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基于STM32的智慧农业监测系统：LoRa通讯、Flutte集成设计流程

花匠小妙招
2024-11-30 05:27

一、项目概述

项目目标

在现代农业生产中，智慧农业的理念逐渐兴起，关注如何利用先进的技术提高农业生产效率、保证食品安全和优化资源配置。基于STM32的智慧农业监测系统旨在通过传感器实时监测环境参数（如温湿度、土壤湿度、光照强度等），并将这些数据传输至云端，以支持远程监控和智能决策。这一系统将为农户提供便捷的管理工具，帮助其优化农作物的生长环境，提高农业产量和质量。

技术栈关键词

主控模块：STM32F407ZG

温湿度传感器：DHT22

土壤水分传感器：YL-69

光照传感器：BH1750

风速传感器（可选）：Anemometer

通讯模块：LORA

电源模块：18650锂电池 + TP4056充电模块

用户界面：Flutter

二、系统架构

系统架构设计

本系统主要由四个核心模块组成：传感器模块、主控模块、通讯模块和用户界面。每个模块功能明确，通过定义良好的接口进行数据交互，确保系统整体的稳定性与高效性。

数据采集

数据处理

数据上传

数据查询

传感器模块

STM32F407ZG主控模块

LORA通讯模块

云端服务器

Flutter手机APP

组件选择

主控模块：STM32F407ZG

优势：该微控制器具有高性能的Cortex-M4内核，主频可达168MHz，支持浮点运算，拥有丰富的外设接口（如USART、I2C、ADC等），适合处理多种传感器数据和实现复杂的控制逻辑。

传感器模块：

DHT22温湿度传感器：具有高精度（温度±0.5°C，湿度±2%RH），适合农业环境监测，可通过单总线与STM32连接。

YL-69土壤水分传感器：通过电阻原理测量土壤湿度，适合监测土壤水分，帮助判断灌溉需求。

BH1750光照传感器：基于I2C接口，能够提供高精度的光照强度测量，适合评估植物光照环境。

风速传感器（Anemometer，选配）：通过旋转速度测量风速，帮助监测气候条件。

通讯模块：LORA模块

特点：LORA是一种低功耗广域网（LPWAN）技术，适合于农业环境的长距离、低速率数据传输，支持远程监控，延长电池使用寿命。

电源模块：18650锂电池 + TP4056充电模块

设计：18650锂电池提供稳定的电源，TP4056充电模块可确保安全充电，适应不同的环境需求。

用户界面：Flutter

开发：使用Flutter开发跨平台移动应用，提供友好的用户界面，实现实时数据监控和历史数据查询功能。软件环境搭建

开发环境准备：

安装并配置STM32的开发环境，推荐使用STM32CubeIDE或Keil MDK。在IDE中创建新的STM32项目，并选择相应的微控制器型号。

库文件导入：

下载并导入各个传感器（DHT22、YL-69、BH1750）和LORA模块的库文件，确保代码可以调用这些库中的功能，从而简化开发过程。

Flutter开发环境：

安装Flutter SDK，并配置相关的开发环境（如Android Studio或Visual Studio Code），以便进行移动端应用的开发和调试。注意事项

在硬件连接时，仔细检查每个连接端口，以确保无误，避免因短路或接错而导致模块损坏。

在调试过程中，建议使用串口监视器查看传感器数据输出，便于快速定位问题。

在进行无线通讯时，确保LORA模块的频率设置符合当地的无线电管理规定，以避免干扰。

四、代码实现过程

在本部分中，我们将详细介绍STM32微控制器的代码实现过程。该过程分为几个主要模块，包括初始化、传感器读取、数据处理、无线数据传输等。我们将逐步实现这些功能，并提供相应的代码示例和解释。

1. 系统总体架构

系统的总体架构包含以下几个模块：

主控模块：STM32F407ZG，负责数据处理与控制。

传感器模块：包括DHT22、YL-69、BH1750等，用于环境数据采集。

通讯模块：LORA模块，负责将数据发送至云端。

电源管理：18650锂电池与TP4056充电模块，确保系统稳定供电。

2. 代码结构

代码的基本结构如下：

main.c：主程序文件，负责系统初始化与主循环。

sensor.c：传感器模块，负责初始化和读取传感器数据。

lora.c：LORA模块，负责数据发送功能。

power.c：电源管理模块（可选），负责电源状态监测。

3. 主程序 main.c

以下是主程序的代码示例，负责系统的初始化和数据处理的主循环。

#include "stm32f4xx_hal.h" #include "dht22.h" #include "yl69.h" #include "bh1750.h" #include "lora.h" // 传感器数据结构体 typedef struct { float temperature; // 温度 float humidity; // 湿度 float soilMoisture; // 土壤湿度 float lightIntensity; // 光照强度 } SensorData; SensorData sensorData; // 声明传感器数据结构体 // 系统初始化函数 void System_Init() { HAL_Init(); // 初始化HAL库 SystemClock_Config(); // 配置系统时钟 DHT22_Init(); // 初始化DHT22传感器 YL69_Init(); // 初始化YL-69传感器 BH1750_Init(); // 初始化BH1750传感器 LORA_Init(); // 初始化LORA模块 } // 读取传感器数据的函数 void Read_Sensors() { sensorData.temperature = DHT22_Read_Temperature(); // 读取DHT22温度 sensorData.humidity = DHT22_Read_Humidity(); // 读取DHT22湿度 sensorData.soilMoisture = YL69_Read_SoilMoisture(); // 读取YL-69土壤湿度 sensorData.lightIntensity = BH1750_Read_LightIntensity(); // 读取BH1750光照强度 } // 发送数据到LORA的函数 void Send_Data() { char dataBuffer[100]; // 数据缓冲区 snprintf(dataBuffer, sizeof(dataBuffer), "Temperature: %.2f, Humidity: %.2f, Soil Moisture: %.2f, Light Intensity: %.2f", sensorData.temperature, sensorData.humidity, sensorData.soilMoisture, sensorData.lightIntensity); LORA_Send(dataBuffer); // 发送数据到LORA } int main(void) { System_Init(); // 初始化系统 while (1) { Read_Sensors(); // 读取传感器数据 Send_Data(); // 发送数据到LORA HAL_Delay(60000); // 每60秒读取一次数据 } }

1234567891011121314151617181920212223242526272829303132333435363738394041424344454647484950515253 4. 传感器模块 sensor.c

此模块负责对各传感器的初始化和数据读取。具体实现如下：

#include "dht22.h" #include "yl69.h" #include "bh1750.h" // 初始化DHT22传感器 void DHT22_Init() { // 配置GPIO引脚 GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0}; __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE(); // 使能GPIOA时钟 // 设置DHT22引脚为输入模式 GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_0; // 假设DHT22连接在PA0 GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_INPUT; GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL; HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct); } // 从DHT22读取温度 float DHT22_Read_Temperature() { float temperature = 0.0; // 读取温度的具体实现 // 参考DHT22的库函数或手动实现 return temperature; // 返回读取到的温度值 } // 从DHT22读取湿度 float DHT22_Read_Humidity() { float humidity = 0.0; // 读取湿度的具体实现 return humidity; // 返回读取到的湿度值 } // 初始化YL-69土壤湿度传感器 void YL69_Init() { // 配置模拟输入引脚 GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0}; __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE(); // 使能GPIOA时钟 // 设置YL-69引脚为模拟输入模式 GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_1; // 假设YL-69连接在PA1 GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_ANALOG; HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct); } // 从YL-69读取土壤湿度 float YL69_Read_SoilMoisture() { uint32_t adcValue = HAL_ADC_GetValue(&hadc1); // 假设hadc1是ADC句柄 float soilMoisture = (float)adcValue / 4096 * 100; // 转换为百分比 return soilMoisture; // 返回读取到的土壤湿度值 } // 初始化BH1750光照传感器 void BH1750_Init() { // 初始化I2C接口 HAL_I2C_Master_Transmit(&hi2c1, BH1750_ADDR, &cmd, 1, 100); // 假设hi2c1是I2C句柄 } // 从BH1750读取光照强度 float BH1750_Read_LightIntensity() { uint8_t data[2]; HAL_I2C_Mem_Read(&hi2c1, BH1750_ADDR, BH1750_CMD_READ, I2C_MEMADD_SIZE_8BIT, data, 2, 100); uint16_t lux = (data[0] << 8) | data[1]; // 合并高低字节 float lightIntensity = lux / 1.2; // 转换为Lux return lightIntensity; // 返回读取到的光照强度值 }

1234567891011121314151617181920212223242526272829303132333435363738394041424344454647484950515253545556575859606162636465 5. LORA模块 lora.c

此模块负责与LORA模块的初始化和数据发送。具体实现如下：

#include "lora.h" #include "stm32f4xx_hal.h" // LORA模块初始化 void LORA_Init() { // 配置LORA模块的GPIO引脚 GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0}; __HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE(); // 使能GPIOB时钟 // 设置LORA模块的引脚 GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_6 | GPIO_PIN_7; // 假设LORA模块连接在PB6和PB7 GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP; GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL; GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_VERY_HIGH; HAL_GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStruct); // 其他初始化步骤，如配置UART或SPI等 } // 发送数据到LORA模块 void LORA_Send(char *data) { // 发送数据的具体实现 HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t*)data, strlen(data), 100); // 假设huart1是UART句柄 }

123456789101112131415161718192021222324 6. 电源管理模块 power.c（可选）

该模块负责监测电源状态及电池电量，具体实现如下：

#include "power.h" #include "stm32f4xx_hal.h" // 初始化电源管理模块 void Power_Init() { // 配置电池电压监测引脚 GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0}; __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE(); // 使能GPIOA时钟 // 设置电源状态引脚为输入模式 GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_2; // 假设电源状态引脚连接在PA2 GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_INPUT; GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL; HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct); } // 读取电池电压 float Read_Battery_Voltage() { // 假设ADC1用于读取电池电压 HAL_ADC_Start(&hadc1); // 启动ADC HAL_ADC_PollForConversion(&hadc1, HAL_MAX_DELAY); // 等待转换完成 uint32_t adcValue = HAL_ADC_GetValue(&hadc1); // 获取ADC值 float voltage = (adcValue / 4096.0) * 3.3; // 转换为电压，假设参考电压为3.3V return voltage; // 返回电池电压 } // 检查电池电量 void Check_Battery_Status() { float voltage = Read_Battery_Voltage(); if (voltage < 3.0) { // 假设3.0V为低电量阈值 // 执行低电量处理，如进入低功耗模式或关闭某些功能 } }

123456789101112131415161718192021222324252627282930313233 代码时序图

STM32F407ZG DHT22 YL-69 BH1750 LORA模块电源管理

检查电源状态返回电池电压读取温度和湿度返回温度、湿度读取土壤湿度返回土壤湿度读取光照强度返回光照强度发送数据确认发送 STM32F407ZG DHT22 YL-69 BH1750 LORA模块电源管理