基于STM32的智能糧倉(cāng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

一、項(xiàng)目背景

隨著糧食質(zhì)量要求的提高和儲(chǔ)存方式的改變，對(duì)于糧倉(cāng)環(huán)境的監(jiān)測(cè)和控制也愈發(fā)重要。在過(guò)去的傳統(tǒng)管理中，通風(fēng)、防潮等操作需要定期人工進(jìn)行，精度和效率都較低。而利用嵌入式技術(shù)和智能控制算法進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制，不僅能夠?qū)崟r(shí)掌握環(huán)境變化，還可以快速做出響應(yīng)。

本項(xiàng)目選擇STM32F103RCT6作為主控芯片，采用DHT11溫濕度傳感器和MQ9可燃?xì)怏w檢測(cè)模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，在本地利用顯示屏實(shí)時(shí)顯示出來(lái)。WiFi模塊則用于與手機(jī)端實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信和遠(yuǎn)程控制，方便用戶隨時(shí)了解糧倉(cāng)環(huán)境狀況并進(jìn)行相應(yīng)的操作。同時(shí)，通過(guò)連接繼電器控制通風(fēng)風(fēng)扇和蜂鳴器報(bào)警，實(shí)現(xiàn)了智能化的溫濕度檢測(cè)和可燃?xì)怏w濃度檢測(cè)。

二、硬件選型

【1】主控芯片：STM32F103RCT6，這款芯片具有較高性能、低功耗等特點(diǎn)。

【2】溫濕度傳感器：DHT11，DHT11是一種數(shù)字溫濕度傳感器，價(jià)格便宜。

【3】可燃?xì)怏w檢測(cè)模塊：MQ9模塊，MQ9模塊對(duì)多種可燃?xì)怏w具有敏感性，可以精確檢測(cè)可燃?xì)怏w濃度。

【4】通風(fēng)風(fēng)扇：選擇直流電機(jī)作為通風(fēng)風(fēng)扇，使用繼電器進(jìn)行控制。

【5】WiFi模塊：ESP8266，ESP8266是一種低成本的高性能WiFi模塊，支持TCP/UDP協(xié)議。

【6】顯示屏：采用7針引腳的OLED顯示屏，SPI接口，分辨率128x64，用于顯示當(dāng)前溫度、濕度、可燃?xì)怏w濃度。

三、設(shè)計(jì)思路

【1】硬件層

通過(guò)STM32F103RCT6控制DHT11和MQ9等模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。在采集到溫濕度和可燃?xì)怏w濃度數(shù)據(jù)之后，對(duì)其進(jìn)行處理，并判斷是否超過(guò)了設(shè)定的閾值范圍。如果超過(guò)了閾值，就控制繼電器打開(kāi)風(fēng)扇，并通過(guò)蜂鳴器聲音報(bào)警。

ESP8266 WiFi模塊用于與手機(jī)端進(jìn)行通信。ESP8266被配置成AP+TCP服務(wù)器模式，通過(guò)向服務(wù)器發(fā)送指令，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制風(fēng)扇及設(shè)置相應(yīng)閾值等操作，并能實(shí)時(shí)接收糧倉(cāng)環(huán)境狀況信息。

【2】軟件層

STM32的控制程序使用C語(yǔ)言編寫(xiě)，采用keil軟件進(jìn)行整體項(xiàng)目開(kāi)發(fā)，對(duì)外設(shè)進(jìn)行控制并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和智能控制。主要分為采集數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)顯示、控制繼電器和蜂鳴器等功能模塊。

手機(jī)APP采用Qt框架開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)界面顯示和邏輯操作，能夠?qū)崟r(shí)顯示和控制糧倉(cāng)內(nèi)部的溫濕度和可燃?xì)怏w濃度，并能夠?qū)︼L(fēng)扇進(jìn)行控制。同時(shí)，APP界面提供了設(shè)置選項(xiàng)，允許用戶設(shè)置報(bào)警閾值參數(shù)。

四、代碼設(shè)計(jì)

【1】DHT11采集溫濕度

DHT11是一種數(shù)字溫濕度傳感器，能夠通過(guò)單總線接口輸出當(dāng)前環(huán)境下的溫度和相對(duì)濕度。它由測(cè)量模塊及處理電路組成，具有體積小、成本低、響應(yīng)時(shí)間快等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各種環(huán)境監(jiān)測(cè)和自動(dòng)控制系統(tǒng)中。

下面代碼是通過(guò)STM32F103RCT6采集DHT11溫濕度數(shù)據(jù)通過(guò)串口打印輸出（使用HAL庫(kù)）：

#include "main.h"
#include "dht11.h"

UART_HandleTypeDef huart1;

void SystemClock_Config(void);
static void MX_GPIO_Init(void);
static void MX_USART1_UART_Init(void);

int main(void)
{
  HAL_Init();
  SystemClock_Config();
  MX_GPIO_Init();
  MX_USART1_UART_Init();

  char temp[20];
  char humi[20];
  while (1)
  {
    DHT11_Read_Data(temp, humi); // 讀取DHT11數(shù)據(jù)
    printf("Temperature: %s C, Humidity: %s %%rn", temp, humi); // 打印溫濕度數(shù)據(jù)
    HAL_Delay(2000); // 延時(shí)2秒
  }
}

void SystemClock_Config(void)
{
  RCC_OscInitTypeDef RCC_OscInitStruct;
  RCC_ClkInitTypeDef RCC_ClkInitStruct;

  RCC_OscInitStruct.OscillatorType = RCC_OSCILLATORTYPE_HSE;
  RCC_OscInitStruct.HSEState = RCC_HSE_ON;
  RCC_OscInitStruct.HSEPredivValue = RCC_HSE_PREDIV_DIV1;
  RCC_OscInitStruct.HSIState = RCC_HSI_OFF;
  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLState = RCC_PLL_ON;
  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLSource = RCC_PLLSOURCE_HSE;
  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLMUL = RCC_PLL_MUL9;
  if (HAL_RCC_OscConfig(&RCC_OscInitStruct) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }
  RCC_ClkInitStruct.ClockType = RCC_CLOCKTYPE_HCLK | RCC_CLOCKTYPE_SYSCLK | RCC_CLOCKTYPE_PCLK1 | RCC_CLOCKTYPE_PCLK2;
  RCC_ClkInitStruct.SYSCLKSource = RCC_SYSCLKSOURCE_PLLCLK;
  RCC_ClkInitStruct.AHBCLKDivider = RCC_SYSCLK_DIV1;
  RCC_ClkInitStruct.APB1CLKDivider = RCC_HCLK_DIV2;
  RCC_ClkInitStruct.APB2CLKDivider = RCC_HCLK_DIV1;
  if (HAL_RCC_ClockConfig(&RCC_ClkInitStruct, FLASH_LATENCY_2) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }
}

static void MX_USART1_UART_Init(void)
{
  huart1.Instance = USART1;
  huart1.Init.BaudRate = 115200;
  huart1.Init.WordLength = UART_WORDLENGTH_8B;
  huart1.Init.StopBits = UART_STOPBITS_1;
  huart1.Init.Parity = UART_PARITY_NONE;
  huart1.Init.Mode = UART_MODE_TX_RX;
  huart1.Init.HwFlowCtl = UART_HWCONTROL_NONE;
  huart1.Init.OverSampling = UART_OVERSAMPLING_16;
  if (HAL_UART_Init(&huart1) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }
}

void Error_Handler(void)
{
  __disable_irq();
  while (1)
  {
  }
}

static void MX_GPIO_Init(void)
{
  GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;

  /* GPIO Ports Clock Enable */
  __HAL_RCC_GPIOC_CLK_ENABLE();
  __HAL_RCC_GPIOD_CLK_ENABLE();
  __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();
  __HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE();

  /*Configure GPIO pin Output Level */
  HAL_GPIO_WritePin(GPIOC, GPIO_PIN_13, GPIO_PIN_RESET);

  /*Configure GPIO pin : PC13 */
  GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_13;
  GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
  GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW;
  HAL_GPIO_Init(GPIOC, &GPIO_InitStruct);
}

void HAL_UART_MspInit(UART_HandleTypeDef *uartHandle)
{
  GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
  if (uartHandle->Instance == USART1)
  {
    /* Peripheral clock enable */
    __HAL_RCC_USART1_CLK_ENABLE();
    __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();

    /**USART1 GPIO Configuration    
     PA9     ------> USART1_TX
     PA10     ------> USART1_RX 
     */
    GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_9 | GPIO_PIN_10;
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_PP;
    GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
    HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);
  }
}

void HAL_UART_MspDeInit(UART_HandleTypeDef *uartHandle)
{
  if (uartHandle->Instance == USART1)
  {
    /* Peripheral clock disable */
    __HAL_RCC_USART1_CLK_DISABLE();

    /**USART1 GPIO Configuration    
     PA9     ------> USART1_TX
     PA10     ------> USART1_RX 
     */
    HAL_GPIO_DeInit(GPIOA, GPIO_PIN_9 | GPIO_PIN_10);
  }
}

s上面代碼里，使用了DHT11讀取函數(shù)DHT11_Read_Data()，該函數(shù)返回溫度值和濕度值，并將其轉(zhuǎn)換為字符串形式。通過(guò)串口與電腦連接后，可以使用串口調(diào)試軟件來(lái)查看STM32采集到的溫濕度數(shù)據(jù)。

【2】采集MQ9有毒氣氣體

MQ9是一種可燃?xì)怏w傳感器，可以檢測(cè)空氣中的多種可燃?xì)怏w，例如甲烷、丙烷、丁烷等。它的工作原理是通過(guò)加熱敏感元件，使其產(chǎn)生一個(gè)電阻變化，從而實(shí)現(xiàn)檢測(cè)目標(biāo)氣體的濃度。MQ9具有高靈敏度、快速響應(yīng)和穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于火災(zāi)報(bào)警、室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)、工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域。需要注意的是，MQ9只能檢測(cè)可燃?xì)怏w，不能檢測(cè)其他氣體，如二氧化碳、氧氣等。

下面代碼是通過(guò)STM32F103RCT6采集MQ9可燃?xì)怏w轉(zhuǎn)為濃度通過(guò)串口打?。ㄊ褂肏AL庫(kù)）：

#include "main.h"

UART_HandleTypeDef huart1;
ADC_HandleTypeDef hadc1;

void SystemClock_Config(void);
static void MX_GPIO_Init(void);
static void MX_USART1_UART_Init(void);
static void MX_ADC1_Init(void);

int main(void)
{
  HAL_Init();
  SystemClock_Config();
  MX_GPIO_Init();
  MX_USART1_UART_Init();
  MX_ADC1_Init();

  uint16_t adc_value;
  float voltage;
  float concentration;
  char buffer[20];

  while (1)
  {
    HAL_ADC_Start(&hadc1); // 啟動(dòng)ADC轉(zhuǎn)換
    if (HAL_ADC_PollForConversion(&hadc1, 100) == HAL_OK) // 等待轉(zhuǎn)換完成
    {
      adc_value = HAL_ADC_GetValue(&hadc1); // 獲取原始ADC值
      voltage = (float)adc_value * 3.3f / 4096.0f; // 轉(zhuǎn)換為電壓值
      concentration = (float)(2.5f - voltage) / 0.2f; // 根據(jù)MQ9傳感器曲線計(jì)算濃度值
      sprintf(buffer, "Concentration: %.2f %%rn", concentration); // 將濃度值轉(zhuǎn)換為字符串
      printf("%s", buffer); // 通過(guò)串口打印濃度值
    }
    HAL_ADC_Stop(&hadc1); // 停止ADC轉(zhuǎn)換
    HAL_Delay(2000); // 延時(shí)2秒
  }
}

void SystemClock_Config(void)
{
  RCC_OscInitTypeDef RCC_OscInitStruct;
  RCC_ClkInitTypeDef RCC_ClkInitStruct;

  RCC_OscInitStruct.OscillatorType = RCC_OSCILLATORTYPE_HSE;
  RCC_OscInitStruct.HSEState = RCC_HSE_ON;
  RCC_OscInitStruct.HSEPredivValue = RCC_HSE_PREDIV_DIV1;
  RCC_OscInitStruct.HSIState = RCC_HSI_OFF;
  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLState = RCC_PLL_ON;
  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLSource = RCC_PLLSOURCE_HSE;
  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLMUL = RCC_PLL_MUL9;
  if (HAL_RCC_OscConfig(&RCC_OscInitStruct) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }
  RCC_ClkInitStruct.ClockType = RCC_CLOCKTYPE_HCLK | RCC_CLOCKTYPE_SYSCLK | RCC_CLOCKTYPE_PCLK1 | RCC_CLOCKTYPE_PCLK2;
  RCC_ClkInitStruct.SYSCLKSource = RCC_SYSCLKSOURCE_PLLCLK;
  RCC_ClkInitStruct.AHBCLKDivider = RCC_SYSCLK_DIV1;
  RCC_ClkInitStruct.APB1CLKDivider = RCC_HCLK_DIV2;
  RCC_ClkInitStruct.APB2CLKDivider = RCC_HCLK_DIV1;
  if (HAL_RCC_ClockConfig(&RCC_ClkInitStruct, FLASH_LATENCY_2) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }
}

static void MX_ADC1_Init(void)
{
  ADC_ChannelConfTypeDef sConfig;

  hadc1.Instance = ADC1;
  hadc1.Init.ScanConvMode = DISABLE;
  hadc1.Init.ContinuousConvMode = DISABLE;
  hadc1.Init.DiscontinuousConvMode = DISABLE;
  hadc1.Init.ExternalTrigConv = ADC_SOFTWARE_START;
  hadc1.Init.DataAlign = ADC_DATAALIGN_RIGHT;
  hadc1.Init.NbrOfConversion = 1;
  if (HAL_ADC_Init(&hadc1) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }
  sConfig.Channel = ADC_CHANNEL_5;
  sConfig.Rank = ADC_REGULAR_RANK_1;
  sConfig.SamplingTime = ADC_SAMPLETIME_55CYCLES5;
  if (HAL_ADC_ConfigChannel(&hadc1, &sConfig) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }
}

static void MX_USART1_UART_Init(void)
{
  huart1.Instance = USART1;
  huart1.Init.BaudRate = 115200;
  huart1.Init.WordLength = UART_WORDLENGTH_8B;
  huart1.Init.StopBits = UART_STOPBITS_1;
  huart1.Init.Parity = UART_PARITY_NONE;
  huart1.Init.Mode = UART_MODE_TX_RX;
  huart1.Init.HwFlowCtl = UART_HWCONTROL_NONE;
  huart1.Init.OverSampling = UART_OVERSAMPLING_16;
  if (HAL_UART_Init(&huart1) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }
}

void Error_Handler(void)
{
  __disable_irq();
  while (1)
  {
  }
}

static void MX_GPIO_Init(void)
{
  GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;

  /* GPIO Ports Clock Enable */
  __HAL_RCC_GPIOC_CLK_ENABLE();
  __HAL_RCC_GPIOD_CLK_ENABLE();
  __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();
  __HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE();

  /*Configure GPIO pin Output Level */
  HAL_GPIO_WritePin(GPIOC, GPIO_PIN_13, GPIO_PIN_RESET);

  /*Configure GPIO pin : PC13 */
  GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_13;
  GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
  GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW;
  HAL_GPIO_Init(GPIOC, &GPIO_InitStruct);
}

void HAL_UART_MspInit(UART_HandleTypeDef *uartHandle)
{
  GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
  if (uartHandle->Instance == USART1)
  {
    /* Peripheral clock enable */
    __HAL_RCC_USART1_CLK_ENABLE();
    __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();

    /**USART1 GPIO Configuration    
     PA9     ------> USART1_TX
     PA10     ------> USART1_RX 
     */
    GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_9 | GPIO_PIN_10;
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_PP;
    GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
    HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);
  }
}

void HAL_UART_MspDeInit(UART_HandleTypeDef *uartHandle)
{
  if (uartHandle->Instance == USART1)
  {
    /* Peripheral clock disable */
    __HAL_RCC_USART1_CLK_DISABLE();

    /**USART1 GPIO Configuration    
     PA9     ------> USART1_TX
     PA10     ------> USART1_RX 
     */
    HAL_GPIO_DeInit(GPIOA, GPIO_PIN_9 | GPIO_PIN_10);
  }
}

上面代碼里，通過(guò)ADC采集MQ9可燃?xì)怏w濃度。由于MQ9傳感器的輸出信號(hào)與濃度值之間不是線性關(guān)系，需要根據(jù)其曲線進(jìn)行計(jì)算，將電壓轉(zhuǎn)換為濃度值。

在這里，采用了簡(jiǎn)單的公式：Concentration=(2.5?V)/0.2

其中V為MQ9傳感器輸出的電壓值，Concentration為可燃?xì)怏w濃度。在主函數(shù)里，先調(diào)用MX_ADC1_Init()函數(shù)中初始化ADC，將輸入通道設(shè)置為PA5（也就是ADC_CHANNEL_5）。