基于STM32的智能粮仓系统设计

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DS小龙哥 发表于 2023/06/27 09:11:21 2023/06/27
【摘要】 本项目选择STM32F103RCT6作为主控芯片，采用DHT11温湿度传感器和MQ9可燃气体检测模块进行数据采集，在本地利用显示屏实时显示出来。WiFi模块则用于与手机端实现数据通信和远程控制，方便用户随时了解粮仓环境状况并进行相应的操作。同时，通过连接继电器控制通风风扇和蜂鸣器报警，实现了智能化的温湿度检测和可燃气体浓度检测。

一、项目背景

随着粮食质量要求的提高和储存方式的改变，对于粮仓环境的监测和控制也愈发重要。在过去的传统管理中，通风、防潮等操作需要定期人工进行，精度和效率都较低。而利用嵌入式技术和智能控制算法进行监测和控制，不仅能够实时掌握环境变化，还可以快速做出响应。

本项目选择STM32F103RCT6作为主控芯片，采用DHT11温湿度传感器和MQ9可燃气体检测模块进行数据采集，在本地利用显示屏实时显示出来。WiFi模块则用于与手机端实现数据通信和远程控制，方便用户随时了解粮仓环境状况并进行相应的操作。同时，通过连接继电器控制通风风扇和蜂鸣器报警，实现了智能化的温湿度检测和可燃气体浓度检测。

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二、硬件选型

【1】主控芯片：STM32F103RCT6，这款芯片具有较高性能、低功耗等特点。

【2】温湿度传感器：DHT11，DHT11是一种数字温湿度传感器，价格便宜。

【3】可燃气体检测模块：MQ9模块，MQ9模块对多种可燃气体具有敏感性，可以精确检测可燃气体浓度。

【4】通风风扇：选择直流电机作为通风风扇，使用继电器进行控制。

【5】WiFi模块：ESP8266，ESP8266是一种低成本的高性能WiFi模块，支持TCP/UDP协议。

【6】显示屏：采用7针引脚的OLED显示屏，SPI接口，分辨率128x64，用于显示当前温度、湿度、可燃气体浓度。

三、设计思路

【1】硬件层

通过STM32F103RCT6控制DHT11和MQ9等模块进行数据采集。在采集到温湿度和可燃气体浓度数据之后，对其进行处理，并判断是否超过了设定的阈值范围。如果超过了阈值，就控制继电器打开风扇，并通过蜂鸣器声音报警。

ESP8266 WiFi模块用于与手机端进行通信。ESP8266被配置成AP+TCP服务器模式，通过向服务器发送指令，实现远程控制风扇及设置相应阈值等操作，并能实时接收粮仓环境状况信息。

【2】软件层

STM32的控制程序使用C语言编写，采用keil软件进行整体项目开发，对外设进行控制并实现数据采集和智能控制。主要分为采集数据、处理数据、数据显示、控制继电器和蜂鸣器等功能模块。

手机APP采用Qt框架开发，实现对应数据界面显示和逻辑操作，能够实时显示和控制粮仓内部的温湿度和可燃气体浓度，并能够对风扇进行控制。同时，APP界面提供了设置选项，允许用户设置报警阈值参数。

四、代码设计

【1】DHT11采集温湿度

DHT11是一种数字温湿度传感器，能够通过单总线接口输出当前环境下的温度和相对湿度。它由测量模块及处理电路组成，具有体积小、成本低、响应时间快等特点，被广泛应用于各种环境监测和自动控制系统中。

下面代码是通过STM32F103RCT6采集DHT11温湿度数据通过串口打印输出（使用HAL库）：

 #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); // 读取DHT11数据
     printf("Temperature: %s C, Humidity: %s %%\r\n", temp, humi); // 打印温湿度数据
     HAL_Delay(2000); // 延时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上面代码里，使用了DHT11读取函数DHT11_Read_Data()，该函数返回温度值和湿度值，并将其转换为字符串形式。通过串口与电脑连接后，可以使用串口调试软件来查看STM32采集到的温湿度数据。

【2】采集MQ9有毒气气体

MQ9是一种可燃气体传感器，可以检测空气中的多种可燃气体，例如甲烷、丙烷、丁烷等。它的工作原理是通过加热敏感元件，使其产生一个电阻变化，从而实现检测目标气体的浓度。MQ9具有高灵敏度、快速响应和稳定性好等特点，广泛应用于火灾报警、室内空气质量监测、工业生产等领域。需要注意的是，MQ9只能检测可燃气体，不能检测其他气体，如二氧化碳、氧气等。

下面代码是通过STM32F103RCT6采集MQ9可燃气体转为浓度通过串口打印（使用HAL库）：

 #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); // 启动ADC转换
     if (HAL_ADC_PollForConversion(&hadc1, 100) == HAL_OK) // 等待转换完成
     {
       adc_value = HAL_ADC_GetValue(&hadc1); // 获取原始ADC值
       voltage = (float)adc_value * 3.3f / 4096.0f; // 转换为电压值
       concentration = (float)(2.5f - voltage) / 0.2f; // 根据MQ9传感器曲线计算浓度值
       sprintf(buffer, "Concentration: %.2f %%\r\n", concentration); // 将浓度值转换为字符串
       printf("%s", buffer); // 通过串口打印浓度值
     }
     HAL_ADC_Stop(&hadc1); // 停止ADC转换
     HAL_Delay(2000); // 延时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);
   }
 }

上面代码里，通过ADC采集MQ9可燃气体浓度。由于MQ9传感器的输出信号与浓度值之间不是线性关系，需要根据其曲线进行计算，将电压转换为浓度值。

在这里，采用了简单的公式：Concentration=(2.5−V)/0.2

其中V为MQ9传感器输出的电压值，Concentration为可燃气体浓度。在主函数里，先调用MX_ADC1_Init()函数中初始化ADC，将输入通道设置为PA5（也就是ADC_CHANNEL_5）。

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