基于STM32的农业大棚环境监测系统毕业设计报告

2024-04-15 01:52
文章标签 系统 毕业设计 stm32 报告 农业 环境监测 大棚

本文主要是介绍基于STM32的农业大棚环境监测系统毕业设计报告，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

基于STM32的农业大棚环境监测系统毕业设计报告

一、引言

随着现代农业技术的不断发展，对农业大棚内部环境的实时监测和控制变得尤为重要。本设计旨在开发一套基于STM32微控制器的农业大棚环境监测系统，以实现对大棚内部温度、湿度、光照强度以及土壤湿度等关键环境参数的实时监测，并通过数据分析为农业生产提供决策支持。

二、系统架构设计

  1. 整体架构

本系统由传感器模块、STM32微控制器模块、数据显示与存储模块以及电源模块等组成。传感器负责采集环境数据，STM32微控制器负责数据处理和控制指令的发出，数据显示与存储模块用于实时显示和保存数据，电源模块为整个系统提供稳定可靠的电能。

  1. 硬件选型
    • 传感器：选用DHT11温湿度传感器、光敏电阻以及土壤湿度传感器。
    • 微控制器：采用STM32F103系列微控制器，因其功耗低、性能稳定且价格适中。
    • 数据显示与存储：使用LCD显示屏进行实时数据显示，并通过SD卡存储历史数据。
    • 电源：采用可充电锂电池供电，并设计电源管理电路以确保系统稳定运行。
  2. 软件设计
    • 编程环境：使用Keil MDK-ARM集成开发环境进行软件编程。
    • 操作系统：移植FreeRTOS实时操作系统以支持多任务处理。
    • 数据处理：采用滑动平均滤波算法对传感器数据进行平滑处理。

三、环境监测传感器选择

  1. DHT11温湿度传感器：用于监测大棚内的温度和湿度，具有响应速度快、抗干扰能力强等特点。
  2. 光敏电阻：用于检测大棚内的光照强度，其阻值随光照强度的变化而变化，便于实现光照强度的实时监测。
  3. 土壤湿度传感器：选用电阻式土壤湿度传感器，通过测量土壤中的电阻值来推算土壤湿度。

四、数据采集和处理

  1. 数据采集
    • 传感器数据采集：通过STM32的ADC（模数转换器）读取传感器的模拟信号，并将其转换为数字信号进行处理。
    • 数据传输：采用UART串口通信协议，将处理后的数据发送至LCD显示屏进行实时显示，并存储到SD卡中。
  2. 数据处理
    • 数字滤波：采用滑动平均滤波算法对采集到的原始数据进行处理，以减少噪声干扰。
    • 数据分析：根据采集到的环境参数数据，分析大棚内的环境状况，为农业生产提供决策依据。

五、系统集成与测试

  1. 系统集成
    • 硬件集成：将传感器、STM32微控制器、LCD显示屏和SD卡等硬件组件进行连接和调试。
    • 软件集成：将各个软件模块进行集成，包括传感器数据采集模块、数据处理模块、数据显示与存储模块等。
  2. 系统测试
    • 功能测试：测试系统是否能够正确采集并显示大棚内的环境参数数据。
    • 性能测试：测试系统的稳定性、响应速度和准确性等指标。
    • 结果分析：根据测试结果对系统进行优化和改进，以提高系统的整体性能。

六、结论与展望

本设计成功实现了一套基于STM32的农业大棚环境监测系统，能够实时监测大棚内的温度、湿度、光照强度和土壤湿度等关键环境参数。通过系统集成与测试，验证了系统的可行性和有效性。未来可以进一步拓展系统功能，如加入远程控制、智能调节等功能，以实现更加智能化的农业大棚环境管理。

由于篇幅限制，我无法提供一个完整的、基于STM32的农业大棚环境监测系统的全部代码。然而，我可以给你一个大致的代码框架和一些关键部分的示例代码，以帮助你开始这个项目。

首先，你需要配置STM32的开发环境，如STM32CubeIDE或Keil uVision，并安装必要的硬件抽象层(HAL)或标准外设库。

以下是一个简化的代码框架，展示了如何初始化传感器、读取数据并通过UART发送数据的基本流程。请注意，你需要根据具体的传感器型号和接线来调整代码。

#include "stm32f1xx_hal.h"  
#include "dht11.h" // 假设你有一个DHT11的库  
#include "soil_moisture_sensor.h" // 假设你有一个土壤湿度传感器的库  
#include "lcd.h" // 假设你有一个LCD显示屏的库  // 初始化函数  
void SystemInit(void) {  // 初始化HAL库、系统时钟、GPIO、UART等  // ...  
}  // DHT11传感器初始化  
void DHT11_Init(void) {  // 初始化DHT11传感器  // ...  
}  // 土壤湿度传感器初始化  
void SoilMoistureSensor_Init(void) {  // 初始化土壤湿度传感器  // ...  
}  // 读取DHT11传感器的温度和湿度  
void Read_DHT11(float *temperature, float *humidity) {  // 从DHT11读取温度和湿度数据  // ...  
}  // 读取土壤湿度传感器的值  
float Read_SoilMoistureSensor(void) {  // 从土壤湿度传感器读取数据  // ...  
}  // 主函数  
int main(void) {  SystemInit();  DHT11_Init();  SoilMoistureSensor_Init();  LCD_Init(); // 假设LCD初始化函数  UART_HandleTypeDef huart; // 假设你已经配置了UART句柄  float temperature, humidity;  float soil_moisture;  char uart_buffer[100];  while (1) {  Read_DHT11(&temperature, &humidity);  soil_moisture = Read_SoilMoistureSensor();  // 将数据发送到UART（例如通过串口调试助手查看）  sprintf(uart_buffer, "Temp: %.2f C, Humidity: %.2f %%, Soil Moisture: %.2f\r\n",   temperature, humidity, soil_moisture);  HAL_UART_Transmit(&huart, (uint8_t*)uart_buffer, strlen(uart_buffer), HAL_MAX_DELAY);  // 也可以发送到LCD显示  LCD_Display(uart_buffer); // 假设LCD显示函数  HAL_Delay(1000); // 延时1秒再次采集数据  }  
}

请注意，以上代码是一个高度简化和概念化的示例。在实际应用中，你需要根据具体的传感器型号、接线方式以及STM32的硬件配置来编写和适配代码。此外，你可能还需要处理传感器的异常情况、数据的校验和校准、低功耗设计、数据存储等其他复杂问题。

对于DHT11、土壤湿度传感器和LCD的具体初始化和读取函数，你需要参考各自的数据手册或者库函数来实现。UART的初始化和发送函数也需要根据STM32的HAL库或者标准外设库来编写。

如果你刚开始接触STM32和嵌入式开发，我建议你从简单的示例项目开始，逐步增加功能和复杂性。同时，查阅STM32的官方文档和教程也是非常有帮助的。

为了提供一个更模块化的代码示例，我们可以将系统拆分为几个主要的模块：系统初始化、传感器读取、数据处理和通信接口。以下是一个基于STM32的农业大棚环境监测系统的模块化代码示例。

首先，我们需要定义各个模块的头文件和源文件。

1. 系统初始化模块 (system_init.c/system_init.h)

system_init.h:

为了提供一个更模块化的代码示例，我们可以将系统拆分为几个主要的模块：系统初始化、传感器读取、数据处理和通信接口。以下是一个基于STM32的农业大棚环境监测系统的模块化代码示例。首先，我们需要定义各个模块的头文件和源文件。1. 系统初始化模块 (system_init.c/system_init.h)system_init.h:

system_init.c:

#include "system_init.h"  
// ... 其他必要的头文件  void SystemInit(void) {  // 初始化HAL库、系统时钟、GPIO、UART等  // ...  
}

2. 传感器读取模块 (sensors.c/sensors.h)

sensors.h:

#ifndef SENSORS_H  
#define SENSORS_H  #include <stdint.h>  void DHT11_Init(void);  
void Read_DHT11(float *temperature, float *humidity);  void SoilMoistureSensor_Init(void);  
float Read_SoilMoistureSensor(void);  #endif // SENSORS_H

sensors.c:

#include "sensors.h"  
// ... 其他必要的头文件  void DHT11_Init(void) {  // 初始化DHT11传感器  // ...  
}  void Read_DHT11(float *temperature, float *humidity) {  // 从DHT11读取温度和湿度数据  // ...  
}  void SoilMoistureSensor_Init(void) {  // 初始化土壤湿度传感器  // ...  
}  float Read_SoilMoistureSensor(void) {  // 从土壤湿度传感器读取数据  // ...  
}

3. 数据处理和通信接口模块 (data_processing.c/data_processing.h 和 communication.c/communication.h)

data_processing.h:

#ifndef DATA_PROCESSING_H  
#define DATA_PROCESSING_H  #include <stdint.h>  void ProcessSensorData(float temperature, float humidity, float soil_moisture);  #endif // DATA_PROCESSING_H

data_processing.c:

#include "data_processing.h"  
// ... 其他必要的头文件  void ProcessSensorData(float temperature, float humidity, float soil_moisture) {  // 处理收集到的传感器数据，例如计算平均值、判断环境状态等。  // ...  
}

communication.h:

#ifndef COMMUNICATION_H  
#define COMMUNICATION_H  #include <stdint.h>  
#include <stdbool.h>  bool UART_Init(void);  
void UART_SendSensorData(float temperature, float humidity, float soil_moisture);  #endif // COMMUNICATION_H

communication.c:

#include "communication.h"  
#include "stm32f1xx_hal_uart.h" // 或者对应的HAL UART头文件  
// ... 其他必要的头文件  UART_HandleTypeDef huart; // 假设UART句柄已经在其他地方定义和配置  bool UART_Init(void) {  // 初始化UART通信接口  // ...  return true; // 或者根据初始化结果返回false  
}  void UART_SendSensorData(float temperature, float humidity, float soil_moisture) {  char uart_buffer[100];  sprintf(uart_buffer, "Temp: %.2f C, Humidity: %.2f %%, Soil Moisture: %.2f\r\n",   temperature, humidity, soil_moisture);  HAL_UART_Transmit(&huart, (uint8_t*)uart_buffer, strlen(uart_buffer), HAL_MAX_DELAY);  
}

4. 主程序模块 (main.c)

main.c:

#include "main.h"  
#include "system_init.h"  
#include "sensors.h"  
#include "data_processing.h"  
#include "communication.h"  
// ... 其他必要的头文件  int main(void) {  SystemInit(); // 系统初始化，包括时钟、外设等  DHT11_Init(); // 初始化DHT11传感器  SoilMoistureSensor_Init(); // 初始化土壤湿度传感器  UART_Init(); // 初始化UART通信接口  float temperature, humidity, soil_moisture;  while (1) { // 主循环  Read_DHT11(&temperature, &humidity); // 读取DHT11数据  soil_moisture = Read_SoilMoistureSensor(); // 读取土壤湿度数据  ProcessSensorData(temperature, humidity, soil_moisture); // 数据处理  UART_SendSensorData(temperature, humidity, soil_moisture); // 发送数据到UART接口  HAL_Delay(1000); // 延时，可以根据需要调整采集频率  }  
}

为了继续展开上面的代码，我们可以为每个模块添加更多的实现细节。请注意，以下代码是为了演示目的而简化的，并且可能需要根据实际的硬件和库进行调整。

1. 系统初始化模块 (system_init.c/system_init.h)

我们可以添加一些具体的初始化步骤，比如初始化HAL库、系统时钟和外设等。

system_init.c:

#include "system_init.h"  
#include "stm32f1xx_hal.h" // 根据具体的MCU型号调整头文件  void SystemInit(void) {  HAL_Init(); // 初始化HAL库  SystemClock_Config(); // 配置系统时钟，这个函数通常在STM32CubeMX生成的代码中提供  // 初始化其他外设，比如GPIO、UART等  
}

2. 传感器读取模块 (sensors.c/sensors.h)

对于传感器读取，我们需要实现具体的读取逻辑。以下是一个简化的示例，用于说明如何读取DHT11传感器和土壤湿度传感器。

sensors.c:

#include "sensors.h"  
#include "dht11.h" // 假设有一个DHT11库  
#include "soil_moisture_sensor.h" // 假设有一个土壤湿度传感器库  void DHT11_Init(void) {  // 调用DHT11库的初始化函数  DHT11_begin();  
}  void Read_DHT11(float *temperature, float *humidity) {  DHT11_data data;  DHT11_read(&data); // 读取DHT11数据  *temperature = data.temperature;  *humidity = data.humidity;  
}  void SoilMoistureSensor_Init(void) {  // 初始化土壤湿度传感器，可能包括设置引脚模式等  soil_moisture_sensor_begin();  
}  float Read_SoilMoistureSensor(void) {  return soil_moisture_sensor_read(); // 读取土壤湿度传感器的值  
}

3. 数据处理和通信接口模块 (data_processing.c/data_processing.h 和 communication.c/communication.h)

数据处理模块可以根据实际需求进行扩展，例如添加数据记录、异常检测等功能。通信接口模块可以添加更复杂的通信协议和错误处理。

data_processing.c:

#include "data_processing.h"  
// ... 其他必要的头文件  void ProcessSensorData(float temperature, float humidity, float soil_moisture) {  // 在这里可以添加数据处理逻辑，比如判断环境是否适宜等  // ...  
}

communication.c:

#include "communication.h"  
// ... 其他必要的头文件  bool UART_Init(void) {  // 具体的UART初始化代码，设置波特率、数据位等参数  // ...  return true; // 初始化成功返回true，否则返回false  
}  void UART_SendSensorData(float temperature, float humidity, float soil_moisture) {  // 发送传感器数据的具体实现，可能包括数据格式化和错误处理  // ...  
}

4. 主程序模块 (main.c)

main.c 文件中的主循环可以保持不变，或者根据需要添加更多的逻辑，比如定时任务、中断处理等。

注意事项：

  1. 上述代码中的函数和库（如 DHT11_begin, DHT11_read, soil_moisture_sensor_begin, soil_moisture_sensor_read）是假设存在的，具体实现需要依赖你所使用的硬件和库。
  2. 错误处理在实际应用中非常重要，但为了简洁起见，在上述示例代码中未详细展示。
  3. 根据实际使用的MCU型号和开发环境，可能需要对头文件和初始化代码进行相应的调整。

这篇关于基于STM32的农业大棚环境监测系统毕业设计报告的文章就介绍到这儿，希望我们推荐的文章对编程师们有所帮助！


http://www.chinasem.cn/article/904600。

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