【RT-Thread作品秀】基于stm32F407與RT-thread的問了智能水培系統(tǒng)

作者：liyutan0831

概述

本產(chǎn)品著眼于城市家用的智能水培領(lǐng)域，是現(xiàn)代家庭園藝的一部分，隨著人 們生活水平質(zhì)量的提高，對(duì)綠色健康生活方式的重視，原來越多的人開始關(guān) 注家庭園藝，愿意通過在家種植花卉，多肉等觀賞植物或蔬菜類作物，特別 是今年疫情期間造成的出行不便問題，讓更多人傾向于嘗試在家中種植，方 便收獲純綠色無污染的蔬菜。我們?cè)O(shè)計(jì)的這一款智能水培機(jī)是一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)智 能終端，通過云平臺(tái)的輔助降低家用水培的門檻，兼顧靈活性和自動(dòng)化，方 便省時(shí)的讓用戶收獲到家庭水培的樂趣。

可 以在 APP 端一鍵自動(dòng)進(jìn)行植物的種植并全程監(jiān)測(cè)，也支持用戶通過硬件按鈕 或 APP 端手動(dòng)對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制，探索屬于自己的種植習(xí)慣，方式并可以通過 云平臺(tái)，存儲(chǔ)自己的種植規(guī)程并分享，也可以直接應(yīng)用別人的規(guī)程數(shù)據(jù)完成 數(shù)據(jù)的快速共享。

開發(fā)環(huán)境

硬件：STM32F407ZGT6

RT-Thread版本：RTT Nano

開發(fā)工具及版本：KEIL 5

RT-Thread使用情況概述

本項(xiàng)目采用RTT nano版本組件，對(duì)各任務(wù)（傳感器數(shù)據(jù)獲取，LORA收發(fā)，WIFI模塊收發(fā)即與云平臺(tái)的通信，各控制功能任務(wù)）封裝成獨(dú)立的線程，所用的RTT 內(nèi)核主要為控制線程間同步的信號(hào)量與事件集，以控制部分的打氧功能為例，該功能需要輸入?yún)?shù)為云平臺(tái)通過WIFI通信部分線程傳來的打氧時(shí)間與打氧間隔2個(gè)參數(shù)。因此采用一個(gè)多個(gè)事件的喚醒事件集來實(shí)現(xiàn)該線程所對(duì)應(yīng)的的控制功能的觸發(fā)。該方法同樣適合需要參數(shù)輸入的營(yíng)養(yǎng)液控制，光照控制，加濕等。同時(shí)項(xiàng)目也采取信號(hào)量協(xié)助線程間同步。主要用于WIFI通信收發(fā)（tx,rx）間的同步。此外，還采用的中斷的方式相應(yīng)開發(fā)板的按鍵觸發(fā)，用于通過按鍵切換主機(jī)與從機(jī)模式。

硬件框架

 主控芯片與 RT-thread

本項(xiàng)目采用的芯片為 stm32F407ZGT6,使用 HAL 庫(kù)編寫，搭載 RT-thread nano 嵌 入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。有效而可靠的保證了系統(tǒng)運(yùn)行并行性和效率，采用事件集 event，信號(hào)量 semaphore 等實(shí)現(xiàn)線程之間的同步協(xié)調(diào)以及通信，充分發(fā)揮實(shí)時(shí)操 作系統(tǒng)與 stm32F407 的優(yōu)勢(shì)。在芯片的資源利用上，采用了 IO 高低電平輸出控 制繼電器，PWM 輸出控制電機(jī)驅(qū)動(dòng) L298N 模塊，串口 2 通過 AT 指令控制 WIFI 模塊通信.

傳感層搭建

作為一個(gè)有關(guān)植物種植的智慧物聯(lián)網(wǎng)終端，基于環(huán)境監(jiān)測(cè)，報(bào)警系統(tǒng)的需要，整 個(gè)項(xiàng)目配備豐富完善的傳感層，具體使用到的傳感器如下。 1. 水溫監(jiān)測(cè)：采用 ds18b20 模塊，單總線輸出，由 IO 口按照工作時(shí)序讀取數(shù)據(jù)。 2. 空氣（環(huán)境）溫度，濕度監(jiān)測(cè)：采用 DHT11 模塊，單總線輸出，采用 stm32 單片機(jī) IO 口按照規(guī)定時(shí)序讀出數(shù)據(jù)。 3. EC 值檢測(cè)，采用模擬量輸出的 EC 值變送器，經(jīng)過 stm32 ADC 模塊轉(zhuǎn)換后變 為具體數(shù)值。 4. PH 值檢測(cè)，同樣采用模擬量輸出的，經(jīng)過 stm32 ADC 模塊轉(zhuǎn)化為具體數(shù)值。 5. 光敏模塊，水位模塊與濁度模塊。三者均采用數(shù)字開關(guān)量輸出，其中光敏， 濁度模塊默認(rèn)輸出高電平，測(cè)量量到達(dá)閾值后輸出低電平。水位模塊反之。 2.2控制部分搭建

為了按照規(guī)程要求，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程水培的自動(dòng)與手動(dòng)控制，具體使用的執(zhí)行器如下。 1，光照部分。采用 12V LED 三色燈帶，有紅，藍(lán)，白三色 ，由 stm32 GPIO 輸 出高低電平進(jìn)行控制。 2，加濕和打氧部分。出于對(duì)濕度控制和保證植物水面以上濕潤(rùn)的要求，采用 24 伏供電，塑料加濕片的浸入式加濕器來控制。同樣為了保證營(yíng)養(yǎng)液含氧量。打氧 氧泵采用 12V 供電。 3，電機(jī)控制，營(yíng)養(yǎng)液控制。營(yíng)養(yǎng)液控制采用 12V 蠕動(dòng)泵和小型水泵。分別對(duì) EC 值，PH 值兩大溶液參數(shù)進(jìn)行控制。對(duì)于 EC 值，通過蠕動(dòng)泵泵入調(diào)制好的營(yíng)養(yǎng) 液的方式來增加溶液 EC 只，通過兩只中等功率，12V 供電水泵來同步換水，抽 出營(yíng)養(yǎng)液，并注入等量清水。PH 值則直接采用兩只蠕動(dòng)泵加入酸液堿液控制。 兩個(gè)營(yíng)養(yǎng)液參數(shù)均采取位式調(diào)發(fā)，小步長(zhǎng)，長(zhǎng)滯回來應(yīng)對(duì)營(yíng)養(yǎng)液參數(shù)變化的較長(zhǎng) 滯回時(shí)間。其中 PH 由與調(diào)節(jié)中涉及化學(xué)變化調(diào)解初期會(huì)有較大浮動(dòng)，整體調(diào)解 時(shí)間在 30—40 分鐘左右，由于水培的種植周期長(zhǎng)達(dá)幾個(gè)月且自動(dòng)模式下只需要 兩次營(yíng)養(yǎng)液調(diào)整，其他均為范圍維持，因此該調(diào)節(jié)時(shí)間可以接受。

通信部分 通信部分采用 ESP8266-01 模塊和 MQTT 指令，MQTT 是一種輕量級(jí)高效的，適 用于物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議，設(shè)備側(cè)向平臺(tái)側(cè)上傳傳感器數(shù)據(jù)，報(bào)警值，設(shè)備狀態(tài)等， 同時(shí)從云平臺(tái)獲取來自 APP 客戶端的指令。同時(shí)為了減小下發(fā)指令數(shù)目減少遺 漏，在指令端自擬協(xié)議打包下發(fā)，確保設(shè)備高效穩(wěn)定的通信。

軟件框架說明

整體代碼分為三大部分，控制，傳感與通信。將WIFI通信，LORA串口三通信，控制部分（光照，打氧，營(yíng)養(yǎng)液控制等，用到的嵌入式技術(shù)為PWM波的輸出和IO口繼電器控制），傳感器獲取部分（ADC模擬量輸出獲取，單總線獲取等）的任務(wù)各自包裝成線程處理。各線程獨(dú)立運(yùn)行，并合理調(diào)用保持正確的線程間同步與通信。

具體而言，代碼功能的執(zhí)行順序如下

對(duì)于主機(jī)模式，從云端即APP處通過WIFI 8266模塊來獲取控制指令指導(dǎo)控制，其中加濕打氧通過設(shè)計(jì)的外部參數(shù)控制（加濕時(shí)間，加濕間隔，打氧時(shí)間，打氧間隔）。營(yíng)養(yǎng)液通過設(shè)定的目標(biāo)EC,PH值以及PH，EC傳感器檢測(cè)到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)來控制，光照部分控制的主要依據(jù)是DS1302實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊提供的年月日參數(shù)，已實(shí)現(xiàn)不同生長(zhǎng)周期的判斷。主機(jī)模式在接收指令并進(jìn)行控制外，同時(shí)通過LORA多點(diǎn)通信模塊轉(zhuǎn)發(fā)指令數(shù)據(jù)，以廣播的形式向各個(gè)從機(jī)發(fā)送。在按下開發(fā)板上按鍵后。切換為從機(jī)模式，此時(shí)關(guān)閉WIFI發(fā)送以及WIFI接收，改為通過LORA串口3接收主機(jī)發(fā)來的信號(hào)。因此可實(shí)現(xiàn)一主多從，動(dòng)一發(fā)牽全身的效果。因此擴(kuò)大了種植量。

軟件模塊說明

通信部分：通過ESP8266 AT指令連接云平臺(tái)，進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)。

各傳感器部分，其中EC,PH采用ADC進(jìn)行模擬量的轉(zhuǎn)換，溫度和溫濕度采取單總線的方式，統(tǒng)一傳到結(jié)構(gòu)體中上傳。

結(jié)合DS1302的 時(shí)間判斷部分，包括晝夜判斷，生長(zhǎng)周期判斷等。

基于事件集的光照控制。

演示效果

代碼地址在附件

比賽感悟

通過此次競(jìng)賽，我們體會(huì)到了 stm32F407 系列單片機(jī)作為主控的強(qiáng)大處理能 力，與之前項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)中使用的 F1 系列相比，內(nèi)部資源更多，接口更豐富，運(yùn)算 速度更快，更適合操作系統(tǒng) RTOS 或其他大體量的工程。此次采用的 HAL 庫(kù)相 比標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)具有更好的可移植性。同時(shí)，我們通過這個(gè)機(jī)會(huì)，第一次在嵌入式項(xiàng)目 中應(yīng)用 RTT 的操作系統(tǒng)，系統(tǒng)的了解了多線程運(yùn)行的啟動(dòng)過程，優(yōu)先級(jí)管理， 線程間同步，通信等多種有關(guān)嵌入式操作系統(tǒng)的相關(guān)知識(shí)。盡管在項(xiàng)目構(gòu)思設(shè)計(jì)， 功能實(shí)現(xiàn)與調(diào)試時(shí)出現(xiàn)過很多問題與挑戰(zhàn)，但是總體上，我們?cè)诖舜蝹鋺?zhàn)過程中 收獲頗豐。