjustFanSpeed(smoke_level);
    }
    else{
        OSFlagPost(AlarmFlagGrp, SMOKE_ALARM_FLAG, OS_FLAG_CLR, &err);
    }
}

六、开发经验与调试技巧

6.1 常见问题解决

问题1：PWM输出不稳定

  • 检查TIM分频系数设置
  • 验证GPIO重映射是否正确
  • 使用示波器观察波形

问题2：OLED显示花屏

  • 检查I2C时序是否满足器件要求
  • 确认显示缓冲区正确清零
  • 验证电源稳定性

6.2 性能优化建议

  1. ADC采样优化：

c

Copy

c 复制代码 
#define SAMPLE_NUM 32
uint16_t ADC_AverageFilter(ADC_TypeDef* ADCx)
{
    uint32_t sum = 0;
    for(uint8_t i=0; i<SAMPLE_NUM; i++){
        sum += ADC_GetConversionValue(ADCx);
    }
    return sum / SAMPLE_NUM;
}
  1. 任务优先级分配原则：
  • 传感器采集任务 > 控制任务 > 界面任务
  • 中断服务任务保持最高优先级

七、项目扩展方向

7.1 功能扩展建议

  1. 增加土壤湿度监测
  2. 集成WiFi/4G远程监控
  3. 添加太阳能供电模块
  4. 实现Android端APP控制

7.2 物联网集成方案

构建MQTT通信框架：

c

Copy

c 复制代码 
void MQTT_Publish(const char *topic, float data)
{
    char payload[50];
    sprintf(payload, "{\"value\":%.1f}", data);
    
    Lora_SendData(topic);
    Lora_SendData(payload);
}

void Lora_Callback(char *msg)
{
    // 解析云平台指令
    if(strstr(msg, "FAN_CTRL")){
        uint8_t speed = atoi(msg+9);
        SetFanSpeed(speed);
    }
}

八、总结与学习资源

8.1 项目总结

本系统完整实现了智慧农业的环境监测与控制功能，关键技术点包括：

  • 多传感器数据融合
  • 实时操作系统应用
  • 闭环控制算法实现
  • 低功耗设计思想

8.2 推荐学习资料

  1. 《STM32F4xx中文参考手册》
  2. uC/OS-II官方文档
  3. 《嵌入式实时操作系统原理与应用》
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