基于單片機設(shè)計的智慧農(nóng)業(yè)大棚檢測系統(tǒng)

一、設(shè)計目標(biāo)

本項目基于單片機設(shè)計一個智慧農(nóng)業(yè)大棚檢測系統(tǒng)，以提供實時監(jiān)測和管理大棚環(huán)境的關(guān)鍵參數(shù)。系統(tǒng)支持環(huán)境溫度、濕度檢測，光照強度檢測，并能根據(jù)預(yù)設(shè)的閥值進行報警提示。為了實現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示和管理，該系統(tǒng)還利用Qt開發(fā)了一款對應(yīng)的Android手機APP，通過藍(lán)牙傳輸模塊將單片機采集到的數(shù)據(jù)傳遞到手機APP上進行顯示和管理。

具體功能如下：

【1】環(huán)境溫度和濕度檢測：系統(tǒng)采用SHT30溫濕度傳感器，能夠?qū)崟r監(jiān)測大棚內(nèi)的溫度和濕度，并將數(shù)據(jù)傳輸給單片機進行處理。

【2】光照強度檢測：系統(tǒng)采用BH1750光照傳感器，能夠?qū)崟r監(jiān)測大棚內(nèi)的光照強度，并將數(shù)據(jù)傳輸給單片機進行處理。

【3】報警閥值設(shè)置：系統(tǒng)支持按鍵操作，用戶可以通過按鍵調(diào)整報警閥值，以適應(yīng)不同的農(nóng)業(yè)環(huán)境需求。

【4】報警聲音提示：當(dāng)溫度、濕度或光照強度超過設(shè)定的閥值時，系統(tǒng)將觸發(fā)報警，通過連接的蜂鳴器發(fā)出聲音提示，提醒用戶注意。

【5】數(shù)據(jù)顯示和管理：利用Qt開發(fā)的Android手機APP能夠接收通過藍(lán)牙傳輸模塊從單片機端傳遞過來的數(shù)據(jù)，并在手機上進行實時顯示和管理。用戶可以通過手機APP查看當(dāng)前的溫度、濕度和光照強度數(shù)據(jù)，同時也可以設(shè)置報警閥值。

通過上述設(shè)計，該智慧農(nóng)業(yè)大棚檢測系統(tǒng)能夠為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供實時的環(huán)境監(jiān)測和報警功能，幫助農(nóng)民有效管理大棚環(huán)境，提高農(nóng)作物的產(chǎn)量和質(zhì)量。同時，通過手機APP的使用，用戶可以方便地查看和管理數(shù)據(jù)，實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和控制，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的便捷性和智能化水平。

二、總體設(shè)計方案

2.1 硬件設(shè)計

• 主控芯片采用STM32F103RCT6，具有較高的性能和豐富的外設(shè)接口。
• 溫濕度檢測模塊采用SHT30傳感器，可準(zhǔn)確采集環(huán)境溫度和濕度數(shù)據(jù)。
• 光照強度檢測模塊采用BH1750傳感器，能夠?qū)崟r監(jiān)測大棚內(nèi)的光照情況。
• 本地報警提示采用蜂鳴器，發(fā)出聲音提醒農(nóng)民進行處理。
• 通過藍(lán)牙模塊HC05，將STM32采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)紸ndroid手機APP上。

2.2 軟件設(shè)計

• 在STM32中編寫固件程序，實現(xiàn)溫濕度傳感器和光照強度傳感器的數(shù)據(jù)采集和處理。
• 設(shè)計蜂鳴器的驅(qū)動程序，根據(jù)設(shè)定的閾值判斷是否觸發(fā)報警。
• 使用藍(lán)牙模塊HC05與Android手機APP進行通信，將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)绞謾CAPP上。
• 在Android手機APP中，利用Qt開發(fā)界面，實現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示、閾值設(shè)定和報警提示等功能。

2.3 整體流程

• STM32通過SHT30和BH1750傳感器采集環(huán)境溫度、濕度和光照強度數(shù)據(jù)。
• 處理采集到的數(shù)據(jù)，判斷是否觸發(fā)報警條件。
• 如果達(dá)到報警條件，則通過蜂鳴器發(fā)出聲音提示。
• 將數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙模塊HC05傳輸?shù)紸ndroid手機APP上。
• 在Android手機APP上，實時顯示大棚內(nèi)的溫濕度和光照強度數(shù)據(jù)。
• 農(nóng)民可以通過手機APP設(shè)置報警閾值，當(dāng)超過或低于設(shè)定的閾值時，會觸發(fā)報警提示。

該方案實現(xiàn)了溫濕度、光照強度的實時檢測和數(shù)據(jù)傳輸，并提供了報警功能。通過這個智慧農(nóng)業(yè)大棚檢測系統(tǒng)，農(nóng)民可以方便地監(jiān)測大棚內(nèi)的環(huán)境狀況，及時調(diào)控和管理，提高農(nóng)作物的生長效果和產(chǎn)量。

三、硬件電路設(shè)計

本項目的硬件電路設(shè)計主要涉及主控芯片STM32F103RCT6的連接及傳感器模塊的接口設(shè)計。以下是項目的硬件電路設(shè)計概述：

3.1 主控芯片連接

STM32F103RCT6作為主控芯片，負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)的控制和數(shù)據(jù)處理。它與其他模塊通過引腳連接進行數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。 需要為主控芯片提供適當(dāng)?shù)?a class="article-link" target="_blank" href="/tag/%E7%94%B5%E6%BA%90/">電源供電，包括正常工作電壓和邏輯電壓。

3.2 溫濕度傳感器連接

溫濕度傳感器SHT30通過I2C總線連接到主控芯片。主控芯片上的I2C接口引腳（如SDA和SCL）與傳感器的對應(yīng)引腳相連，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀取和控制。

3.3 光照傳感器連接

光照傳感器BH1750通過I2C總線連接到主控芯片。主控芯片上的I2C接口引腳與傳感器的對應(yīng)引腳相連，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀取和控制。

3.4 報警蜂鳴器連接

報警蜂鳴器通過一個GPIO引腳與主控芯片相連。當(dāng)報警條件觸發(fā)時，主控芯片控制該引腳輸出高電平信號，以激活蜂鳴器發(fā)出聲音提示。

3.5 HC05藍(lán)牙模塊連接

HC05藍(lán)牙模塊用于實現(xiàn)單片機與Android手機APP之間的數(shù)據(jù)傳輸。它通過串口通信與主控芯片相連，主控芯片上的對應(yīng)串口引腳（如UART_TX和UART_RX）與藍(lán)牙模塊的對應(yīng)引腳相連。

四、軟件設(shè)計

4.1 主控芯片模塊

主控芯片（如STM32F103RCT6）負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)的控制和數(shù)據(jù)處理。它與其他硬件模塊相連接，接收傳感器數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)處理和報警判斷，并控制蜂鳴器的發(fā)聲。

4.2 溫濕度傳感器模塊

溫濕度傳感器（如SHT30）通過I2C總線與主控芯片相連，負(fù)責(zé)實時監(jiān)測大棚內(nèi)的溫度和濕度。傳感器模塊將采集到的數(shù)據(jù)傳輸給主控芯片進行處理。

實現(xiàn)代碼如下：

以下是STM32標(biāo)準(zhǔn)庫驅(qū)動SHT30傳感器讀取溫濕度，并將數(shù)據(jù)通過串口打印出來：

#include "stm32f10x.h"
#include "stdio.h"

#define SHT30_ADDR 0x44

void I2C1_Init(void)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    I2C_InitTypeDef I2C_InitStructure;

    // 使能I2C1和GPIOB時鐘
    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_I2C1, ENABLE);
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);

    // I2C1引腳配置
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6 | GPIO_Pin_7;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_OD;  // 開漏輸出
    GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);

    // I2C1配置
    I2C_InitStructure.I2C_Mode = I2C_Mode_I2C;
    I2C_InitStructure.I2C_DutyCycle = I2C_DutyCycle_2;  // 50%占空比
    I2C_InitStructure.I2C_OwnAddress1 = 0x00;          // 主機模式下無效
    I2C_InitStructure.I2C_Ack = I2C_Ack_Disable;        // 禁止應(yīng)答
    I2C_InitStructure.I2C_AcknowledgedAddress = I2C_AcknowledgedAddress_7bit;
    I2C_InitStructure.I2C_ClockSpeed = 100000;  // 100kHz的速度
    I2C_Init(I2C1, &I2C_InitStructure);

    // 使能I2C1
    I2C_Cmd(I2C1, ENABLE);
}

void I2C1_Start(void)
{
    // 發(fā)送起始信號
    I2C_GenerateSTART(I2C1, ENABLE);

    // 等待起始信號發(fā)送完成
    while (!I2C_CheckEvent(I2C1, I2C_EVENT_MASTER_MODE_SELECT))
        ;
}

void I2C1_Stop(void)
{
    // 發(fā)送停止信號
    I2C_GenerateSTOP(I2C1, ENABLE);
}

void I2C1_WriteByte(uint8_t byte)
{
    // 發(fā)送一個字節(jié)的數(shù)據(jù)
    I2C_SendData(I2C1, byte);

    // 等待發(fā)送完成
    while (!I2C_CheckEvent(I2C1, I2C_EVENT_MASTER_BYTE_TRANSMITTED))
        ;
}

uint16_t I2C1_ReadByteAck(void)
{
    uint16_t data;

    // 使能應(yīng)答
    I2C_AcknowledgeConfig(I2C1, ENABLE);
    I2C_GenerateACK(I2C1, ENABLE);

    // 等待接收完成
    while (!I2C_CheckEvent(I2C1, I2C_EVENT_MASTER_BYTE_RECEIVED))
        ;

    // 讀取接收到的數(shù)據(jù)
    data = I2C_ReceiveData(I2C1);

    return data;
}

uint16_t I2C1_ReadByteNack(void)
{
    uint16_t data;

    // 禁止應(yīng)答
    I2C_AcknowledgeConfig(I2C1, DISABLE);
    I2C_GenerateACK(I2C1, DISABLE);

    // 等待接收完成
    while (!I2C_CheckEvent(I2C1, I2C_EVENT_MASTER_BYTE_RECEIVED))
        ;

    // 讀取接收到的數(shù)據(jù)
    data = I2C_ReceiveData(I2C1);

    return data;
}

void SHT30_Init(void)
{
    // 發(fā)送軟件復(fù)位指令
    I2C1_Start();
    I2C1_WriteByte(SHT30_ADDR << 1);
    I2C1_WriteByte(0x30);
    I2C1_WriteByte(0xA2);
    I2C1_Stop();

    delay_ms(100);
}

void SHT30_Measure(float *temperature, float *humidity)
{
    uint8_t buf[6];
    uint16_t temperature_raw, humidity_raw;

    // 發(fā)送測量指令
    I2C1_Start();
    I2C1_WriteByte(SHT30_ADDR << 1);
    I2C1_WriteByte(0x2C);
    I2C1_WriteByte(0x06);
    I2C1_Stop();

    delay_ms(20);

    // 讀取測量結(jié)果
    I2C1_Start();
    I2C1_WriteByte((SHT30_ADDR << 1) | 0x01);
    buf[0] = I2C1_ReadByteAck();
    buf[1] = I2C1_ReadByteAck();
    buf[2] = I2C1_ReadByteAck();
    buf[3] = I2C1_ReadByteAck();
    buf[4] = I2C1_ReadByteAck();
    buf[5] = I2C1_ReadByteNack();
    I2C1_Stop();

    // 計算溫度值
    temperature_raw = (buf[0] << 8) | buf[1];
    *temperature = -45.0 + 175.0 * (float)temperature_raw / 65535.0;

    // 計算濕度值
    humidity_raw = (buf[3] << 8) | buf[4];
    *humidity = 100.0 * (float)humidity_raw / 65535.0;
}

void USART1_Init(void)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    USART_InitTypeDef USART_InitStructure;

    // 使能USART1和GPIOA時鐘
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1 | RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);

    // USART1引腳配置
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;  // 復(fù)用推挽輸出
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

    // USART1配置
    USART_InitStructure.USART_BaudRate = 115200;  // 波特率為115200
    USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;
    USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;
    USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No;
    USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;
    USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Tx;
    USART_Init(USART1, &USART_InitStructure);

    // 使能USART1
    USART_Cmd(USART1, ENABLE);
}

void USART1_SendChar(char ch)
{
    // 等待發(fā)送緩沖區(qū)為空
    while (!(USART1->SR & USART_FLAG_TXE))
        ;

    // 發(fā)送一個字符
    USART_SendData(USART1, ch);
}

int fputc(int ch, FILE *f)
{
    // 將數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送
    USART1_SendChar((char)ch);
    return ch;
}

void delay_ms(uint32_t ms)
{
    while (ms--)
    {
        uint32_t count = 12000;
        while (count--)
            ;
    }
}

int main(void)
{
    float temperature, humidity;

    I2C1_Init();
    USART1_Init();

    SHT30_Init();

    printf("SHT30 Temperature and Humidity Testn");

    while (1)
    {
        SHT30_Measure(&temperature, &humidity);
        printf("Temperature: %.2f°C, Humidity: %.2f%%n", temperature, humidity);

        delay_ms(1000);  // 每隔1秒測量一次溫濕度
    }
}

以上代碼通過I2C總線驅(qū)動STM32F103讀取SHT30溫濕度傳感器的數(shù)據(jù)，并通過USART1串口打印出溫度和濕度值。

代碼設(shè)計流程介紹：

【1】引入頭文件：

#include "stm32f10x.h"
#include "stdio.h"

此處引入了STM32F10x系列微控制器的相關(guān)頭文件以及標(biāo)準(zhǔn)輸入輸出庫的頭文件。

【2】定義宏和函數(shù)：

#define SHT30_ADDR 0x44

定義了SHT30傳感器的I2C地址為0x44。

void I2C1_Init(void);
void I2C1_Start(void);
void I2C1_Stop(void);
void I2C1_WriteByte(uint8_t byte);
uint16_t I2C1_ReadByteAck(void);
uint16_t I2C1_ReadByteNack(void);

定義了一系列用于控制I2C總線的函數(shù)。

void SHT30_Init(void);
void SHT30_Measure(float *temperature, float *humidity);

定義了初始化SHT30傳感器和測量溫濕度的函數(shù)。

void USART1_Init(void);
void USART1_SendChar(char ch);
int fputc(int ch, FILE *f);

定義了初始化USART1串口和發(fā)送字符的函數(shù)，以及重定向標(biāo)準(zhǔn)輸出流的函數(shù)。

void delay_ms(uint32_t ms);

定義了延時函數(shù)，用于在實現(xiàn)中添加延時。

【3】初始化函數(shù)：

void I2C1_Init(void)

該函數(shù)用于初始化I2C1總線和相關(guān)的引腳。使能了I2C1和GPIOB的時鐘，然后配置了I2C1的引腳，包括引腳的速度和模式等。接著對I2C1進行配置，包括模式、占空比、從機地址等參數(shù)，并最后使能I2C1總線。

void USART1_Init(void)

該函數(shù)用于初始化USART1串口和相關(guān)的引腳。使能了USART1和GPIOA的時鐘，然后配置了USART1的引腳，包括引腳的速度和模式等。接著對USART1進行配置，包括波特率、字長、停止位、校驗位等參數(shù)，并最后使能USART1串口。

【4】I2C總線控制函數(shù)：

void I2C1_Start(void)
void I2C1_Stop(void)
void I2C1_WriteByte(uint8_t byte)
uint16_t I2C1_ReadByteAck(void)
uint16_t I2C1_ReadByteNack(void)

這些函數(shù)用于控制I2C總線的起始、停止、寫數(shù)據(jù)和讀數(shù)據(jù)操作。具體實現(xiàn)可以參考STM32的標(biāo)準(zhǔn)庫函數(shù)。

【5】SHT30傳感器初始化和測量函數(shù)：

void SHT30_Init(void)
void SHT30_Measure(float *temperature, float *humidity)

SHT30_Init函數(shù)用于初始化SHT30傳感器。在函數(shù)中，發(fā)送軟件復(fù)位指令給傳感器，然后延時一段時間等待傳感器重置。

SHT30_Measure函數(shù)用于測量溫濕度數(shù)據(jù)。在函數(shù)中，發(fā)送測量指令給傳感器，然后延時等待傳感器完成測量。接著從傳感器讀取溫濕度數(shù)據(jù)，并通過指針參數(shù)返回給主程序。

【6】串口控制函數(shù)：

void USART1_SendChar(char ch)
int fputc(int ch, FILE *f)

USART1_SendChar函數(shù)用于通過USART1串口發(fā)送一個字符。在函數(shù)中，通過輪詢USART狀態(tài)寄存器的空閑標(biāo)志位，判斷發(fā)送緩沖區(qū)是否為空，然后把字符寫入數(shù)據(jù)寄存器進行發(fā)送。

fputc函數(shù)是C庫函數(shù)的重定向函數(shù)，用于將標(biāo)準(zhǔn)輸出的字符發(fā)送到USART1串口。這里對于每個調(diào)用printf函數(shù)輸出的字符，都會通過USART1_SendChar函數(shù)發(fā)送出去。

【7】延時函數(shù)：

void delay_ms(uint32_t ms)

這個函數(shù)用于實現(xiàn)毫秒級的延時。在函數(shù)中，通過循環(huán)等待的方式實現(xiàn)了延時。

【8】主函數(shù)：

int main(void)

在主函數(shù)中，調(diào)用I2C1_Init和USART1_Init函數(shù)初始化I2C總線和USART1串口。然后調(diào)用SHT30_Init函數(shù)初始化SHT30傳感器。

進入主循環(huán)后，通過循環(huán)調(diào)用SHT30_Measure函數(shù)測量溫濕度數(shù)據(jù)，并通過printf函數(shù)打印出來。最后通過delay_ms函數(shù)延時1秒。

4.3 光照傳感器模塊

光照傳感器（如BH1750）通過I2C總線與主控芯片相連，負(fù)責(zé)實時監(jiān)測大棚內(nèi)的光照強度。傳感器模塊將采集到的數(shù)據(jù)傳輸給主控芯片進行處理。

實現(xiàn)代碼如下：

使用STM32標(biāo)準(zhǔn)庫編寫代碼驅(qū)動BH1750讀取環(huán)境光照強度。

#include "stm32f10x.h"
#include "stdio.h"

#define BH1750_ADDR 0x23

void I2C1_Init(void)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    I2C_InitTypeDef I2C_InitStructure;

    // 使能I2C1和GPIOB時鐘
    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_I2C1, ENABLE);
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);

    // I2C1引腳配置
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6 | GPIO_Pin_7;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_OD;  // 開漏輸出
    GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);

    // I2C1配置
    I2C_InitStructure.I2C_Mode = I2C_Mode_I2C;
    I2C_InitStructure.I2C_DutyCycle = I2C_DutyCycle_2;  // 50%占空比
    I2C_InitStructure.I2C_OwnAddress1 = 0x00;          // 主機模式下無效
    I2C_InitStructure.I2C_Ack = I2C_Ack_Disable;        // 禁止應(yīng)答
    I2C_InitStructure.I2C_AcknowledgedAddress = I2C_AcknowledgedAddress_7bit;
    I2C_InitStructure.I2C_ClockSpeed = 100000;  // 100kHz的速度
    I2C_Init(I2C1, &I2C_InitStructure);

    // 使能I2C1
    I2C_Cmd(I2C1, ENABLE);
}

void I2C1_Start(void)
{
    // 發(fā)送起始信號
    I2C_GenerateSTART(I2C1, ENABLE);

    // 等待起始信號發(fā)送完成
    while (!I2C_CheckEvent(I2C1, I2C_EVENT_MASTER_MODE_SELECT))
        ;
}

void I2C1_Stop(void)
{
    // 發(fā)送停止信號
    I2C_GenerateSTOP(I2C1, ENABLE);
}

void I2C1_WriteByte(uint8_t byte)
{
    // 發(fā)送一個字節(jié)的數(shù)據(jù)
    I2C_SendData(I2C1, byte);

    // 等待發(fā)送完成
    while (!I2C_CheckEvent(I2C1, I2C_EVENT_MASTER_BYTE_TRANSMITTED))
        ;
}

uint16_t BH1750_ReadData(void)
{
    uint16_t data = 0;

    // 設(shè)置BH1750模式（連續(xù)高分辨率測量模式）
    I2C1_Start();
    I2C1_WriteByte(BH1750_ADDR);
    I2C1_WriteByte(0x10);
    I2C1_Stop();

    // 延時等待測量結(jié)束
    delay_ms(20);

    // 讀取光照強度數(shù)據(jù)
    I2C1_Start();
    I2C1_WriteByte(BH1750_ADDR | 1);
    data = (I2C_ReceiveData(I2C1) << 8);
    I2C_AcknowledgeConfig(I2C1, DISABLE);
    I2C1_Stop();
    delay_ms(2);
    I2C_AcknowledgeConfig(I2C1, ENABLE);

    I2C1_Start();
    I2C1_WriteByte(BH1750_ADDR | 1);
    data |= I2C_ReceiveData(I2C1);
    I2C1_Stop();

    return data;
}

void USART1_Init(void)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    USART_InitTypeDef USART_InitStructure;

    // 使能USART1和GPIOA時鐘
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1 | RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);

    // USART1引腳配置
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;  // 復(fù)用推挽輸出
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

    // USART1配置
    USART_InitStructure.USART_BaudRate = 115200;  // 波特率為115200
    USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;
    USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;
    USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No;
    USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;
    USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Tx;
    USART_Init(USART1, &USART_InitStructure);

    // 使能USART1
    USART_Cmd(USART1, ENABLE);
}

void USART1_SendChar(char ch)
{
    // 等待發(fā)送緩沖區(qū)為空
    while (!(USART1->SR & USART_FLAG_TXE))
        ;

    // 發(fā)送一個字符
    USART_SendData(USART1, ch);
}

int fputc(int ch, FILE *f)
{
    // 將數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送
    USART1_SendChar((char)ch);
    return ch;
}

void delay_ms(uint32_t ms)
{
    while (ms--)
    {
        uint32_t count = 12000;
        while (count--)
            ;
    }
}

int main(void)
{
    uint16_t lightIntensity;

    I2C1_Init();
    USART1_Init();

    printf("BH1750 Light Intensity Testn");

    while (1)
    {
        lightIntensity = BH1750_ReadData();
        printf("Light Intensity: %d luxn", lightIntensity);

        delay_ms(1000);  // 每隔1秒讀取一次光照強度
    }
}

【1】上面代碼里定義了BH1750的地址BH1750_ADDR為0x23，這是BH1750的默認(rèn)地址。

【2】在I2C1_Init()函數(shù)中，初始化了I2C1總線和相關(guān)的GPIO引腳。通過RCC_APB1PeriphClockCmd和RCC_APB2PeriphClockCmd函數(shù)使能I2C1和GPIOB時鐘，然后配置GPIOB的引腳6和7為開漏輸出模式（GPIO_Mode_AF_OD）。接著，使用I2C_Init函數(shù)初始化I2C1，并設(shè)置其工作模式為I2C_Mode_I2C、占空比為50%、禁止應(yīng)答、7位地址模式以及100kHz的通信速率。最后，通過I2C_Cmd函數(shù)使能I2C1。

【3】I2C1_Start()函數(shù)用于發(fā)送I2C總線的起始信號。調(diào)用I2C_GenerateSTART函數(shù)發(fā)送起始信號，并使用I2C_CheckEvent函數(shù)等待起始信號發(fā)送完成。

【4】I2C1_Stop()函數(shù)用于發(fā)送I2C總線的停止信號。調(diào)用I2C_GenerateSTOP函數(shù)發(fā)送停止信號。

【5】I2C1_WriteByte()函數(shù)用于向I2C設(shè)備發(fā)送一個字節(jié)的數(shù)據(jù)。通過I2C_SendData函數(shù)發(fā)送數(shù)據(jù)，并使用I2C_CheckEvent函數(shù)等待發(fā)送完成。

【6】BH1750_ReadData()函數(shù)用于讀取光照強度數(shù)據(jù)。，發(fā)送啟動測量指令和模式設(shè)置指令（連續(xù)高分辨率測量模式）。然后等待測量結(jié)束的延時時間（20ms）。接著，通過兩次讀取數(shù)據(jù)寄存器的方式獲取光照強度數(shù)據(jù)，并將其拼接為一個16位的無符號整數(shù)。

【7】USART1_Init()函數(shù)用于初始化USART1串口和相關(guān)的GPIO引腳。使用RCC_APB2PeriphClockCmd函數(shù)使能USART1和GPIOA時鐘，然后配置GPIOA的引腳9為復(fù)用推挽輸出模式（GPIO_Mode_AF_PP）。接著，通過USART_Init函數(shù)初始化USART1，并設(shè)置其波特率為115200、數(shù)據(jù)位長度為8位、停止位為1位、無奇偶校驗、無硬件流控制。最后，通過USART_Cmd函數(shù)使能USART1。

【8】USART1_SendChar()函數(shù)用于發(fā)送一個字符到USART1串口。使用USART_SR寄存器的USART_FLAG_TXE標(biāo)志位檢查發(fā)送緩沖區(qū)是否為空，然后通過USART_SendData函數(shù)發(fā)送字符數(shù)據(jù)。

【9】fputc()函數(shù)重定向了輸出流，使得通過printf函數(shù)打印的字符可以發(fā)送到USART1串口。在該函數(shù)中調(diào)用USART1_SendChar函數(shù)發(fā)送字符數(shù)據(jù)，并返回該字符。

【10】delay_ms()函數(shù)用于進行延時，單位為毫秒。該函數(shù)使用嵌套循環(huán)實現(xiàn)了簡單的延時功能，不同的系統(tǒng)時鐘頻率可能需要適當(dāng)調(diào)整。

【11】在main()函數(shù)中，依次調(diào)用I2C1_Init()和USART1_Init()函數(shù)進行初始化操作。然后，通過printf函數(shù)向串口發(fā)送初始信息。

【12】在主循環(huán)中，通過調(diào)用BH1750_ReadData()函數(shù)讀取光照強度數(shù)據(jù)，并使用printf函數(shù)將其打印到串口。然后通過delay_ms函數(shù)進行1秒的延時，等待下一次讀取。

4.4 報警蜂鳴器模塊

報警蜂鳴器通過一個GPIO引腳與主控芯片相連。當(dāng)報警條件滿足時，主控芯片控制該引腳輸出高電平信號，以激活蜂鳴器發(fā)出聲音提示。

使用STM32F103標(biāo)準(zhǔn)庫編寫的蜂鳴器控制代碼：

#include "stm32f10x.h"

#define BEEP_GPIO_PORT GPIOA
#define BEEP_GPIO_PIN  GPIO_Pin_8

void BEEP_Init(void)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

    // 使能GPIOA時鐘
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);

    // 配置蜂鳴器引腳為推挽輸出模式
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = BEEP_GPIO_PIN;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(BEEP_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);
}

void BEEP_On(void)
{
    GPIO_SetBits(BEEP_GPIO_PORT, BEEP_GPIO_PIN);
}

void BEEP_Off(void)
{
    GPIO_ResetBits(BEEP_GPIO_PORT, BEEP_GPIO_PIN);
}

int main(void)
{
    BEEP_Init();

    while (1)
    {
        // 控制蜂鳴器開啟和關(guān)閉
        BEEP_On();
        Delay_ms(500);
        BEEP_Off();
        Delay_ms(500);
    }
}

在代碼中，使用了GPIOA的第8個引腳作為蜂鳴器的控制引腳。BEEP_Init函數(shù)用于初始化蜂鳴器引腳，將其配置為推挽輸出模式。BEEP_On和BEEP_Off函數(shù)分別用于開啟和關(guān)閉蜂鳴器。

在main函數(shù)中，通過循環(huán)控制蜂鳴器以500ms的間隔進行開啟和關(guān)閉操作。

4.5 HC05藍(lán)牙模塊模塊

HC05藍(lán)牙模塊通過串口通信與主控芯片相連，負(fù)責(zé)實現(xiàn)與Android手機APP之間的數(shù)據(jù)傳輸和通信。它接收主控芯片發(fā)送的數(shù)據(jù)，并通過藍(lán)牙與手機APP進行交互。

使用STM32標(biāo)準(zhǔn)庫編寫代碼，用于通過串口2驅(qū)動HC05模塊，并進行配置和數(shù)據(jù)通信：

#include "stm32f10x.h"
#include "stdio.h"

// HC05配置指令
#define AT_CMD_MODE     "AT+CMODE=0rn"     // 配置為從模式
#define AT_CMD_PW       "AT+PSWD=1234rn"   // 配對密碼設(shè)置為1234

// 函數(shù)聲明
void USART2_Init(void);
void USART2_SendChar(char ch);
void USART2_SendString(char* str);
char USART2_Receive(void);

int main(void)
{
    // 初始化USART2串口
    USART2_Init();
    
    // 發(fā)送AT指令配置HC05為從模式
    USART2_SendString(AT_CMD_MODE);
    for(int i = 0; i < 1000000; i++);  // 等待一段時間
    
    // 發(fā)送AT指令配置配對密碼
    USART2_SendString(AT_CMD_PW);
    for(int i = 0; i < 1000000; i++);  // 等待一段時間
    
    while(1)
    {
        // 接收手機發(fā)送的數(shù)據(jù)
        char data = USART2_Receive();
        
        // 處理接收到的數(shù)據(jù)，例如發(fā)送回應(yīng)等
        // ...
    }
}

void USART2_Init(void)
{
    // 使能USART2和GPIOA時鐘
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA | RCC_APB2Periph_AFIO, ENABLE);
    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_USART2, ENABLE);
    
    // 配置USART2的引腳
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_2;             // USART2_TX
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;        // 復(fù)用推挽輸出
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;      // GPIO速度為50MHz
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
    
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_3;             // USART2_RX
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;          // 上拉輸入
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
    
    // 配置USART2的參數(shù)
    USART_InitTypeDef USART_InitStructure;
    USART_InitStructure.USART_BaudRate = 9600;             // 波特率為9600
    USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;     // 數(shù)據(jù)位長度為8位
    USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;           // 停止位為1位
    USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No;              // 無奇偶校驗
    USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;   // 無硬件流控制
    USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx;  // 支持收發(fā)模式
    USART_Init(USART2, &USART_InitStructure);
    
    // 使能USART2
    USART_Cmd(USART2, ENABLE);
}

void USART2_SendChar(char ch)
{
    while (USART_GetFlagStatus(USART2, USART_FLAG_TC) == RESET);  // 等待發(fā)送緩沖區(qū)為空
    USART_SendData(USART2, (uint16_t)ch);  // 發(fā)送數(shù)據(jù)
}

void USART2_SendString(char* str)
{
    while(*str)
    {
        USART2_SendChar(*str++);
    }
}

char USART2_Receive(void)
{
    while (USART_GetFlagStatus(USART2, USART_FLAG_RXNE) == RESET);  // 等待接收緩沖區(qū)非空
    return (char)USART_ReceiveData(USART2);
}

以上代碼通過USART2串口與HC05模塊進行通信，并發(fā)送AT指令對其進行配置。其中，AT_CMD_MODE用于將HC05配置為從模式，AT_CMD_PW用于設(shè)置配對密碼為1234。

代碼設(shè)計思路介紹：

【1】引入頭文件：

#include "stm32f10x.h"
#include "stdio.h"

引入了STM32F10x系列微控制器的相關(guān)頭文件和標(biāo)準(zhǔn)輸入輸出庫的頭文件。

【2】定義宏和函數(shù)：

#define AT_CMD_MODE     "AT+CMODE=0rn"
#define AT_CMD_PW       "AT+PSWD=1234rn"

void USART2_Init(void);
void USART2_SendChar(char ch);
void USART2_SendString(char* str);
char USART2_Receive(void);

定義了用于配置HC05模塊的AT指令，以及用于初始化USART2串口、發(fā)送字符和字符串、接收字符的函數(shù)。

【3】USART2串口初始化函數(shù)：

void USART2_Init(void)

該函數(shù)用于初始化USART2串口和相關(guān)引腳。使能了USART2和GPIOA的時鐘，然后配置了USART2的引腳，包括引腳的模式和速度等。接著對USART2進行配置，設(shè)置波特率、數(shù)據(jù)位長度、停止位、奇偶校驗位等參數(shù)，并最后使能USART2串口。

【4】發(fā)送字符和字符串函數(shù)：

void USART2_SendChar(char ch)
void USART2_SendString(char* str)

這些函數(shù)用于通過USART2串口發(fā)送字符和字符串。對于USART2_SendChar函數(shù)，它會等待發(fā)送緩沖區(qū)為空，然后將字符寫入數(shù)據(jù)寄存器進行發(fā)送。對于USART2_SendString函數(shù)，它會遍歷字符串中的每個字符，并調(diào)用USART2_SendChar函數(shù)進行發(fā)送。

【5】接收字符函數(shù)：

char USART2_Receive(void)

該函數(shù)用于從USART2串口接收一個字符。它會等待接收緩沖區(qū)非空，然后讀取數(shù)據(jù)寄存器的值并返回接收到的字符。此函數(shù)在主循環(huán)中可以用于接收HC05模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)。

【6】主函數(shù)：

int main(void)

在主函數(shù)中，調(diào)用USART2_Init函數(shù)初始化USART2串口。然后使用USART2_SendString函數(shù)依次發(fā)送配置指令AT_CMD_MODE和AT_CMD_PW給HC05模塊。發(fā)送完指令后，通過循環(huán)調(diào)用USART2_Receive函數(shù)接收HC05模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)。

五、調(diào)試過程

在項目設(shè)計完成后，進行測試和調(diào)試是非常重要的，以確保系統(tǒng)的正常運行和功能的有效性。

下面是本項目的測試和調(diào)試過程流程：

5.1 硬件測試

• 檢查硬件組裝和連接是否正確，包括主控芯片STM32F103RCT6、傳感器模塊SHT30和BH1750以及藍(lán)牙模塊HC05的連接。
• 使用示波器或多用途測試儀檢測各個模塊的電源供應(yīng)和信號線連接是否正常。
• 測試溫濕度傳感器(SHT30)和光照強度傳感器(BH1750)是否能夠正確采集環(huán)境數(shù)據(jù)。
• 測試蜂鳴器是否能夠發(fā)出合適的聲音提示。

5.2 固件程序測試

• 在STM32開發(fā)環(huán)境中編譯程序，將固件程序燒錄到主控芯片STM32F103RCT6上。
• 使用串口調(diào)試助手等工具，與STM32建立通信連接，檢查數(shù)據(jù)的傳輸和接收是否正常。
• 對溫濕度傳感器和光照強度傳感器進行數(shù)據(jù)采集測試，觀察是否能夠準(zhǔn)確讀取傳感器數(shù)據(jù)。
• 設(shè)置閾值并測試報警功能，確保報警觸發(fā)條件和報警提示的準(zhǔn)確性。

5.3 Android手機APP測試

• 安裝開發(fā)好的Android手機APP到測試設(shè)備上，確保安裝過程順利。
• 打開APP，并與藍(lán)牙模塊HC05進行連接，觀察是否能夠成功建立通信。
• 測試數(shù)據(jù)的傳輸和接收功能，確保從STM32接收到的數(shù)據(jù)能夠在APP界面上正確顯示。
• 設(shè)置閾值并觸發(fā)報警測試，確認(rèn)報警提示（聲音、震動、彈窗等）是否按照設(shè)定的條件正常工作。

5.4 系統(tǒng)整體測試

• 模擬實際環(huán)境，調(diào)整大棚溫濕度和光照強度，觀察系統(tǒng)是否能夠準(zhǔn)確檢測并顯示環(huán)境參數(shù)。
• 調(diào)整報警閾值，觸發(fā)報警條件，驗證報警提示是否按照預(yù)期工作。
• 進行長時間運行測試，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

六、關(guān)鍵問題討論

6.1 本項目的核心與技術(shù)難點

【1】硬件集成：將主控芯片、傳感器模塊、藍(lán)牙模塊和蜂鳴器等多個硬件模塊進行正確的連接和集成是一個挑戰(zhàn)。需要仔細(xì)設(shè)計電路連接、通信協(xié)議和接口定義，確保各個模塊能夠正常協(xié)同工作。

【2】數(shù)據(jù)處理與算法：在主控芯片的固件程序中，需要對傳感器采集到的數(shù)據(jù)進行處理和分析，判斷是否觸發(fā)報警條件。這可能涉及到數(shù)據(jù)濾波、閾值判定、異常檢測等算法的設(shè)計和實現(xiàn)。

【3】藍(lán)牙通信：與手機APP之間的藍(lán)牙通信是一個難點。需要實現(xiàn)穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)傳輸和通信協(xié)議，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和實時性。

6.2 本項目的實用性

【1】實時監(jiān)測和報警功能：該項目能夠?qū)崟r監(jiān)測大棚內(nèi)的溫度、濕度和光照強度，并在超過設(shè)定閥值時觸發(fā)報警。這對于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者來說非常實用，能夠幫助他們及時發(fā)現(xiàn)問題并采取措施，以保證大棚內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定和作物的健康生長。

【2】遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理：通過與手機APP的藍(lán)牙通信，用戶可以遠(yuǎn)程監(jiān)控大棚內(nèi)的數(shù)據(jù)并進行管理。他們可以隨時查看溫濕度和光照強度的實時數(shù)據(jù)，設(shè)置報警閥值，接收報警通知，并對大棚環(huán)境進行遠(yuǎn)程調(diào)整和控制。

【3】自動化和智能化：該項目利用傳感器和自動化控制技術(shù)，實現(xiàn)了對大棚環(huán)境的智能監(jiān)測和控制。這不僅提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效率和質(zhì)量，還減輕了人工管理的負(fù)擔(dān)，具有較高的實用性和應(yīng)用價值。

6.3 關(guān)鍵點總結(jié)

【1】傳感器選擇和集成：選擇適合的溫濕度傳感器和光照強度傳感器，并合理集成到硬件設(shè)計中。需要考慮傳感器的精度、響應(yīng)速度以及與主控芯片的通信協(xié)議等因素。

【2】數(shù)據(jù)采集和處理算法：設(shè)計合適的數(shù)據(jù)采集和處理算法，確保從傳感器獲取的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，并能夠根據(jù)設(shè)定的閾值判斷是否觸發(fā)報警條件。

【3】報警機制：設(shè)計報警機制，根據(jù)設(shè)定的閾值和實時采集的數(shù)據(jù)進行比較，當(dāng)達(dá)到報警條件時，觸發(fā)報警提示，如聲音、震動或彈窗等方式。

【4】藍(lán)牙通信：確保藍(lán)牙模塊能夠與主控芯片穩(wěn)定通信，并能夠成功傳輸采集的數(shù)據(jù)到Android手機APP上。需要考慮通信的穩(wěn)定性、數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾屎桶踩缘纫蛩亍?/p>

【5】Android手機APP設(shè)計：設(shè)計用戶友好的界面，在手機APP上實時顯示大棚內(nèi)的溫濕度和光照強度數(shù)據(jù)，并提供設(shè)置界面，允許農(nóng)民設(shè)置報警閾值。同時，實現(xiàn)報警提示的功能，保證報警條件的準(zhǔn)確性和報警方式的有效性。

【6】系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性：在測試和調(diào)試階段，需要對整個系統(tǒng)進行全面的測試，包括硬件和軟件的各個模塊，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。同時，考慮到長時間運行的情況，還需進行長時間測試，以驗證系統(tǒng)能夠持續(xù)運行并正常工作。

七、設(shè)計總結(jié)與體會

本項目的目的是設(shè)計實現(xiàn)對農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境的智能監(jiān)測和管理，通過傳感器采集數(shù)據(jù)、主控芯片處理和判斷、藍(lán)牙通信與手機APP交互，以及報警蜂鳴器的控制，實現(xiàn)了對溫度、濕度和光照強度等參數(shù)的實時監(jiān)測和報警功能。

在項目開發(fā)過程中，也遇到了一些挑戰(zhàn)和難點，比如：硬件的連接和集成、數(shù)據(jù)處理算法的設(shè)計和實現(xiàn)，以及與手機APP之間的藍(lán)牙通信。通過細(xì)致的計劃和分工，最終也是成功地克服了這些困難，得以完成了整個系統(tǒng)的開發(fā)。

在實施過程中，深刻認(rèn)識到模塊化設(shè)計的重要性。通過將系統(tǒng)劃分為多個硬件模塊和軟件模塊，能夠更好地管理和調(diào)試每個模塊，并且在需要時進行模塊的替換和升級，提高了系統(tǒng)的可擴展性和可維護性。

在測試階段，也意識到用戶體驗的重要性。通過與潛在用戶的溝通和反饋，不斷優(yōu)化和改進系統(tǒng)的界面設(shè)計和功能實現(xiàn)，力求使用戶能夠輕松使用和管理該系統(tǒng)。這種用戶導(dǎo)向的設(shè)計理念提高了系統(tǒng)的實用性和用戶滿意度。

總的來說，本項目的設(shè)計與實施過程對軟硬件的協(xié)同工作、數(shù)據(jù)處理與算法設(shè)計、用戶體驗等方面有了更深入的理解。通過克服挑戰(zhàn)和不斷優(yōu)化，成功地將智能農(nóng)業(yè)大棚監(jiān)測系統(tǒng)帶入實際應(yīng)用，并為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者提供了一種方便、高效且可靠的解決方案。相信隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，智慧農(nóng)業(yè)將在未來發(fā)揮更大的作用，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來更多的創(chuàng)新和改進。