基于STM32的蔬菜大棚溫濕度智能控制系統(tǒng)設(shè)計

一、前言

隨著人們對健康和可持續(xù)生活方式的關(guān)注不斷增加，蔬菜大棚成為了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中的重要組成部分。蔬菜大棚提供了一個受控的環(huán)境，使得農(nóng)民能夠在任何季節(jié)種植蔬菜，并根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)節(jié)。為了實現(xiàn)最佳的蔬菜生長和產(chǎn)量，對溫度和濕度等環(huán)境條件的精確控制至關(guān)重要。

傳統(tǒng)的蔬菜大棚管理通常依賴于人工監(jiān)測和調(diào)節(jié)。這種方法存在一些問題，例如人工監(jiān)測容易出現(xiàn)誤差和延遲，而且對于大規(guī)模的蔬菜大棚來說，人工調(diào)節(jié)工作量巨大。所以開發(fā)一種基于智能控制系統(tǒng)的蔬菜大棚溫濕度管理方案變得非常重要。

基于STM32微控制器的蔬菜大棚溫濕度智能控制系統(tǒng)用于解決傳統(tǒng)管理方法的問題，并提供一種自動化的解決方案。該系統(tǒng)利用STM32微控制器的強(qiáng)大計算和控制能力，結(jié)合溫濕度傳感器和執(zhí)行器，實現(xiàn)對蔬菜大棚環(huán)境的精確監(jiān)測和控制。

通過該系統(tǒng)，農(nóng)民可以實時監(jiān)測蔬菜大棚內(nèi)的溫度和濕度，并根據(jù)預(yù)設(shè)的目標(biāo)范圍自動調(diào)節(jié)。系統(tǒng)可以自動控制溫室內(nèi)的加熱器、通風(fēng)設(shè)備和加濕器等設(shè)備，以維持最適宜的生長環(huán)境條件。項目的目標(biāo)是提高蔬菜大棚的生產(chǎn)效率和質(zhì)量，降低能源消耗，并減少人力投入。通過智能控制系統(tǒng)的應(yīng)用，農(nóng)民能夠?qū)崿F(xiàn)更加可持續(xù)和高效的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，為社會提供更多健康的蔬菜產(chǎn)品。

二、系統(tǒng)設(shè)計流程

2.1 硬件選型

硬件選型是設(shè)計蔬菜大棚溫濕度智能控制系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)。

【1】主控芯片：STM32F103ZET6 主控芯片使用STM32F103ZET6，它是一款高性能的ARM Cortex-M3內(nèi)核微控制器，具有豐富的外設(shè)資源和強(qiáng)大的處理能力。該芯片可滿足本項目對控制和數(shù)據(jù)處理的要求。

【2】溫濕度傳感器：DHT11 空氣溫濕度采集選用DHT11傳感器，它采用數(shù)字信號輸出，具有簡單、低成本和較好的精度，適合大棚環(huán)境的溫濕度監(jiān)測。

【3】土壤濕度傳感器：土壤濕度傳感器 土壤濕度采集選用土壤濕度傳感器，通過模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）接口采集土壤濕度數(shù)據(jù)。該傳感器能夠準(zhǔn)確測量土壤濕度，為農(nóng)作物提供合適的灌溉水量。

【4】通風(fēng)風(fēng)機(jī)：5V小風(fēng)扇+繼電器 為了實現(xiàn)通風(fēng)控制，選擇5V小風(fēng)扇作為通風(fēng)裝置，并通過繼電器控制其開關(guān)狀態(tài)。根據(jù)溫度數(shù)據(jù)和設(shè)定閾值，通過STM32的GPIO口控制繼電器的高低電平實現(xiàn)通風(fēng)風(fēng)扇的啟?？刂?。

【5】照明燈：LED白色燈模塊 為了提供適當(dāng)?shù)恼彰鳁l件，選擇LED白色燈模塊作為照明裝置。該模塊使用STM32的GPIO口控制其開關(guān)狀態(tài)，實現(xiàn)燈光的開啟和關(guān)閉。

【6】灌溉系統(tǒng)：抽水電機(jī)+繼電器 灌溉系統(tǒng)采用抽水電機(jī)作為水源，并通過繼電器控制其開啟和關(guān)閉。通過單片機(jī)控制繼電器的高低電平來控制抽水電機(jī)的工作狀態(tài)，實現(xiàn)灌溉系統(tǒng)的自動化操作。

【7】顯示模塊：LCD顯示屏 為了方便用戶觀察當(dāng)前的溫濕度等數(shù)據(jù)，選用LCD顯示屏進(jìn)行數(shù)據(jù)的顯示。通過STM32的數(shù)字接口與LCD顯示屏進(jìn)行通信，將采集到的數(shù)據(jù)實時顯示在屏幕上。

2.2 軟件設(shè)計思路

本項目的代碼設(shè)計思路可以分為以下幾個關(guān)鍵部分：

【1】初始化設(shè)置：首先，需要進(jìn)行主控芯片的初始化設(shè)置，包括引腳配置、時鐘設(shè)置等。同時，還需要對LCD顯示屏進(jìn)行初始化配置，以便后續(xù)顯示數(shù)據(jù)。

【2】傳感器數(shù)據(jù)采集：使用合適的庫函數(shù)或代碼，讀取DHT11傳感器和土壤濕度傳感器的數(shù)據(jù)。通過適當(dāng)?shù)慕涌谂c主控芯片進(jìn)行通信，獲取溫度、濕度和土壤濕度的數(shù)值。

【3】數(shù)據(jù)處理與判斷：根據(jù)采集到的溫濕度和土壤濕度數(shù)值，進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理和判斷。判斷當(dāng)前溫度是否超出設(shè)定范圍，以及土壤濕度是否低于設(shè)定閾值等。

【4】控制執(zhí)行器：根據(jù)數(shù)據(jù)處理和判斷的結(jié)果，控制相應(yīng)的執(zhí)行器，如通風(fēng)風(fēng)扇、照明燈和灌溉系統(tǒng)。通過設(shè)置相應(yīng)的引腳電平或觸發(fā)繼電器，實現(xiàn)執(zhí)行器的開啟或關(guān)閉。

【5】LCD顯示：將采集到的溫濕度和土壤濕度數(shù)值通過LCD顯示屏進(jìn)行顯示，以便用戶實時監(jiān)測。

【6】用戶交互：通過按鍵輸入或其他方式，實現(xiàn)用戶與系統(tǒng)的交互。設(shè)置土壤濕度閾值、調(diào)節(jié)溫度范圍等。

【7】循環(huán)運(yùn)行：將上述步驟組織成一個循環(huán)運(yùn)行的程序，確保系統(tǒng)能夠持續(xù)采集數(shù)據(jù)、處理判斷和控制執(zhí)行器的操作。

三、代碼實現(xiàn)

3.1 DHT11溫濕度讀取

讀取DHT11傳感器環(huán)境溫濕度并通過串口打印出來。

#include "stm32f10x.h"
#include "stdio.h"

// 定義DHT11數(shù)據(jù)引腳
#define DHT11_PIN   GPIO_Pin_0
#define DHT11_PORT  GPIOA

// DHT11初始化函數(shù)
void DHT11_Init(void)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

    // 使能GPIOA時鐘
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);

    // 配置DHT11引腳為推挽輸出
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = DHT11_PIN;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(DHT11_PORT, &GPIO_InitStructure);
}

// 延時函數(shù)，單位為微秒
void Delay_us(uint32_t nCount)
{
    uint32_t i;
    for(i=0; i<nCount; i++);
}

// 軟件延時函數(shù)，單位為毫秒
void Delay_ms(uint32_t nCount)
{
    uint32_t i;
    for(i=0; i<nCount*1000; i++);
}

// 從DHT11讀取一位數(shù)據(jù)
uint8_t DHT11_ReadBit(void)
{
    uint8_t retries = 0;
    
    while(GPIO_ReadInputDataBit(DHT11_PORT, DHT11_PIN) == Bit_RESET)
    {
        if (retries++ > 100) return 0;
        Delay_us(1);
    }
    
    Delay_us(40);   // 延時40us
    
    if (GPIO_ReadInputDataBit(DHT11_PORT, DHT11_PIN) == Bit_SET)
        retries = 100;  // 超時標(biāo)識
    else
        retries = 0;

    while(GPIO_ReadInputDataBit(DHT11_PORT, DHT11_PIN) == Bit_SET)
    {
        if (retries++ > 100) return 0;
        Delay_us(1);
    }

    return 1;
}

// 從DHT11讀取一個字節(jié)數(shù)據(jù)
uint8_t DHT11_ReadByte(void)
{
    uint8_t i, temp = 0;
    
    for(i=0; i<8; i++)
    {
        temp <<= 1;
        temp |= DHT11_ReadBit();
    }
    
    return temp;
}

// 讀取DHT11的溫濕度值
uint8_t DHT11_ReadData(uint8_t* temperature, uint8_t* humidity)
{
    uint8_t data[5], checksum;

    // 主機(jī)將總線拉低至少18ms
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = DHT11_PIN;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(DHT11_PORT, &GPIO_InitStructure);

    GPIO_ResetBits(DHT11_PORT, DHT11_PIN);
    Delay_ms(20);
    GPIO_SetBits(DHT11_PORT, DHT11_PIN);
    Delay_us(30);

    // 設(shè)置為輸入模式
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;
    GPIO_Init(DHT11_PORT, &GPIO_InitStructure);
    
    // 等待 DHT11 響應(yīng)
    if (GPIO_ReadInputDataBit(DHT11_PORT, DHT11_PIN) == Bit_RESET)
    {
        while(GPIO_ReadInputDataBit(DHT11_PORT, DHT11_PIN) == Bit_RESET);
        while(GPIO_ReadInputDataBit(DHT11_PORT, DHT11_PIN) == Bit_SET);
        
        // 讀取5字節(jié)數(shù)據(jù)
        for(uint8_t i=0; i<5; i++)
            data[i] = DHT11_ReadByte();
        
        // 讀取校驗和
        checksum = DHT11_ReadByte();

        // 校驗數(shù)據(jù)
        if((data[0] + data[1] + data[2] + data[3]) != checksum)
            return 0;
        
        *humidity = data[0];
        *temperature = data[2];

        return 1;
    }
    else
    {
        return 0;
    }
}

// 初始化USART1
void USART1_Init(void)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    USART_InitTypeDef USART_InitStructure;

    // 使能USART1和GPIOA時鐘
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1 | RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);

    // 配置USART1的引腳
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9;  // TX
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_10;  // RX
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

    // 配置USART1
    USART_InitStructure.USART_BaudRate = 115200;
    USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;
    USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;
    USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No;
    USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;
    USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Tx;
    USART_Init(USART1, &USART_InitStructure);

    // 使能USART1
    USART_Cmd(USART1, ENABLE);
}

// 發(fā)送字符到USART1
void USART1_SendChar(char ch)
{
    while(USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TXE) == RESET);
    USART_SendData(USART1, (uint8_t)ch);
}

// 發(fā)送字符串到USART1
void USART1_SendString(const char* str)
{
    while(*str)
    {
        USART1_SendChar(*str++);
    }
}

int main(void)
{
    uint8_t temperature, humidity;

    // 初始化DHT11和USART1
    DHT11_Init();
    USART1_Init();

    while(1)
    {
        if (DHT11_ReadData(&temperature, &humidity))
        {
            // 發(fā)送溫濕度數(shù)據(jù)到串口
            char buffer[50];
            sprintf(buffer, "Temperature: %d°C, Humidity: %d%%rn", temperature, humidity);
            USART1_SendString(buffer);
        }

        Delay_ms(2000);  // 2秒鐘讀取一次數(shù)據(jù)
    }
}

將代碼下載到STM32F103ZET6開發(fā)板上，接上DHT11。當(dāng)成功運(yùn)行時，環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)會通過USART1串口打印出來。

3.2 讀取土壤濕度值

通過ADC1的通道1采集土壤傳感器的濕度值，打印到串口.

#include "stm32f10x.h"
#include "stdio.h"

// 函數(shù)聲明
void ADC_Configuration(void);
void UART_Configuration(void);
void USART1_SendChar(char ch);

int main(void)
{
    // 初始化ADC和串口
    ADC_Configuration();
    UART_Configuration();

    while (1)
    {
        // 啟動ADC轉(zhuǎn)換
        ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1, ENABLE);

        // 等待轉(zhuǎn)換完成
        while (!ADC_GetFlagStatus(ADC1, ADC_FLAG_EOC));

        // 讀取ADC值
        uint16_t adcValue = ADC_GetConversionValue(ADC1);

        // 將ADC值轉(zhuǎn)換為濕度百分比
        float humidity = (float)adcValue / 4095 * 100;

        // 將濕度值打印到串口
        char buffer[20];
        sprintf(buffer, "Humidity: %.2f%%rn", humidity);
        for (int i = 0; buffer[i] != '?'; i++)
        {
            USART1_SendChar(buffer[i]);
        }

        // 延時一段時間
        for (int i = 0; i < 1000000; i++);
    }
}

// ADC配置
void ADC_Configuration(void)
{
    ADC_InitTypeDef ADC_InitStructure;
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

    // 使能ADC1和GPIOA時鐘
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_ADC1 | RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);

    // 配置GPIOA.1為模擬輸入
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_1;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AIN;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

    // ADC配置
    ADC_DeInit(ADC1);
    ADC_InitStructure.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent;
    ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode = DISABLE;
    ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode = DISABLE;
    ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv = ADC_ExternalTrigConv_None;
    ADC_InitStructure.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right;
    ADC_InitStructure.ADC_NbrOfChannel = 1;
    ADC_Init(ADC1, &ADC_InitStructure);

    // 配置ADC1的通道1為采樣通道
    ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ADC_Channel_1, 1, ADC_SampleTime_55Cycles5);

    // 使能ADC1
    ADC_Cmd(ADC1, ENABLE);

    // ADC校準(zhǔn)
    ADC_ResetCalibration(ADC1);
    while (ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC1));
    ADC_StartCalibration(ADC1);
    while (ADC_GetCalibrationStatus(ADC1));
}

// 串口配置
void UART_Configuration(void)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    USART_InitTypeDef USART_InitStructure;

    // 使能USART1和GPIOA時鐘
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1 | RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);

    // 配置USART1引腳
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_10;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

    // USART配置
    USART_InitStructure.USART_BaudRate = 115200;
    USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;
    USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;
    USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No;
    USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;
    USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Tx;
    USART_Init(USART1, &USART_InitStructure);

    // 使能USART1
    USART_Cmd(USART1, ENABLE);
}

// 發(fā)送字符到USART1
void USART1_SendChar(char ch)
{
    USART_SendData(USART1, (uint8_t)ch);
    while (USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TXE) == RESET);
}

以上代碼使用STM32的標(biāo)準(zhǔn)庫函數(shù)進(jìn)行配置和操作。在ADC_Configuration函數(shù)中進(jìn)行ADC的初始化配置，包括GPIO引腳配置、ADC時鐘使能、通道配置等。
在UART_Configuration函數(shù)中進(jìn)行串口USART1的初始化配置，包括GPIO引腳配置、波特率設(shè)置等。

在主函數(shù)中，進(jìn)入一個無限循環(huán)。在循環(huán)中，啟動ADC轉(zhuǎn)換，并等待轉(zhuǎn)換完成。
通過ADC_GetConversionValue函數(shù)讀取ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果，將其轉(zhuǎn)換為濕度百分比。
使用sprintf函數(shù)將濕度值格式化為字符串，并使用USART1_SendChar函數(shù)將字符串逐個字符發(fā)送到USART1串口。
通過延時函數(shù)進(jìn)行一段時間的延時，以控制打印速率。

3.3 大棚補(bǔ)光燈控制

以下是使用STM32F103ZET6讀取BH1750光照傳感器輸出的光照強(qiáng)度，并根據(jù)閾值控制LED補(bǔ)光燈燈開關(guān)實現(xiàn)代碼：

#include "stm32f10x.h"
#include "i2c.h"
#include "delay.h"

#define BH1750_ADDRESS 0x23

void BH1750_Init()
{
    // 初始化I2C總線
    I2C_Init();
}

void BH1750_Start()
{
    // 啟動BH1750測量
    uint8_t cmd = 0x01; // 單次高分辨率模式
    I2C_Start();
    I2C_SendByte(BH1750_ADDRESS);
    I2C_WaitAck();
    I2C_SendByte(cmd);
    I2C_WaitAck();
    I2C_Stop();
}

uint16_t BH1750_Read()
{
    // 讀取BH1750測量結(jié)果
    uint16_t lux;
    I2C_Start();
    I2C_SendByte(BH1750_ADDRESS + 1); // 發(fā)送讀命令
    I2C_WaitAck();
    lux = I2C_ReceiveByte() << 8; // 讀取高字節(jié)
    I2C_Ack();
    lux |= I2C_ReceiveByte(); // 讀取低字節(jié)
    I2C_NAck();
    I2C_Stop();
    return lux;
}

void LED_Control(uint8_t state)
{
    // 控制LED照明燈開關(guān)
    if (state)
        GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_8); // 打開LED
    else
        GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_8); // 關(guān)閉LED
}

int main(void)
{
    // 初始化GPIO口
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_8;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

    // 初始化BH1750傳感器
    BH1750_Init();

    while (1)
    {
        // 啟動測量
        BH1750_Start();

        // 延時等待測量完成
        DelayMs(200);

        // 讀取光照強(qiáng)度
        uint16_t lux = BH1750_Read();

        // 判斷閾值并控制LED
        if (lux > 1000)
            LED_Control(1); // 光照強(qiáng)度高于閾值，打開LED
        else
            LED_Control(0); // 光照強(qiáng)度低于閾值，關(guān)閉LED
    }
}

代碼中初始化I2C總線和BH1750傳感器，通過BH1750_Init()函數(shù)實現(xiàn)。在主循環(huán)中，啟動測量延時等待測量完成。使用BH1750_Read()函數(shù)讀取測量結(jié)果，即光照強(qiáng)度。根據(jù)閾值判斷光照強(qiáng)度是否高于設(shè)定值，通過LED_Control()函數(shù)控制LED的開關(guān)狀態(tài)。

四、總結(jié)

本項目基于STM32微控制器實現(xiàn)了一個蔬菜大棚溫濕度智能控制系統(tǒng)。系統(tǒng)的主控芯片采用了STM32F103ZET6，用于控制和協(xié)調(diào)各個硬件模塊的工作。系統(tǒng)包括空氣溫濕度采集模塊（DHT11）、土壤濕度采集模塊（ADC接口）、通風(fēng)風(fēng)機(jī)（5V小風(fēng)扇+繼電器控制）、照明燈（LED白色燈模塊）、灌溉系統(tǒng)（抽水電機(jī)+繼電器控制）以及LCD顯示屏。

系統(tǒng)的功能包括溫濕度的實時監(jiān)測、土壤濕度的檢測、通風(fēng)風(fēng)扇的自動控制、灌溉系統(tǒng)的自動控制和數(shù)據(jù)的顯示。通過按鍵設(shè)置土壤濕度閾值，實現(xiàn)自動澆水功能，當(dāng)土壤濕度低于閾值時，系統(tǒng)自動開啟灌溉系統(tǒng)進(jìn)行澆水。同時，根據(jù)設(shè)定的溫度閾值，系統(tǒng)自動控制通風(fēng)風(fēng)扇進(jìn)行降溫。

蔬菜大棚溫濕度智能控制系統(tǒng)利用STM32微控制器和各種傳感器實現(xiàn)了對環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測和控制，提高了蔬菜大棚的自動化程度和生產(chǎn)效率。同時，通過自動控制灌溉和通風(fēng)系統(tǒng)，能夠更好地滿足蔬菜生長的需求，提高農(nóng)作物的產(chǎn)量和質(zhì)量。