基于 STM32 的智慧农业温室控制系统设计与实现

摘要

本文提出一种基于 STM32 微控制器的智慧农业温室控制系统设计方案，通过集成多类型环境传感器、执行机构及无线通信模块，实现对温室内温湿度、光照、土壤湿度等参数的实时监测与自动调控。文中详细阐述硬件选型、电路连接及软件实现流程，并附关键代码示例，为智慧农业领域提供低成本、高可靠性的温室控制解决方案。

一、硬件系统设计

1. 核心芯片选型

芯片型号：STM32F103C8T6（Cortex-M3 内核，64KB Flash，20KB SRAM，37 个 GPIO 引脚，支持 USART/I2C/SPI 通信）
优势：低功耗、性价比高，适合物联网终端设备开发，支持 DMA 和硬件 I2C 提升数据传输效率。

2. 功能模块选型与功能

模块名称	型号	功能描述	通信方式
温湿度传感器	DHT11	采集温室内温度（0-50℃）、湿度（20%-90% RH）	单总线
光照强度传感器	BH1750	测量光照强度（1-65535 lx）	I2C
土壤湿度传感器	YL-69	检测土壤湿度（0-100% 相对湿度）	模拟量
继电器模块	SRD-05VDC-SL	控制风扇、灌溉泵、补光灯等执行设备	数字量
无线通信模块	ESP8266-01S	支持 WiFi 联网，实现数据上传云端	USART
电源模块	LM2596+LM1117	提供 5V/3.3V 稳定电源	–

3. 硬件接线图

STM32F103C8T6       传感器/执行器       接线说明
--------------------------------------------------
PA0                DHT11 DATA         单总线连接（上拉10K电阻）
PB6/PB7            BH1750 SCL/SDA     I2C总线（4.7K上拉电阻）
PA1                YL-69 AO           模拟量输入（接ADC通道1）
PA2                ESP8266 TX         USART2_TX（波特率115200）
PA3                ESP8266 RX         USART2_RX
PA4-PA7            继电器模块IN1-IN4  数字输出（控制风扇、加热、灌溉、补光）
3.3V/GND           模块电源           共地连接

二、软件系统设计

1. 软件流程图

2. 软件架构说明

初始化模块：配置 GPIO、ADC、I2C、USART、定时器等外设。
数据采集模块：定时读取 DHT11、BH1750、YL-69 数据，进行数字滤波。
控制逻辑模块：基于阈值法实现环境调控（如温度 > 30℃开风扇，土壤湿度 < 30% 启动灌溉）。
通信模块：通过 ESP8266 将数据上传至云端平台（如阿里云 IoT），支持远程监控。

3. 关键代码示例

（1）传感器驱动：DHT11 读取（单总线协议）

uint8_t DHT11_ReadData(uint8_t *temp, uint8_t *humi) {
  uint8_t buf[5] = {0};
  uint8_t i, j, retry = 0;
  
  // 主机发起起始信号
  DHT11_GPIO_Port->BSRR = DHT11_Pin; // 拉高
  HAL_Delay(1);
  DHT11_GPIO_Port->BRR = DHT11_Pin; // 拉低
  HAL_Delay(20);
  DHT11_GPIO_Port->BSRR = DHT11_Pin; // 拉高
  HAL_Delay(30);
  
  // 等待从机响应
  if (HAL_GPIO_ReadPin(DHT11_GPIO_Port, DHT11_Pin) == GPIO_PIN_SET) return 1;
  while (HAL_GPIO_ReadPin(DHT11_GPIO_Port, DHT11_Pin) == GPIO_PIN_RESET && retry < 100) { retry++; HAL_Delay(1); }
  retry = 0;
  while (HAL_GPIO_ReadPin(DHT11_GPIO_Port, DHT11_Pin) == GPIO_PIN_SET && retry < 100) { retry++; HAL_Delay(1); }
  
  // 读取40位数据（湿度整数+湿度小数+温度整数+温度小数+校验和）
  for (i = 0; i < 5; i++) {
    for (j = 0; j < 8; j++) {
      while (HAL_GPIO_ReadPin(DHT11_GPIO_Port, DHT11_Pin) == GPIO_PIN_RESET);
      HAL_Delay(4);
      buf[i] <<= 1;
      if (HAL_GPIO_ReadPin(DHT11_GPIO_Port, DHT11_Pin) == GPIO_PIN_SET) buf[i] |= 1;
      while (HAL_GPIO_ReadPin(DHT11_GPIO_Port, DHT11_Pin) == GPIO_PIN_SET);
    }
  }
  
  // 校验和验证
  if (buf[0] + buf[1] + buf[2] + buf[3] == buf[4]) {
    *humi = buf[0];
    *temp = buf[2];
    return 0; // 成功
  } else {
    return 2; // 校验失败
  }
}

（2）控制逻辑：环境调节函数

void Environment_Control(void) {
  // 温度控制：>30℃开风扇，<15℃开加热
  if (current_temp > 30) HAL_GPIO_WritePin(RELAY_FAN_GPIO_Port, RELAY_FAN_Pin, GPIO_PIN_RESET); // 风扇启动
  else if (current_temp < 15) HAL_GPIO_WritePin(RELAY_HEATER_GPIO_Port, RELAY_HEATER_Pin, GPIO_PIN_RESET); // 加热启动
  else {
    HAL_GPIO_WritePin(RELAY_FAN_GPIO_Port, RELAY_FAN_Pin, GPIO_PIN_SET);
    HAL_GPIO_WritePin(RELAY_HEATER_GPIO_Port, RELAY_HEATER_Pin, GPIO_PIN_SET);
  }

  // 光照控制：<500 lx开补光灯
  if (current_light < 500) HAL_GPIO_WritePin(RELAY_LIGHT_GPIO_Port, RELAY_LIGHT_Pin, GPIO_PIN_RESET);
  else HAL_GPIO_WritePin(RELAY_LIGHT_GPIO_Port, RELAY_LIGHT_Pin, GPIO_PIN_SET);

  // 土壤湿度控制：<30%启动灌溉
  if (soil_humi < 30) HAL_GPIO_WritePin(RELAY_WATER_GPIO_Port, RELAY_WATER_Pin, GPIO_PIN_RESET); // 灌溉
  else HAL_GPIO_WritePin(RELAY_WATER_GPIO_Port, RELAY_WATER_Pin, GPIO_PIN_SET);
}

（3）主函数流程

int main(void) {
  HAL_Init();
  SystemClock_Config();
  MX_GPIO_Init();
  MX_USART2_UART_Init();
  MX_I2C1_Init();
  MX_ADC1_Init();

  while (1) {
    // 采集数据
    DHT11_ReadData(&humi, &temp);
    current_light = BH1750_Read(); // I2C读取光照强度
    soil_humi = HAL_ADC_GetValue(&hadc1); // ADC读取土壤湿度（需转换为百分比）
    
    // 控制执行器
    Environment_Control();
    
    // 数据上传（示例：通过ESP8266发送JSON数据）
    char data_buf[128];
    sprintf(data_buf, "{"temp":%d,"humi":%d,"light":%d,"soil":%d}", temp, humi, current_light, soil_humi);
    HAL_UART_Transmit(&huart2, (uint8_t*)data_buf, strlen(data_buf), 100);
    
    HAL_Delay(5000); // 5秒采集一次
  }
}