首页分享基于STM32的智能灌溉系统设计

基于STM32的智能灌溉系统设计

来源：花匠小妙招时间：2024-11-10 23:39

引言

智能农业是现代农业发展的趋势之一，而智能灌溉系统作为其中的重要组成部分，能够根据土壤湿度、天气状况等自动调节灌溉水量，提高用水效率并减少人工操作。本文基于STM32微控制器设计了一个智能灌溉系统，通过传感器监测土壤湿度、温度、天气等参数，自动控制水泵和阀门的开启与关闭，确保植物能够得到合适的水分供给。

环境准备 1. 硬件设备 STM32F103C8T6 开发板（或其他 STM32 系列）：用于控制和处理灌溉系统中的传感器和执行装置。土壤湿度传感器：用于监测土壤湿度，判断是否需要灌溉。温湿度传感器（如DHT22）：用于测量环境的温度和湿度。光照传感器：检测日照强度，用于判断灌溉是否在夜间进行。雨水传感器：用于检测是否下雨，避免在雨天灌溉。水泵：用于输送灌溉用水。电磁阀：用于控制水流的开启和关闭。继电器模块：用于控制水泵和电磁阀的工作状态。OLED 显示屏：显示系统状态、湿度、温度等参数。蜂鸣器：用于报警或提醒操作。Wi-Fi 模块（如 ESP8266）：用于远程监控和控制。电源模块、杜邦线、面包板等基础电子元件。 2. 软件工具 STM32CubeMX：用于初始化STM32外设。Keil uVision 或 STM32CubeIDE：用于编写、调试和下载代码。ST-Link 驱动程序：用于烧录程序到STM32。项目实现 1. 硬件连接 土壤湿度传感器连接：将土壤湿度传感器的输出引脚连接到STM32的ADC通道（如PA0），用于读取土壤湿度数据。温湿度传感器连接：将DHT22温湿度传感器的数据引脚连接到STM32的GPIO（如PA1），用于监测环境的温度和湿度。光照传感器连接：将光照传感器的输出引脚连接到STM32的ADC通道（如PA2），用于检测光照强度。雨水传感器连接：将雨水传感器的信号引脚连接到STM32的GPIO（如PA3），用于判断是否下雨。水泵和电磁阀连接：将水泵和电磁阀通过继电器模块连接到STM32的GPIO（如PA4、PA5），用于控制灌溉系统的水流开关。OLED显示屏连接：OLED显示屏的SDA和SCL引脚连接到STM32的I2C接口（如PB6、PB7），用于实时显示系统状态。蜂鸣器连接：蜂鸣器的控制引脚连接到STM32的GPIO引脚（如PA6），用于提示和报警。Wi-Fi模块连接：Wi-Fi模块的TX/RX引脚连接到STM32的USART接口（如PA9、PA10），用于远程数据传输和控制。 2. STM32CubeMX 配置 GPIO：配置多个GPIO引脚，用于连接土壤湿度传感器、雨水传感器、水泵、蜂鸣器等外设。ADC：用于读取土壤湿度传感器和光照传感器的模拟信号。I2C：用于与OLED显示屏通信。USART：用于Wi-Fi模块的通信，实现数据上传和远程控制。PWM：用于控制水泵或电磁阀的工作状态。系统时钟：使用外部高速时钟HSE，提升系统响应速度。

生成代码后，在Keil uVision或STM32CubeIDE中打开项目继续开发。

3. 主程序设计

智能灌溉系统的核心功能是通过传感器实时监测土壤湿度、环境温湿度、光照强度和降雨情况，自动判断是否需要开启水泵和电磁阀进行灌溉。系统根据用户设置的参数判断灌溉条件，同时具备远程监控和控制功能。以下是智能灌溉系统的代码示例：

#include "stm32f1xx_hal.h"

#include "soil_sensor.h"

#include "dht22.h"

#include "oled.h"

#include "relay.h"

#include "wifi.h"

#include "sensor.h"

// 定义湿度和温度的阈值

#define SOIL_MOISTURE_THRESHOLD 30 // 土壤湿度阈值

#define TEMP_THRESHOLD 35 // 温度阈值

#define LIGHT_THRESHOLD 300 // 光照强度阈值

// 函数声明

void System_Init(void);

void Measure_Environment(void);

void Display_Status(void);

void Irrigation_Control(void);

void Send_Data_Remotely(void);

void Check_Alarm(void);

// 全局变量

uint16_t soil_moisture = 0; // 土壤湿度值

float temperature = 0; // 环境温度

float humidity = 0; // 环境湿度

uint16_t light_intensity = 0; // 光照强度

uint8_t rain_detected = 0; // 雨水传感器状态

void System_Init(void)

{

HAL_Init();

SystemClock_Config();

MX_GPIO_Init();

MX_ADC1_Init();

MX_I2C1_Init();

MX_USART1_UART_Init();

SoilSensor_Init();

DHT22_Init();

OLED_Init();

Relay_Init();

WiFi_Init();

OLED_ShowString(0, 0, "Smart Irrigation Sys");

}

// 读取环境数据

void Measure_Environment(void)

{

// 读取土壤湿度

soil_moisture = SoilSensor_Read();

// 读取温湿度

DHT22_ReadData(&temperature, &humidity);

// 读取光照强度

light_intensity = LightSensor_Read();

// 检测是否下雨

rain_detected = RainSensor_Read();

}

// 显示系统状态

void Display_Status(void)

{

OLED_Clear();

OLED_ShowString(0, 0, "Soil: ");

OLED_ShowNumber(64, 0, soil_moisture, 4);

OLED_ShowString(0, 1, "Temp: ");

OLED_ShowFloat(64, 1, temperature, 2);

OLED_ShowString(0, 2, "Humid: ");

OLED_ShowFloat(64, 2, humidity, 2);

OLED_ShowString(0, 3, "Light: ");

OLED_ShowNumber(64, 3, light_intensity, 4);

}

// 灌溉控制逻辑

void Irrigation_Control(void)

{

// 如果土壤湿度低于阈值，并且没有下雨，开始灌溉

if (soil_moisture < SOIL_MOISTURE_THRESHOLD && rain_detected == 0)

{

Relay_WaterPump_On(); // 打开水泵

OLED_ShowString(0, 3, "Irrigating...");

}

else

{

Relay_WaterPump_Off(); // 关闭水泵

}

// 发送环境数据到远程服务器

void Send_Data_Remotely(void)

{

char buffer[100];

sprintf(buffer, "Soil:%d Temp:%.1f Humid:%.1f Light:%d", soil_moisture, temperature, humidity, light_intensity);

WiFi_SendData(buffer); // 通过Wi-Fi发送数据

}

// 检查是否需要报警

void Check_Alarm(void)

{

if (temperature > TEMP_THRESHOLD || soil_moisture < SOIL_MOISTURE_THRESHOLD)

{

HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_6, GPIO_PIN_SET); // 打开蜂鸣器报警

}

else

{

HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_6, GPIO_PIN_RESET); // 关闭蜂鸣器

}

int main(void)

{

System_Init();

while (1)

{

Measure_Environment(); // 读取环境数据

Display_Status(); // 显示系统状态

Irrigation_Control(); // 控制灌溉

Send_Data_Remotely(); // 发送数据到远程服务器

Check_Alarm(); // 检查报警

HAL_Delay(5000); // 每5秒更新一次

}

4. 各模块代码土壤湿度传感器读取

#include "soil_sensor.h"

// 初始化土壤湿度传感器

void SoilSensor_Init(void)

{

// 配置ADC引脚，读取土壤湿度传感器的模拟信号

}

// 读取土壤湿度值

uint16_t SoilSensor_Read(void)

{

// 返回土壤湿度的模拟值

return 35; // 假设当前土壤湿度为35

}

温湿度传感器读取

#include "dht22.h"

void DHT22_Init(void)

{

}

void DHT22_ReadData(float* temp, float* humid)

{

*temp = 28.5;

*humid = 60.0;

}

光照传感器读取

#include "sensor.h"

// 读取光照强度

uint16_t LightSensor_Read(void)

{

// 从光照传感器读取光照值

return 250; // 假设当前光照强度为250

}

OLED 显示模块

#include "oled.h"

void OLED_Init(void)

{

}

void OLED_ShowString(uint8_t x, uint8_t y, const char *str)

{

}

void OLED_ShowFloat(uint8_t x, uint8_t y, float num, uint8_t decimal_places)

{

}

void OLED_ShowNumber(uint8_t x, uint8_t y, uint32_t num, uint8_t len)

{

}

void OLED_Clear(void)

{

}

Wi-Fi 数据发送

#include "wifi.h"

void WiFi_Init(void)

{

}

void WiFi_SendData(char* data)

{

}

水泵控制

#include "relay.h"

// 初始化继电器模块，用于控制水泵

void Relay_Init(void)

{

// 配置继电器引脚

}

// 打开水泵

void Relay_WaterPump_On(void)

{

HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_4, GPIO_PIN_SET); // 打开继电器，启动水泵

}

// 关闭水泵

void Relay_WaterPump_Off(void)

{

HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_4, GPIO_PIN_RESET); // 关闭继电器，停止水泵

}

系统工作原理 智能灌溉控制：系统根据土壤湿度、环境温湿度、光照和降雨情况智能判断是否需要进行灌溉。土壤湿度低且无降雨时，系统会自动开启水泵进行灌溉，确保植物的水分供给充足。环境数据监测：通过OLED显示屏，用户可以实时查看土壤湿度、温度、湿度、光照强度等环境参数，便于了解植物的生长环境。远程监控和控制：系统通过Wi-Fi模块将监测到的数据上传至服务器，用户可以通过手机或电脑远程查看和控制灌溉系统。报警功能：当环境温度过高或土壤湿度过低时，系统会通过蜂鸣器报警，提醒用户采取必要措施。常见问题与解决方法 1. 土壤湿度数据不准确 问题原因：传感器接触不良或读数偏差较大。解决方法：重新安装或校准土壤湿度传感器，确保其与土壤充分接触。 2. 水泵无法启动 问题原因：继电器模块故障或电源不足。解决方法：检查继电器模块的连接和电源，确保水泵和电磁阀正常工作。 3. Wi-Fi模块无法连接 问题原因：Wi-Fi信号弱或模块配置错误。解决方法：确保Wi-Fi信号覆盖良好，并正确配置Wi-Fi模块的连接参数。扩展功能 智能预测灌溉：通过天气API获取未来几天的降雨量预报，提前判断是否需要进行灌溉，进一步优化水资源利用。自动肥料供给：集成智能施肥模块，根据植物的生长周期自动供给适量的肥料，确保植物的营养均衡。手机APP控制：开发配套的手机APP，用户可以通过APP随时随地监控和控制灌溉系统，增加用户的使用体验。结论

通过本项目设计并实现的基于STM32的智能灌溉系统，能够自动监测环境参数并根据土壤湿度、温度和光照等条件进行灌溉控制。系统具有自动化、智能化、远程监控等功能，大大提高了灌溉效率并优化了水资源的利用，适用于农业、花园或温室等场景。未来可以通过增加智能预测和自动施肥等功能，进一步提升系统的实用性和智能化水平。