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基于水培的智能农业系统 - 技术文档

1. 系统概述

基于水培的智能农业系统是一套完整的智能监控与控制系统，通过ESP32采集环境数据，STM32控制执行设备，并通过Web前端实现远程监控和控制。系统实现了农业生长环境的智能化管理，提高了农作物产量和质量，降低了人工管理成本。

2. 系统架构

2.1 总体架构

系统由三大部分组成：

  • 数据采集端：由ESP32单片机负责，连接各类传感器，采集环境数据
  • 控制执行端：由STM32单片机负责，控制水泵、灯光、风扇等执行设备
  • 用户交互端：Web前端界面，用于数据可视化和远程控制
graph TD
    subgraph 数据采集端
        A[ESP32] --- A1[摄像头]
        A --- A2[传感器数据接收]
    end
    
    subgraph 控制执行端
        B[STM32] --- B1[温湿度传感器]
        B --- B2[光照传感器]
        B --- B3[水位传感器]
        B --- B4[水泵控制]
        B --- B5[风扇控制]
        B --- B6[排气扇控制]
        B --- B7[OLED显示]
    end
    
    subgraph 用户交互端
        C[Web前端] --- C1[数据可视化]
        C --- C2[远程控制]
        C --- C3[视频监控]
    end
    
    A <--串口通信--> B
    A <--MQTT/TLS--> D[MQTT服务器]
    D <--WebSocket--> C
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2.2 数据流向

flowchart LR
    A[传感器] -->|数据采集| B[STM32]
    B -->|串口传输| C[ESP32]
    C -->|MQTT发布| D[MQTT服务器]
    D <-->|订阅/发布| E[Web服务器]
    E <-->|WebSocket| F[前端界面]
    F -->|控制命令| G[用户]
    D -->|控制命令| C
    C -->|串口传输| B
    B -->|控制信号| H[执行设备]
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3. 硬件组成

3.1 传感器模块

  • 温湿度传感器：监测空气温湿度
  • 光照传感器：监测环境光照强度
  • 水位传感器：监测水培箱水位
  • 电导率(EC)传感器：监测营养液浓度
  • pH值传感器：监测营养液酸碱度
  • 摄像头(ESP32-CAM)：监控植物生长状态

3.2 控制执行模块

  • 水泵：控制营养液循环和补充
  • LED生长灯：提供植物生长所需光照
  • 通风系统：调节生长环境温度
  • 加热器：低温环境下维持水温
  • 自动加液系统：自动补充营养液和调节pH值

3.3 通信模块

  • WiFi模块：ESP32内置，用于无线通信
  • MQTT协议：实现设备间可靠通信

3.5 硬件连接图

graph TD
    subgraph ESP32模块
        ESP[ESP32-CAM] --- CAM[OV2640摄像头]
        ESP --- UART1[UART接口]
    end
    
    subgraph STM32模块
        STM[STM32F103] --- DHT[DHT11温湿度传感器]
        STM --- LIGHT[光照传感器]
        STM --- WATER[水位传感器]
        STM --- UART2[UART接口]
        STM --- OLED[SSD1306显示屏]
        STM --- RELAY1[风扇继电器]
        STM --- RELAY2[排气扇继电器]
        STM --- RELAY3[水泵继电器]
    end
    
    UART1 <-->|TX/RX| UART2
    
    subgraph 电源系统
        POWER[DC 12V] --- DC5V[5V降压模块]
        DC5V --- DC3V3[3.3V降压模块]
    end
    
    DC5V --> ESP
    DC3V3 --> STM
    DC5V --> RELAY1
    DC5V --> RELAY2
    DC5V --> RELAY3
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4. 软件组成

4.1 ESP32代码详解

ESP32主要负责数据采集和上传，代码实现了以下功能：

4.1.1 核心功能

  • 传感器数据采集与处理
  • 数据通过MQTT协议发布
  • 接收并处理控制命令
  • 摄像头图像采集与传输

4.1.2 代码结构

ESP32代码使用Arduino框架开发，主要依赖以下库：

  • PubSubClient：用于MQTT通信
  • ArduinoJson：用于JSON数据处理
  • WiFi/WiFiClientSecure：用于网络连接

4.1.3 关键流程

  1. 系统初始化：初始化传感器、WiFi连接和MQTT客户端
  2. 数据采集：定时读取各传感器数据并处理
  3. 数据上传：将处理后的数据打包为JSON格式，通过MQTT发布
  4. 命令接收：订阅控制主题，接收并执行控制命令

4.1.4 MQTT主题设计

  • 心跳主题：esp32cam/heartbeat - ESP32发送心跳信息
  • 传感器数据主题：esp32cam/sensor - 发布所有传感器数据
  • 设备状态主题：esp32cam/status - 发布所有执行设备的当前状态
  • 控制命令主题：esp32cam/control - 订阅控制命令
  • 图像信息主题：esp32cam/image/info - 发布图像元数据信息
  • 图像数据主题：esp32cam/image/data - 发布Base64编码的图像数据
graph LR
    subgraph ESP32
        E[ESP32-CAM]
    end
    
    subgraph MQTT主题
        T1[esp32cam/heartbeat]
        T2[esp32cam/sensor]
        T3[esp32cam/status]
        T4[esp32cam/control]
        T5[esp32cam/image/info]
        T6[esp32cam/image/data]
    end
    
    subgraph Web服务
        W[Flask服务器]
    end
    
    E -->|发布| T1
    E -->|发布| T2
    E -->|发布| T3
    E -->|订阅| T4
    E -->|发布| T5
    E -->|发布| T6
    
    T1 -->|订阅| W
    T2 -->|订阅| W
    T3 -->|订阅| W
    W -->|发布| T4
    T5 -->|订阅| W
    T6 -->|订阅| W
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4.2 STM32代码详解

STM32主要负责系统控制，代码实现了以下功能：

4.2.1 核心功能

  • 接收并解析控制命令
  • 控制各执行设备运行
  • 实现PID控制算法调节环境参数
  • 故障检测与安全保护

4.2.2 代码结构

STM32使用HAL库开发，主要模块包括：

  • 串口通信模块：与ESP32通信
  • PWM控制模块：控制水泵、风扇、LED灯等
  • 定时器模块：实现定时任务
  • 看门狗模块：系统安全保护

4.2.3 关键流程

  1. 系统初始化：初始化外设和控制参数
  2. 命令接收：通过串口接收ESP32转发的控制命令
  3. 命令执行：根据控制命令调整相应设备的工作状态
  4. 安全监控：持续监测系统状态，异常时执行安全保护措施

4.2.4 控制策略

  • 温度控制：根据温度传感器数据，控制通风系统和加热器
  • 光照控制：根据时间和光照传感器数据，调节LED生长灯亮度和颜色
  • 水循环控制：定时开启水泵，确保营养液循环
  • 营养液管理：根据EC和pH传感器数据，控制自动加液系统

4.3 前端代码详解

前端界面提供用户交互和数据可视化，代码实现了以下功能：

4.3.1 核心功能

  • 实时数据显示
  • 历史数据查询与图表展示
  • 远程控制执行设备
  • 系统参数设置
  • 异常报警通知

4.3.2 代码结构

前端基于Web技术开发，包括：

  • HTML/CSS：页面布局和样式
  • JavaScript：交互逻辑和数据处理
  • WebSocket：实现实时数据更新
  • 图表库：数据可视化

4.3.3 界面模块

  • 仪表盘：显示核心环境参数
  • 控制面板：手动控制各执行设备
  • 数据分析：历史数据图表和趋势分析
  • 系统设置：调整控制参数和报警阈值
  • 视频监控：显示摄像头实时画面

5. 系统联动与数据流

5.1 数据采集流程

  1. ESP32定时读取各传感器数据
  2. 数据经过预处理和过滤，去除异常值
  3. 数据打包为JSON格式
  4. 通过MQTT协议发布到服务器
  5. Web服务器接收并存储数据
  6. 前端界面通过WebSocket接收并显示数据

5.2 控制执行流程

sequenceDiagram
    participant User as 用户
    participant Web as Web前端
    participant Server as Web服务器
    participant MQTT as MQTT服务器
    participant ESP32 as ESP32
    participant STM32 as STM32
    participant Device as 执行设备
    
    User->>Web: 点击设备控制开关
    Web->>Server: 发送控制命令 (JSON)
    Server->>MQTT: 发布到esp32cam/control
    MQTT->>ESP32: 转发控制命令
    ESP32->>STM32: 通过串口转发命令
    STM32->>STM32: 解析JSON命令
    STM32->>Device: 控制继电器开关状态
    STM32->>ESP32: 返回设备新状态
    ESP32->>MQTT: 发布设备状态更新
    MQTT->>Server: 转发状态更新
    Server->>Web: 通过WebSocket发送更新
    Web->>User: 更新界面状态显示
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5.3 自动控制流程

  1. 系统根据传感器数据计算当前环境状态
  2. 与设定的目标参数比较，计算偏差
  3. 根据PID算法生成控制量
  4. 发送控制命令到STM32
  5. STM32控制相应设备运行
  6. 环境参数改变，传感器检测到新数据
  7. 系统进入下一轮控制循环

5.4 图像传输流程

sequenceDiagram
    participant User as 用户
    participant Web as Web前端
    participant Server as Web服务器
    participant MQTT as MQTT服务器
    participant ESP32 as ESP32-CAM
    
    User->>Web: 点击"拍照"按钮
    Web->>Server: 发送拍照命令 {action: "capture"}
    Server->>MQTT: 发布到esp32cam/control
    MQTT->>ESP32: 接收拍照命令
    ESP32->>ESP32: 调用captureAndSendImage()
    ESP32->>ESP32: 捕获图像
    ESP32->>ESP32: Base64编码
    ESP32->>MQTT: 发布图像元数据到esp32cam/image/info
    ESP32->>MQTT: 发布图像数据到esp32cam/image/data
    MQTT->>Server: 转发图像元数据
    MQTT->>Server: 转发图像数据
    Server->>Web: WebSocket发送图像元数据
    Server->>Web: WebSocket发送图像数据
    Web->>Web: 解码Base64图像
    Web->>User: 显示新捕获的图像
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6. 安装和配置

6.1 硬件安装步骤

  1. 按照系统图安装传感器
  2. 连接执行设备到STM32控制板
  3. 连接ESP32与STM32
  4. 连接电源

6.2 软件配置步骤

  1. ESP32程序配置
    • 修改WiFi连接参数
    • 设置MQTT服务器地址
    • 配置传感器校准参数
  2. STM32程序配置
    • 设置控制参数
    • 配置设备安全限值
  3. 前端配置
    • 设置服务器连接参数
    • 配置用户账号

7. 使用说明

7.1 系统启动

  1. 接通系统电源
  2. 等待ESP32连接网络(绿色指示灯常亮)
  3. 打开浏览器，输入系统地址
  4. 登录系统

7.2 日常操作

  1. 环境参数监控
    • 查看仪表盘了解实时参数
    • 在数据分析页面查看历史趋势
  2. 系统控制
    • 自动模式：设定目标参数，系统自动控制
    • 手动模式：手动控制各设备运行
  3. 参数设置
    • 环境参数阈值设置
    • 控制策略调整
    • 报警设置

7.3 异常处理

  1. 报警解除：处理报警原因后，点击"解除报警"按钮
  2. 设备重启：系统异常时，可通过重启按钮重启设备
  3. 紧急停止：遇到严重问题时，使用紧急停止功能

8. 故障排除

故障现象 可能原因 解决方法
ESP32无法连接网络 WiFi信号弱/配置错误 检查WiFi设置/移动设备位置
传感器数据异常 传感器故障/连接问题 检查传感器连接/更换传感器
执行设备不响应 STM32通信错误/设备故障 检查连接/重启STM32/更换设备
前端显示数据滞后 网络延迟/服务器负载高 检查网络/优化服务器配置
系统频繁重启 电源不稳定/代码异常 检查电源/升级固件

8.1.通用故障排除步骤

graph TD
    A[发现系统故障] --> B{检查电源}
    B -->|电源正常| C{检查网络连接}
    B -->|电源异常| B1[检查供电电压]
    B1 --> B2[修复电源问题]
    B2 --> A
    
    C -->|网络正常| D{检查硬件连接}
    C -->|网络异常| C1[检查WiFi信号]
    C1 --> C2[修复网络问题]
    C2 --> A
    
    D -->|连接正常| E{检查传感器数据}
    D -->|连接异常| D1[检查接线和连接器]
    D1 --> D2[修复连接问题]
    D2 --> A
    
    E -->|数据正常| F{检查控制执行}
    E -->|数据异常| E1[校准或更换传感器]
    E1 --> A
    
    F -->|执行正常| G[系统恢复正常]
    F -->|执行异常| F1[检查继电器和执行设备]
    F1 --> F2[修复执行问题]
    F2 --> A
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9. 维护与升级

9.1 日常维护

  • 传感器校准：每月校准一次传感器
  • 系统清洁：定期清洁水路系统和传感器
  • 数据备份：定期备份历史数据

9.2 系统升级

  • ESP32固件升级
  • STM32固件升级
  • 前端界面升级

10. 技术规格

10.1 ESP32规格

  • 型号：ESP32-WROOM-32
  • CPU：双核Tensilica LX6，主频240MHz
  • 内存：520KB SRAM
  • 存储：4MB Flash
  • 无线：WiFi 802.11 b/g/n + Bluetooth 4.2

10.2 STM32规格

  • 型号：STM32F103
  • CPU：ARM Cortex-M3，主频72MHz
  • 内存：20KB SRAM
  • 存储：64/128KB Flash
  • 接口：UART、SPI、I2C、ADC、PWM等

10.3 传感器规格

  • 温度精度：±0.5℃
  • 湿度精度：±3%RH
  • EC测量范围：0-5mS/cm
  • pH测量范围：0-14
  • 图像分辨率：1280×1024

11. 附录

11.1 系统源代码目录结构

基于水培的智能农业系统
├─esp32代码        // ESP32数据采集模块代码
│  ├─.pio          // PlatformIO配置
│  ├─src           // 源代码
│  └─lib           // 库文件
├─stm32代码        // STM32控制模块代码
│  ├─Core          // 核心代码
│  │  ├─Inc        // 头文件
│  │  └─Src        // 源文件
│  └─Drivers       // 驱动文件
└─前端代码         // Web前端界面代码
    ├─static       // 静态资源
    └─templates    // 页面模板

11.2 通信协议详情

11.2.1 MQTT通信协议

系统中的MQTT通信使用TLS加密，确保数据传输安全。配置如下：

  • MQTT服务器: n09f9099.ala.cn-hangzhou.emqxsl.cn
  • 端口: 8883 (TLS加密)
  • 客户端认证: 用户名/密码认证
graph TD
    subgraph MQTT通信流程
        A[设备启动] --> B[连接MQTT服务器]
        B --> C{连接成功?}
        C -->|是| D[订阅控制主题]
        C -->|否| E[等待5秒后重试]
        E --> B
        
        D --> F[定时发布传感器数据]
        D --> G[接收控制命令]
        D --> H[触发图像捕获]
        
        F --> I[发布到esp32cam/sensor]
        G --> J[解析指令执行控制]
        H --> K[捕获图像并编码]
        K --> L[发布图像信息和数据]
        
        J --> M[更新设备状态]
        M --> N[发布到esp32cam/status]
    end
Loading

11.2.2 JSON数据格式

  1. 传感器数据格式:
{
  "water": "85%",
  "temp": "25.6C",
  "humi": "68.3%",
  "light": "3500.0lux"
}
  1. 设备状态格式:
{
  "fan": "on",
  "exh": "off",
  "pum": "on"
}
  1. 控制命令格式:
{
  "fan": "on",
  "exh": "off",
  "pum": "on"
}
  1. 图像信息格式:
{
  "width": 160,
  "height": 120,
  "format": "jpeg",
  "timestamp": 1623421789
}

11.2.3 STM32与ESP32之间的串口通信

STM32和ESP32之间通过UART进行通信，波特率为115200。通信格式如下：

  1. STM32发送给ESP32的传感器数据:
{"water":"85%","temp":"25.6C","humi":"68.3%","light":"3500.0lux","fan":"off","exh":"off","pum":"on"}
  1. ESP32发送给STM32的控制命令:
{"fan":"on","exh":"off","pum":"on"}

STM32接收到控制命令后，会解析JSON数据并执行相应的操作。命令执行后的状态变更会在下一次数据发送时上报。

11.3 参考资料

  • ESP32官方文档
  • STM32F1系列参考手册
  • MQTT协议规范
  • 水培种植技术指南

11.4 系统功能详解

11.4.1 系统功能特点

mindmap
  root((智能水培系统))
    环境监测
      温湿度监测
      光照监测
      水位监测
      视频监控
    智能控制
      风扇控制
      排气扇控制
      水泵控制
      自动循环
    数据管理
      实时显示
      历史数据
      趋势分析
      报警通知
    远程操作
      网页控制
      手动控制
      自动化控制
      拍照功能
Loading

11.4.2 硬件详细说明

ESP32-CAM模块
  • 主控芯片：ESP32-S
  • 内存：520KB SRAM + 4MB PSRAM
  • 摄像头：OV2640，支持多种分辨率
  • 接口：
    • GPIO引脚用于控制和通信
    • UART用于与STM32通信
    • SD卡接口用于本地存储
STM32控制模块
  • 主控芯片：STM32F103C8T6
  • 传感器接口：
    • PA0：DHT11温湿度传感器
    • PA4(ADC1_IN4)：光照传感器
    • PA5(ADC1_IN5)：水位传感器
  • 执行设备控制接口：
    • PC13：风扇继电器(低电平有效)
    • PC14：排气扇继电器(低电平有效)
    • PC15：水泵继电器(低电平有效)
  • 显示接口：
    • PB8/PB9：I2C接口，用于连接SSD1306 OLED显示屏
传感器模块详细参数

  • DHT11温湿度传感器：

    • 测量范围：温度050℃，湿度2090%RH
    • 精度：温度±2℃，湿度±5%RH
    • 供电电压：3.3~5V DC
    • 采样周期：≥1s

  • 光照传感器(光敏电阻)：

    • 暗阻值：10KΩ
    • 光照范围：0~10000 Lux
    • 转换公式：lux = maxLux * pow(normalizedValue, 2.5f)
    • 供电电压：3.3V DC

  • 水位传感器：

    • 类型：电容式水位检测
    • 测量范围：0~100%
    • 供电电压：3.3V DC
    • 转换公式：percent = (float)adcValue / 4095.0f * 100.0f

11.4.3 软件实现细节

ESP32代码核心实现

摄像头初始化：

void setupCamera() {
  camera_config_t config;
  config.ledc_channel = LEDC_CHANNEL_0;
  config.ledc_timer = LEDC_TIMER_0;
  config.pin_d0 = Y2_GPIO_NUM;
  // 省略其他引脚配置...
  
  // 检测PSRAM并根据情况调整图像质量
  if (psramFound()) {
    config.jpeg_quality = 10;  // 更高质量
    config.fb_count = 2;
    config.grab_mode = CAMERA_GRAB_LATEST;
  } else {
    // PSRAM不可用时降低分辨率
    config.frame_size = FRAMESIZE_SVGA;
    config.fb_location = CAMERA_FB_IN_DRAM;
  }
  
  // 初始化摄像头
  esp_err_t err = esp_camera_init(&config);
  if (err != ESP_OK) {
    // 错误处理...
  }
}

MQTT通信实现：

void setupMQTT() {
  // 设置服务器和证书
  espClient.setCACert(ca_cert);
  client.setServer(mqtt_server, mqtt_port);
  client.setCallback(callback);
}

void callback(char *topic, byte *payload, unsigned int length) {
  // 处理收到的MQTT消息
  if (strcmp(topic, mqtt_control_topic) == 0) {
    // 解析命令JSON并执行相应操作
    // ...
  }
}

图像捕获与发送：

void captureAndSendImage() {
  camera_fb_t *fb = esp_camera_fb_get();
  if (!fb) {
    // 处理错误...
    return;
  }
  
  // 将图像转换为Base64
  String imageBase64 = base64_encode(fb->buf, fb->len);
  
  // 通过MQTT发送
  client.publish(mqtt_image_data_topic, imageBase64.c_str());
  
  // 释放帧缓冲区
  esp_camera_fb_return(fb);
}
STM32代码核心实现

传感器数据采集：

static void ReadSensors(void) {
  // 配置为光线传感器通道
  ADC_ChannelConfTypeDef sConfig = {0};
  sConfig.Channel = ADC_CHANNEL_4;
  sConfig.Rank = 1;
  sConfig.SamplingTime = ADC_SAMPLETIME_55CYCLES_5;
  HAL_ADC_ConfigChannel(&hadc1, &sConfig);

  // 读取光线传感器值
  HAL_ADC_Start(&hadc1);
  HAL_ADC_PollForConversion(&hadc1, 100);
  lightValue = HAL_ADC_GetValue(&hadc1);
  HAL_ADC_Stop(&hadc1);

  // 将光敏电阻ADC值转换为流明
  luxValue = ConvertToLux(lightValue);

  // 配置为水位传感器通道并读取...
  
  // 读取DHT11温湿度传感器数据
  DHT_data dhtData = DHT_getData(&dht11);
  if (dhtData.temp > -100.0f && dhtData.hum > -100.0f) {
    temperature = dhtData.temp;
    humidity = dhtData.hum;
    dht11Ready = 1;
  } else {
    // 传感器读取失败处理
  }
}

设备控制实现：

static void UpdateDeviceStatus(uint8_t fan, uint8_t exhaust, uint8_t pump) {
  // 更新风扇状态
  if (fan) {
    HAL_GPIO_WritePin(RELAY_FAN_PORT, RELAY_FAN_PIN, RELAY_ON);
  } else {
    HAL_GPIO_WritePin(RELAY_FAN_PORT, RELAY_FAN_PIN, RELAY_OFF);
  }
  
  // 更新排气扇状态
  if (exhaust) {
    HAL_GPIO_WritePin(RELAY_EXHAUST_PORT, RELAY_EXHAUST_PIN, RELAY_ON);
  } else {
    HAL_GPIO_WritePin(RELAY_EXHAUST_PORT, RELAY_EXHAUST_PIN, RELAY_OFF);
  }
  
  // 更新水泵状态
  if (pump) {
    HAL_GPIO_WritePin(RELAY_PUMP_PORT, RELAY_PUMP_PIN, RELAY_ON);
  } else {
    HAL_GPIO_WritePin(RELAY_PUMP_PORT, RELAY_PUMP_PIN, RELAY_OFF);
  }
  
  // 更新状态变量
  fanStatus = fan;
  exhaustStatus = exhaust;
  pumpStatus = pump;
}
前端实现细节

Flask后端核心实现：

# MQTT客户端回调函数
def on_message(client, userdata, msg):
    topic = msg.topic
    
    # 特殊处理图像数据
    if topic == mqtt_image_data_topic:
        try:
            image_base64 = msg.payload.decode('utf-8')
            latest_data['image_data'] = {
                'timestamp': time.strftime('%Y-%m-%d %H:%M:%S'), 
                'data': image_base64
            }
            
            # 通过WebSocket发送到前端
            socketio.emit('mqtt_message', {
                'topic': topic,
                'data': {"data": image_base64},
                'timestamp': time.strftime('%Y-%m-%d %H:%M:%S')
            })
        except Exception as e:
            print(f"处理图像数据时出错: {e}")
    else:
        # 处理其他类型的数据
        # ...

前端WebSocket处理：

// WebSocket连接和消息处理
const socket = io();

socket.on('connect', function() {
    setConnectionStatus(true);
    addLogMessage('已连接到服务器');
});

socket.on('mqtt_message', function(data) {
    // 处理不同类型的消息
    if (data.topic === 'esp32cam/sensor') {
        updateSensorData(data.data);
    } else if (data.topic === 'esp32cam/status') {
        updateDeviceStatus(data.data);
    } else if (data.topic === 'esp32cam/image/data') {
        updateCameraImage(data.data.data);
    }
    
    // 添加到日志
    addLogMessage(`收到主题 [${data.topic}] 的消息`);
});

11.4.4 系统控制流程

自动控制策略
// 自动控制函数
static void AutoControl(void) {
  // 温度控制策略
  if (temperature > 30.0f) {
    // 温度过高，开启风扇和排气扇
    UpdateDeviceStatus(1, 1, pumpStatus);
  } else if (temperature < 18.0f) {
    // 温度过低，关闭风扇和排气扇
    UpdateDeviceStatus(0, 0, pumpStatus);
  }
  
  // 湿度控制策略
  if (humidity > 80.0f) {
    // 湿度过高，开启排气扇
    UpdateDeviceStatus(fanStatus, 1, pumpStatus);
  } else if (humidity < 40.0f) {
    // 湿度过低，关闭排气扇
    UpdateDeviceStatus(fanStatus, 0, pumpStatus);
  }
  
  // 水泵控制策略 - 定时循环
  static uint32_t pumpTimer = 0;
  if (HAL_GetTick() - pumpTimer >= PUMP_CYCLE_INTERVAL) {
    // 定时开启水泵15秒
    UpdateDeviceStatus(fanStatus, exhaustStatus, 1);
    pumpTimer = HAL_GetTick();
    
    // 设置关闭定时器
    pumpOffTimer = HAL_GetTick();
    pumpOffFlag = 1;
  }
  
  // 水泵自动关闭
  if (pumpOffFlag && (HAL_GetTick() - pumpOffTimer >= PUMP_ON_DURATION)) {
    UpdateDeviceStatus(fanStatus, exhaustStatus, 0);
    pumpOffFlag = 0;
  }
}
数据发送流程

STM32将数据发送给ESP32：

static void SendSensorData(void) {
    // 构建JSON格式数据
    sprintf(txBuffer, 
            "{\"temp\":%.1f,\"humi\":%.1f,\"light\":%.1f,\"water\":%d,\"fan\":%d,\"exhaust\":%d,\"pump\":%d}",
            temperature, humidity, luxValue, waterValue, 
            fanStatus, exhaustStatus, pumpStatus);
    
    // 通过UART发送到ESP32
    HAL_UART_Transmit(&huart2, (uint8_t*)txBuffer, strlen(txBuffer), 100);
    HAL_UART_Transmit(&huart2, (uint8_t*)"\n", 1, 10);
}

ESP32接收并转发到MQTT：

void parseJsonData(String jsonStr) {
  // 解析从STM32收到的JSON数据
  DynamicJsonDocument doc(1024);
  deserializeJson(doc, jsonStr);
  
  // 提取数据
  temperature = doc["temp"].as<String>();
  humidity = doc["humi"].as<String>();
  lightLevel = doc["light"].as<String>();
  waterLevel = doc["water"].as<String>();
  
  // 通过MQTT发布数据
  publishSensorData();
}

11.4.5 系统安装调试详细步骤

  1. 硬件组装

    • 按照电路图完成所有组件连接
    • 确认所有传感器安装位置正确
    • 检查电源连接和电压

  2. ESP32程序烧录

    • 使用PlatformIO或Arduino IDE编译程序
    • 按住Boot按钮后按下Reset按钮进入下载模式
    • 完成固件烧录后按下Reset按钮重启

  3. STM32程序烧录

    • 使用ST-Link连接STM32开发板
    • 通过STM32CubeProgrammer烧录固件
    • 断开ST-Link后重启STM32板

  4. 系统调试

    • 通过ESP32串口监视器检查WiFi和MQTT连接状态
    • 确认STM32读取的传感器数据正确
    • 测试控制命令是否能正确执行
    • 检查前端界面是否正常显示数据

11.4.6 系统扩展功能

添加EC/pH传感器支持

EC传感器测量代码：

// 读取EC传感器
void ReadECSensor(void) {
  // 配置ADC通道
  ADC_ChannelConfTypeDef sConfig = {0};
  sConfig.Channel = ADC_CHANNEL_6;  // 假设EC传感器连接到PA6
  sConfig.Rank = 1;
  sConfig.SamplingTime = ADC_SAMPLETIME_55CYCLES_5;
  HAL_ADC_ConfigChannel(&hadc1, &sConfig);
  
  // 读取ADC值
  HAL_ADC_Start(&hadc1);
  HAL_ADC_PollForConversion(&hadc1, 100);
  uint16_t adcValue = HAL_ADC_GetValue(&hadc1);
  HAL_ADC_Stop(&hadc1);
  
  // 将ADC值转换为EC值
  // EC单位: mS/cm
  ecValue = (float)adcValue * EC_CONVERSION_FACTOR;
}
添加自动施肥系统

自动施肥控制代码：

// 营养液管理
void ManageNutrition(void) {
  // 根据EC值控制施肥系统
  if (ecValue < MIN_EC_VALUE) {
    // EC值过低，需要添加营养液
    // 启动营养液添加泵15秒
    HAL_GPIO_WritePin(RELAY_NUTRIENT_PORT, RELAY_NUTRIENT_PIN, RELAY_ON);
    nutrientPumpOn = 1;
    nutrientTimer = HAL_GetTick();
  }
  
  // 检查是否需要关闭营养液泵
  if (nutrientPumpOn && (HAL_GetTick() - nutrientTimer >= NUTRIENT_PUMP_DURATION)) {
    HAL_GPIO_WritePin(RELAY_NUTRIENT_PORT, RELAY_NUTRIENT_PIN, RELAY_OFF);
    nutrientPumpOn = 0;
  }
  
  // 处理pH值
  if (phValue < MIN_PH_VALUE) {
    // pH过低，添加碱性调节剂
    HAL_GPIO_WritePin(RELAY_PH_UP_PORT, RELAY_PH_UP_PIN, RELAY_ON);
    phUpPumpOn = 1;
    phTimer = HAL_GetTick();
  } else if (phValue > MAX_PH_VALUE) {
    // pH过高，添加酸性调节剂
    HAL_GPIO_WritePin(RELAY_PH_DOWN_PORT, RELAY_PH_DOWN_PIN, RELAY_ON);
    phDownPumpOn = 1;
    phTimer = HAL_GetTick();
  }
  
  // 检查是否需要关闭pH调节泵
  if ((phUpPumpOn || phDownPumpOn) && (HAL_GetTick() - phTimer >= PH_PUMP_DURATION)) {
    HAL_GPIO_WritePin(RELAY_PH_UP_PORT, RELAY_PH_UP_PIN, RELAY_OFF);
    HAL_GPIO_WritePin(RELAY_PH_DOWN_PORT, RELAY_PH_DOWN_PIN, RELAY_OFF);
    phUpPumpOn = 0;
    phDownPumpOn = 0;
  }
}

11.5 系统维护和故障诊断

11.5.1 常见系统故障及解决方案

除了主文档中提到的故障外，以下是更详细的常见故障排除方法：

  1. OLED显示屏无显示

    • 故障原因：I2C连接问题、初始化失败
    • 排查步骤：
      1. 确认VCC和GND电源连接正确
      2. 检查I2C引脚连接(PB8/PB9)
      3. 使用万用表测量I2C引脚电平
    • 解决方法：重新检查连接，确保I2C地址设置正确，重新初始化OLED

  2. DHT11读取失败

    • 故障原因：连接问题、供电不足、传感器故障
    • 排查步骤：
      1. 检查DHT11的VCC和GND连接
      2. 确认信号线(PA0)连接正确
      3. 更换一个新的DHT11测试
    • 解决方法：重新连接DHT11，确保供电电压正常，如仍无法解决则更换传感器

  3. 继电器不动作

    • 故障原因：控制信号异常、继电器故障、供电不足
    • 排查步骤：
      1. 测量继电器控制引脚的电平
      2. 检查继电器模块电源是否正常
      3. 手动将控制引脚拉低测试继电器
    • 解决方法：确认继电器驱动逻辑，检查控制程序，必要时更换继电器模块

  4. ESP32无法发送图像

    • 故障原因：摄像头连接问题、内存不足、MQTT消息过大
    • 排查步骤：
      1. 检查摄像头连接和初始化状态
      2. 降低图像分辨率测试
      3. 监控ESP32内存使用情况
    • 解决方法：重新配置摄像头参数，降低分辨率，增加MQTT消息大小限制

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智能水培农业系统 是一套完整的智能水培监控与控制系统，通过物联网技术实现农业生长环境的智能化管理。系统采用分布式架构，由ESP32采集环境数据，STM32控制执行设备，并通过Web前端实现远程监控和控制，提高农作物产量和质量，同时降低人工管理成本。

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