一、项目概述

随着农业现代化的推进，智能温室管理系统应运而生。该项目旨在开发一套基于STM32微控制器的智能温室管理可视化系统，通过实时监测温室环境参数（如温度、湿度、光照度等），并对其进行智能控制，提升温室管理的效率和科学性。本系统的核心在于数据采集和控制，通过集成多种传感器，实现温室环境的自动调节，降低人工管理成本，提升作物产量。

项目解决的问题与价值

1. 实时监测：通过传感器实时监测温室环境，确保作物在最佳生长条件下生长。

2. 自动控制：依据采集的数据自动调节温室内部设备（如风扇、加热器、通风窗等），保持稳定的环境状态。

3. 数据可视化：通过可视化界面展示环境数据，便于用户监控和管理温室。

4. 远程控制：支持无线通信，用户可随时随地对温室进行管理和控制，提高了便利性。

二、系统架构

本系统的架构设计遵循分层原则，主要包含硬件层、嵌入式软件层、通信层、后台服务层和前端界面层。

硬件选择

• 单片机：STM32系列微控制器，作为温室环境数据采集和控制的核心。

• 传感器：集成温度传感器（如DHT11）、湿度传感器、光照传感器（如BH1750）等。

• 控制电路：使用继电器和驱动模块控制风扇、加热器和通风窗等设备。

• 通信模块：使用Wi-Fi模块（如ESP8266）实现无线通信。

系统架构图

三、环境搭建

硬件环境

• 开发板：STM32F4系列开发板

• 传感器：DHT11温湿度传感器、BH1750光照传感器

• 通信模块：ESP8266 Wi-Fi模块

• 控制模块：继电器模块

软件环境

• 开发工具链：STM32CubeIDE

• 库：HAL库、FreeRTOS（可选）

• 后端框架：Node.js（或Django/Flask）

• 数据库：MySQL（或MongoDB）

安装步骤

1. 安装STM32CubeIDE：下载并安装STM32CubeIDE。

2. 安装Node.js：访问Node.js官网下载并安装。

3. 安装数据库：根据选择的数据库，进行安装和配置。

注意事项

• 确保开发环境的版本兼容。

• 传感器连接时注意引脚定义，避免接错。

四、代码实现

根据系统架构的设计，逐步实现各功能模块。

1. 嵌入式固件开发

使用C语言编写STM32固件，实现数据采集和控制。

#include "stm32f4xx_hal.h"  // 引入STM32 HAL库，提供硬件抽象层的功能
#include "dht11.h"          // 引入DHT11传感器的驱动库
#include "bh1750.h"         // 引入BH1750光照传感器的驱动库// 初始化传感器
void Sensor_Init() {DHT11_Init();  // 初始化DHT11温湿度传感器BH1750_Init(); // 初始化BH1750光照传感器
}// 采集数据
void Collect_Data() {float temperature, humidity;       // 定义温度和湿度变量uint16_t light_intensity;          // 定义光照强度变量// 从DHT11传感器读取温度和湿度DHT11_Read(&temperature, &humidity);// 从BH1750传感器读取光照强度light_intensity = BH1750_Read();// 处理数据并发送到后端或控制系统Send_Data(temperature, humidity, light_intensity);
}

代码说明

1. 包含头文件

• #include "stm32f4xx_hal.h"：引入STM32F4系列的硬件抽象层（HAL）库。这是进行硬件操作的基础库，包括GPIO、UART、I2C等功能的支持。

• #include "dht11.h"：引入DHT11传感器的自定义驱动库。该库提供了对DHT11传感器的初始化和数据读取的函数。

• #include "bh1750.h"：引入BH1750光照传感器的自定义驱动库。该库提供了对BH1750传感器的初始化和数据读取的函数。

2. Sensor_Init 函数

void Sensor_Init() {DHT11_Init();  // 初始化DHT11温湿度传感器BH1750_Init(); // 初始化BH1750光照传感器
}

• 功能：初始化传感器。

• 实现：

• 调用DHT11_Init()函数，进行DHT11传感器的初始化，通常包括配置GPIO引脚和I/O模式等。

• 调用BH1750_Init()函数，进行BH1750光照传感器的初始化，设置I2C通信。

3. Collect_Data 函数

void Collect_Data() {float temperature, humidity;       // 定义温度和湿度变量uint16\_t light\_intensity;          // 定义光照强度变量// 从DHT11传感器读取温度和湿度DHT11_Read(&temperature, &humidity);// 从BH1750传感器读取光照强度light\_intensity = BH1750\_Read();// 处理数据并发送到后端或控制系统Send\_Data(temperature, humidity, light\_intensity);
}

• 功能：采集环境数据（温度、湿度和光照强度）。

• 实现：

• 定义temperature和humidity变量用于存储DHT11传感器读取的温度和湿度值。

• 定义light_intensity变量用于存储BH1750传感器读取的光照强度值。

• 调用DHT11_Read(&temperature, &humidity)函数，从DHT11传感器读取当前的温度和湿度值，并将其存储到定义的变量中。该函数通常会处理通信过程并进行错误检查。

• 调用light_intensity = BH1750_Read()函数，从BH1750传感器读取当前的光照强度值。此函数同样会处理I2C通信并返回读取的数据。

• 最后，调用Send_Data(temperature, humidity, light_intensity)函数，将采集到的数据传输到后端或控制系统。该函数的具体实现可以包括通过串口、MQTT等协议发送数据。

2. 后台服务开发

在Node.js中，我们将继续实现控制逻辑，接收来自前端的控制指令，并将其转发到温室控制器。以下是完整的代码示例。

Node.js 后台服务示例

const express = require('express');
const app = express();
const bodyParser = require('body-parser');
const mqtt = require('mqtt'); // 使用MQTT协议进行通信// 连接到MQTT代理（例如：Mosquitto）
const mqttClient = mqtt.connect('mqtt://broker.hivemq.com'); // 更换为相应的MQTT代理app.use(bodyParser.json());// 处理控制指令的API
app.post('/control', (req, res) => {const controlCommand = req.body.command;// 发布控制指令到MQTT主题mqttClient.publish('greenhouse/control', JSON.stringify(controlCommand), (err) => {if (err) {console.error('Error publishing to MQTT:', err);return res.status(500).send('Error publishing control command');}console.log('Control command published:', controlCommand);res.send(`Control command received: ${JSON.stringify(controlCommand)}`);});
});// 处理传感器数据的API
app.post('/data', (req, res) => {const sensorData = req.body;// 在这里可以将数据存储到数据库console.log('Sensor data received:', sensorData);// 数据存储逻辑，例如使用MySQL或MongoDBres.send('Sensor data received');
});// 启动服务器
const PORT = process.env.PORT || 3000;
app.listen(PORT, () => {console.log(`Server is running on port ${PORT}`);
});

代码说明

• MQTT Client：我们使用mqtt库连接到MQTT代理服务器。在这个示例中使用的是免费的HiveMQ代理，实际部署时可以更换为自己的MQTT代理。

• 控制指令的API：

• 接收控制指令的POST请求，指令通过req.body.command获取。

• 使用mqttClient.publish方法将控制指令发布到指定的MQTT主题（例如，greenhouse/control）。

• 传感器数据的API：

• 接收传感器数据的POST请求，并输出到控制台，实际应用中应将这些数据存储到数据库中。

• 服务器启动：在指定的端口上启动Express服务器，监听客户端请求。

数据存储示例

为了存储传感器数据，可以添加一个简单的MySQL或MongoDB存储逻辑。以下是一个使用MySQL的示例。

const mysql = require('mysql');// 创建MySQL连接
const db = mysql.createConnection({host: 'localhost',user: 'yourusername',password: 'yourpassword',database: 'greenhouse_db'
});// 连接到数据库
db.connect((err) => {if (err) {console.error('Error connecting to MySQL:', err);return;}console.log('Connected to MySQL');
});// 更新传感器数据的API
app.post('/data', (req, res) => {const sensorData = req.body;const query = 'INSERT INTO sensor_data (temperature, humidity, light_intensity, timestamp) VALUES (?, ?, ?, ?)';const values = [sensorData.temperature, sensorData.humidity, sensorData.light_intensity, new Date()];db.query(query, values, (err, result) => {if (err) {console.error('Error inserting data into MySQL:', err);return res.status(500).send('Error storing sensor data');}console.log('Sensor data inserted:', result);res.send('Sensor data received and stored');});
});

代码说明

• MySQL连接：使用mysql库创建与MySQL数据库的连接，替换为自己的数据库配置。

• 数据插入逻辑：在接收到传感器数据时，将其插入到sensor_data表中，表结构应包含temperature、humidity、light_intensity和timestamp等字段。

五、项目总结

在本项目中，我们成功开发了一套基于STM32的智能温室管理可视化系统，全面覆盖了从硬件选择到软件开发的各个环节。该系统通过实时监测温室内的温度、湿度和光照等环境参数，结合智能控制策略，实现了温室环境的自动化管理。

主要功能概述

1. 实时数据采集：系统利用DHT11和BH1750等传感器，持续监测温室内的温度、湿度和光照强度，并将数据实时传输给中央控制器。

2. 自动环境控制：根据传感器采集的数据，系统可自动调整风扇、加热器和通风窗等设备，以保持适宜的生长环境，提高作物的生长效率。

3. 数据可视化：通过Web前端界面，用户可以实时查看温室环境数据和历史记录，直观了解温室的运行状态，并可进行手动控制。

4. 远程监控与控制：系统支持无线通信，用户可以通过手机或PC进行远程监控和控制，随时随地管理温室，提升了管理的便利性。

5. 数据分析与智能决策：项目中集成了数据分析模块，可以对收集的环境数据进行分析，挖掘出作物生长的规律，为未来的智能决策提供数据支持。

实现过程回顾

• 硬件搭建：选择了STM32微控制器作为核心，集成了多种传感器和控制模块，构建了完整的硬件平台。

• 嵌入式软件开发：使用C语言编写了固件，实现了传感器的初始化、数据采集和控制逻辑。采用了模块化的设计，便于后续的维护和扩展。

• 后端服务开发：利用Node.js框架开发了RESTful API，处理传感器数据的存储和控制指令的接收，确保系统的高效性和稳定性。

• 前端界面设计：使用React等前端技术开发用户界面，设计了友好的交互体验，使用户能够轻松地访问和控制温室环境。