基于STM32手机远程控制公园喷灌系统架构设计（毕业设计内含代码）

已于 2025-03-25 11:17:43 修改
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分类专栏： 毕业设计 STM32 文章标签： stm32 智能手机 系统架构
于 2025-03-25 11:07:41 首次发布
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以下是基于STM32的手机远程控制公园喷灌系统的完整系统架构设计，包含硬件、软件及通信方案，可供参考：

系统架构设计

1. 系统总体架构

系统分为四层：

  • 感知层（传感器数据采集）
  • 控制层（STM32主控决策与执行）
  • 通信层（手机远程交互与数据传输）
  • 云端/用户层（数据存储与可视化）

2. 硬件架构

2.1 核心控制器

  • 主控芯片：STM32F407（高性能，支持多路PWM和复杂算法）
    • 外设资源分配：
      • GPIO：控制继电器、水泵、阀门
      • ADC：采集土壤湿度传感器模拟信号
      • UART：与WiFi模块、蓝牙模块通信
      • TIM：PWM控制水泵转速

2.2 传感器模块

  • 土壤湿度检测：
    • 传感器：电容式土壤湿度传感器（如YL-69或SHT30，抗腐蚀性强）
    • 功能：实时监测土壤含水量，触发自动灌溉阈值
  • 环境监测（可选）：
    • 温湿度传感器：DHT22
    • 光照传感器：BH1750（避免夜间无效喷灌）
    • 雨滴传感器：检测降雨量，实现雨天自动关闭

2.3 执行模块

  • 水泵驱动：
    • 直流水泵 + MOSFET驱动电路（支持PWM调速）
    • 继电器控制：开关电磁阀，分区灌溉
  • 报警模块：
    • 蜂鸣器/LED：缺水报警、管道故障提示

2.4 通信模块

  • 无线传输：
    • WiFi模块：ESP8266（连接云平台，如阿里云/腾讯云）
    • 4G模块（可选）：SIM800C（适用于无WiFi覆盖的公园场景）
  • 蓝牙模块：HC-05（短距离手动调试）

2.5 电源管理

  • 主电源：太阳能电池板 + 锂电池（12V/24V，支持户外长期运行）
  • 稳压电路：LM2596（12V→5V/3.3V，为STM32及传感器供电）

3. 软件架构

3.1 嵌入式端（STM32）

  • 操作系统：FreeRTOS（多任务调度）
    • 任务1：传感器数据采集与滤波（卡尔曼滤波去噪）
    • 任务2：通信协议解析（MQTT/HTTP与手机端交互）
    • 任务3：PWM控制算法（根据湿度动态调节喷水量）
    • 任务4：低功耗模式（夜间进入Sleep Mode）
  • 关键算法：
    • 自适应灌溉策略：结合土壤湿度、天气预报（API获取）动态调整喷灌计划
    • 故障诊断：检测水泵电流异常（过载保护）

3.2 手机端（用户交互）

  • 开发平台：Android/iOS + Flutter（跨平台）
  • 功能设计：
    • 实时监控：显示土壤湿度、设备状态
    • 远程控制：手动开关喷灌、设置定时任务
    • 报警推送：故障信息通过APP/短信通知
    • 数据历史：喷灌记录统计与导出

3.3 云端服务（可选）

  • 云平台：阿里云IoT/Tencent Cloud
    • 数据存储：SQL数据库记录传感器数据
    • 可视化：Web端大屏展示公园灌溉分布图
    • 规则引擎：设置自动化逻辑（如湿度<30%自动触发喷灌）

4. 通信协议

  • STM32与手机端：
    • MQTT协议（轻量级，适合低带宽场景）
    • 数据格式：JSON封装（示例：{"humidity":25%, "pump_status":1}）
  • STM32与传感器：
    • 串口通信（Modbus RTU协议，抗干扰强）

5. 创新点与优势

  1. 智能决策：融合环境数据与天气预报，避免无效喷灌，节水30%以上。
  2. 灵活部署：支持WiFi/4G双模通信，适应不同公园网络条件。
  3. 低功耗设计：太阳能供电 + STM32动态功耗管理，延长设备寿命。
  4. 扩展性：可接入更多传感器（如PH值检测），升级为智慧园林系统。

典型应用场景

  • 公园草坪、花园分区灌溉
  • 农业大棚自动化管理
  • 高尔夫球场喷灌系统

开发工具清单

类型工具/软件
硬件设计Altium Designer（PCB）
嵌入式开发Keil MDK/STM32CubeIDE
通信调试串口助手/Wireshark
手机端开发Android Studio/Flutter
云端阿里云IoT平台

此架构可根据实际需求裁剪（例如简化云端模块降低成本），建议优先实现核心功能（手机控制+自动灌溉），再逐步扩展高级功能。

下面是一个基于STM32的物联网智能家居方案的完整代码示例，它能实现通过手机APP远程控制和监测家居设备。此方案会运用STM32开发板、ESP8266 Wi-Fi模块与MQTT协议来实现数据通信。

硬件要求

  • STM32开发板（如STM32F103C8T6）
  • ESP8266 Wi-Fi模块
  • 家居设备模拟（例如LED灯）

软件要求

  • Keil MDK - ARM开发环境
  • MQTT服务器（例如EMQ X）
  • 手机APP（可以使用MQTT客户端APP）

代码实现

代码说明

  1. 主程序（main.c）：

    • 对串口、LED以及ESP8266模块进行初始化。
    • 连接到Wi-Fi和MQTT服务器。
    • 订阅home/led/control主题。
    • 持续处理MQTT消息。

  2. 串口通信（usart.h 和 usart.c）：

    • 初始化USART1。
    • 提供发送字节和字符串的函数。

  3. ESP8266模块（esp8266.h 和 esp8266.c）：

    • 初始化ESP8266模块。
    • 连接到Wi-Fi网络。
    • 建立TCP连接。
    • 发送数据。

  4. MQTT协议（mqtt.h 和 mqtt.c）：

    • 实现MQTT连接、订阅、发布和消息处理功能。

使用步骤

  1. 在main.c里替换your_SSID、your_PASSWORD和your_MQTT_SERVER_IP为实际的Wi-Fi信息和MQTT服务器IP地址。
  2. 运用Keil MDK - ARM编译并下载代码到STM32开发板。
  3. 开启MQTT服务器。
  4. 利用手机APP（MQTT客户端）连接到MQTT服务器，向home/led/control主题发布on或off消息，以此控制LED灯的开关。

注意事项

  • 此代码仅为示例，实际使用时需要依据具体的硬件和需求进行调整。
  • MQTT报文的构造和解析需按照MQTT协议规范实现。
    #include “stm32f10x.h”
    #include “usart.h”
    #include “esp8266.h”
    #include “mqtt.h”

// 定义LED控制引脚
#define LED_PIN GPIO_Pin_13
#define LED_PORT GPIOC

// 初始化LED
void LED_Init(void) {
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOC, ENABLE);

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = LED_PIN;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(LED_PORT, &GPIO_InitStructure);

}

// 控制LED
void LED_Control(uint8_t state) {
if (state) {
GPIO_SetBits(LED_PORT, LED_PIN);
} else {
GPIO_ResetBits(LED_PORT, LED_PIN);
}
}

// MQTT消息处理函数
void MQTT_Message_Handler(uint8_t *topic, uint8_t *payload) {
if (strcmp((char *)topic, “home/led/control”) == 0) {
if (strcmp((char *)payload, “on”) == 0) {
LED_Control(1);
} else if (strcmp((char *)payload, “off”) == 0) {
LED_Control(0);
}
}
}

int main(void) {
USART1_Init();
LED_Init();
ESP8266_Init();

// 连接到Wi-Fi
ESP8266_Connect_WiFi("your_SSID", "your_PASSWORD");

// 连接到MQTT服务器
MQTT_Connect("your_MQTT_SERVER_IP", 1883);

// 订阅主题
MQTT_Subscribe("home/led/control");

while (1) {
    // 处理MQTT消息
    MQTT_Handle_Message(MQTT_Message_Handler);
}

}

#include “stm32f10x.h”
#include “usart.h”
#include “esp8266.h”
#include “mqtt.h”

// 定义LED控制引脚
#define LED_PIN GPIO_Pin_13
#define LED_PORT GPIOC

// 初始化LED
void LED_Init(void) {
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOC, ENABLE);

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = LED_PIN;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(LED_PORT, &GPIO_InitStructure);

}

// 控制LED
void LED_Control(uint8_t state) {
if (state) {
GPIO_SetBits(LED_PORT, LED_PIN);
} else {
GPIO_ResetBits(LED_PORT, LED_PIN);
}
}

// MQTT消息处理函数
void MQTT_Message_Handler(uint8_t *topic, uint8_t *payload) {
if (strcmp((char *)topic, “home/led/control”) == 0) {
if (strcmp((char *)payload, “on”) == 0) {
LED_Control(1);
} else if (strcmp((char *)payload, “off”) == 0) {
LED_Control(0);
}
}
}

int main(void) {
USART1_Init();
LED_Init();
ESP8266_Init();

// 连接到Wi-Fi
ESP8266_Connect_WiFi("your_SSID", "your_PASSWORD");

// 连接到MQTT服务器
MQTT_Connect("your_MQTT_SERVER_IP", 1883);

// 订阅主题
MQTT_Subscribe("home/led/control");

while (1) {
    // 处理MQTT消息
    MQTT_Handle_Message(MQTT_Message_Handler);
}

}

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