STM32的智慧农业系统开发(uC/OS-II)

一、项目概述与设计思路

1.1 智慧农业系统需求分析

本智慧农业监测系统基于STM32F4系列微控制器开发，主要实现以下核心功能：

• 环境参数采集（温湿度、光照强度、烟雾浓度）
• 执行机构控制（PWM调速风扇、LED补光灯）
• 异常状态报警（蜂鸣器、OLED显示）
• 人机交互（按键控制、OLED界面）
• 通信功能（LoRa无线模块）

系统采用模块化设计思想，将传感器采集、执行机构控制、用户界面等模块进行解耦，通过uC/OS-II实时操作系统实现多任务调度。

1.2 硬件架构设计

系统硬件组成框架：

[传感器层]
├─ DHT11温湿度传感器
├─ 光敏电阻（PF7 ADC）
├─ MQ-2烟雾传感器（PA6 ADC + PE6中断）
├─ 按键模块[控制层]
├─ STM32F407主控
├─ PWM风扇（PC7 TIM3-CH2）
├─ LED补光灯（PC6 TIM3-CH1）[交互层]
├─ OLED显示屏（I2C：PB8-PB9）
├─ 蜂鸣器模块[通信层]
└─ LoRa模块（USART1）

1.3 软件架构设计

基于uC/OS-II的多任务系统：

https://img-blog.csdnimg.cn/20210320161536932.png

主要任务划分：

• 传感器采集任务
• 环境控制任务
• 用户界面任务
• 通信处理任务
• 报警处理任务

二、硬件接口配置详解

2.1 GPIO功能分配

根据文档1配置关键引脚：

c

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/* 引脚功能映射表 */
typedef struct {GPIO_TypeDef* GPIOx;uint16_t GPIO_Pin;GPIOMode_TypeDef Mode;
} PinConfig;const PinConfig pinConfig[] = {{GPIOB, GPIO_Pin_8,  GPIO_Mode_AF},  // I2C1_SCL{GPIOB, GPIO_Pin_9,  GPIO_Mode_AF},  // I2C1_SDA{GPIOE, GPIO_Pin_6,  GPIO_Mode_IN},  // 烟雾中断{GPIOA, GPIO_Pin_6,  GPIO_Mode_AN},   // 烟雾ADC{GPIOF, GPIO_Pin_7,  GPIO_Mode_AN},   // 光敏ADC{GPIOC, GPIO_Pin_6,  GPIO_Mode_AF},  // TIM3_CH1{GPIOC, GPIO_Pin_7,  GPIO_Mode_AF}   // TIM3_CH2
};

2.2 外设时钟配置

外设时钟使能顺序：

c

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void RCC_Configuration(void)
{RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOA | RCC_AHB1Periph_GPIOB |RCC_AHB1Periph_GPIOC | RCC_AHB1Periph_GPIOE, ENABLE);RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM3, ENABLE);RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_ADC1, ENABLE);RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_USART3, ENABLE);
}

三、关键外设驱动实现

3.1 OLED显示模块

3.1.1 I2C驱动层

采用软件模拟I2C协议（文档7）：

c

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void I2C_Start(void)
{SDA_HIGH();SCL_HIGH();delay_us(5);SDA_LOW();delay_us(5);SCL_LOW();
}void I2C_WriteByte(uint8_t data)
{for(uint8_t i=0;i<8;i++){(data & 0x80) ? SDA_HIGH() : SDA_LOW();SCL_HIGH();delay_us(5);SCL_LOW();data <<= 1;}
}

3.1.2 显示应用层

实现多级菜单系统：

c

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typedef struct {uint8_t currentMenu;void (*DisplayFunc)(void);
} MenuSystem;void OLED_DisplayTask(void *pdata)
{MenuSystem menu;while(1){switch(menu.currentMenu){case 0: ShowMainPage(); break;case 1: ShowEnvData(); break;case 2: ShowSettings(); break;}OSTimeDlyHMSM(0,0,0,500);}
}

3.2 PWM控制模块

TIM3通道配置（文档10）：

c

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void PWM_Init(void)
{TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_BaseStruct;TIM_OCInitTypeDef TIM_OCStruct;// 时基配置：1kHz PWM频率TIM_BaseStruct.TIM_Prescaler = 84-1; TIM_BaseStruct.TIM_Period = 1000-1;TIM_TimeBaseInit(TIM3, &TIM_BaseStruct);// 输出比较配置TIM_OCStruct.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1;TIM_OCStruct.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;TIM_OCStruct.TIM_Pulse = 0; // 初始占空比0%TIM_OC1Init(TIM3, &TIM_OCStruct); // PC6TIM_OC2Init(TIM3, &TIM_OCStruct); // PC7TIM_Cmd(TIM3, ENABLE);
}

3.3 烟雾传感器驱动

双重检测机制实现（ADC+中断）：

c

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void Smoke_Init(void)
{// ADC配置ADC_CommonInitTypeDef ADC_CommonInitStruct;ADC_CommonInitStruct.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent;ADC_CommonInitStruct.ADC_Prescaler = ADC_Prescaler_Div2;ADC_CommonInit(&ADC_CommonInitStruct);// 中断配置EXTI_InitTypeDef EXTI_InitStruct;EXTI_InitStruct.EXTI_Line = EXTI_Line6;EXTI_InitStruct.EXTI_Mode = EXTI_Mode_Interrupt;EXTI_InitStruct.EXTI_Trigger = EXTI_Trigger_Rising_Falling;EXTI_Init(&EXTI_InitStruct);
}

四、实时操作系统整合

4.1 uC/OS-II任务创建

系统任务初始化流程（文档2）：

c

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void main(void)
{OSInit();// 创建系统任务OSTaskCreate(AppTask_Init, (void*)0, &init_stk[TASK_STK_SIZE-1], TASK_PRIO_INIT);OSTaskCreate(AppTask_Sensor, (void*)0, &sensor_stk[TASK_STK_SIZE-1], TASK_PRIO_SENSOR);OSTaskCreate(AppTask_Control, (void*)0, &control_stk[TASK_STK_SIZE-1], TASK_PRIO_CTRL);OSStart();
}

4.2 任务间通信设计

使用事件标志组实现传感器数据同步：

c

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OS_FLAG_GRP *SensorFlagGrp;void Sensor_Task(void *pdata)
{while(1){// 采集所有传感器数据ReadDHT11();ReadLightSensor();ReadSmokeSensor();// 设置数据就绪标志OSFlagPost(SensorFlagGrp, DATA_READY_FLAG, OS_FLAG_SET, &err);OSTimeDlyHMSM(0,0,2,0); // 2秒采集周期}
}void Control_Task(void *pdata)
{while(1){// 等待数据就绪OSFlagPend(SensorFlagGrp, DATA_READY_FLAG, OS_FLAG_WAIT_SET_ALL, 0, &err);// 执行控制逻辑EnvControlLogic();}
}

五、系统控制逻辑实现

5.1 环境自适应控制算法

实现模糊PID控制：

c

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typedef struct {float Kp, Ki, Kd;float integral_max;float last_error;float integral;
} FuzzyPID;float FuzzyPID_Calculate(FuzzyPID *pid, float setpoint, float actual)
{float error = setpoint - actual;pid->integral += error;// 积分限幅if(pid->integral > pid->integral_max) pid->integral = pid->integral_max;if(pid->integral < -pid->integral_max) pid->integral = -pid->integral_max;float derivative = error - pid->last_error;float output = pid->Kp*error + pid->Ki*pid->integral + pid->Kd*derivative;pid->last_error = error;return output;
}

5.2 异常处理机制

烟雾浓度三级报警策略：

c

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void Smoke_Handler(void)
{float smoke_level = GetSmokeLevel();if(smoke_level > WARNING_THRESHOLD){OSFlagPost(AlarmFlagGrp, SMOKE_ALARM_FLAG, OS_FLAG_SET, &err);SetFanSpeed(MAX_SPEED);}else if(smoke_level > NOTICE_THRESHOLD){Beep_Alert(INTERMITTENT_BEEP);AdjustFanSpeed(smoke_level);}else{OSFlagPost(AlarmFlagGrp, SMOKE_ALARM_FLAG, OS_FLAG_CLR, &err);}
}

六、开发经验与调试技巧

6.1 常见问题解决

问题1：PWM输出不稳定

• 检查TIM分频系数设置
• 验证GPIO重映射是否正确
• 使用示波器观察波形

问题2：OLED显示花屏

• 检查I2C时序是否满足器件要求
• 确认显示缓冲区正确清零
• 验证电源稳定性

6.2 性能优化建议

1. ADC采样优化：

c

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#define SAMPLE_NUM 32
uint16_t ADC_AverageFilter(ADC_TypeDef* ADCx)
{uint32_t sum = 0;for(uint8_t i=0; i<SAMPLE_NUM; i++){sum += ADC_GetConversionValue(ADCx);}return sum / SAMPLE_NUM;
}

1. 任务优先级分配原则：

• 传感器采集任务 > 控制任务 > 界面任务
• 中断服务任务保持最高优先级

七、项目扩展方向

7.1 功能扩展建议

1. 增加土壤湿度监测
2. 集成WiFi/4G远程监控
3. 添加太阳能供电模块
4. 实现Android端APP控制

7.2 物联网集成方案

构建MQTT通信框架：

c

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void MQTT_Publish(const char *topic, float data)
{char payload[50];sprintf(payload, "{\"value\":%.1f}", data);Lora_SendData(topic);Lora_SendData(payload);
}void Lora_Callback(char *msg)
{// 解析云平台指令if(strstr(msg, "FAN_CTRL")){uint8_t speed = atoi(msg+9);SetFanSpeed(speed);}
}

八、总结与学习资源

8.1 项目总结

本系统完整实现了智慧农业的环境监测与控制功能，关键技术点包括：

• 多传感器数据融合
• 实时操作系统应用
• 闭环控制算法实现
• 低功耗设计思想

8.2 推荐学习资料

1. 《STM32F4xx中文参考手册》
2. uC/OS-II官方文档
3. 《嵌入式实时操作系统原理与应用》