基于单片机的智慧高校后勤系统设计

河北理工大学信息学院 摘要 ix2功能与设计方案2.1系统的功能要求智慧高校后勤系统需满足以下功能要求：(1)水资源监测与管理功能，实时监测水流量，检测管道故障，远程控制水泵开关，设置用水阈值；(2)电能监测与管理功能，统计用电量，检测电路故障，远程控制电源，设置用电阈值；(3)校园安防监控功能，通过摄像头实时监测校园环境，检测异常情况，发出报警信息；(4)土壤湿度监测与灌溉控制功能，监测校园绿地土壤湿度，自动控制灌溉系统；(5)远程管理功能，通过WiFi将数据上传云平台，实现远程监控和控制；(6)本地控制功能，通过按键和显示屏进行参数查看和设置；(7)故障报警功能，检测到异常情况时触发报警，通知维修人员。系统应具备稳定性、实时性、可扩展性和低功耗特性，保证在复杂环境中可靠运行。2.2系统设计方案本设计以STM32单片机为核心控制器，加上其他的模块一起组成基于单片机的智慧高校后勤系统设计，其中包含中控部分、输入部分和输出部分。中控部分采用了STM32单片机，其主要作用是获取输入部分数据，经过内部处理，控制输出部分。主机输入由三部分组成，第一部分是水流量检测模块，进行水流量的检测；第二部分是独立按键，可以通过按键进行报警、设置阈值等操作第三部分是供电电路，给整个主机部分供电。输出由四部分组成，第一部分是是OLED显示屏，显示用水用电量、设置阈值等。第二部分继电器控制设备输出；第三部分是MOS管控制设备输出；第四部分是无线模块，数据上传云平台远程监控和控制。从机输入由三部分组成，第一部分是土壤湿度检测模块，监测土壤湿度；第二部分是独立按键，用于切换界面，调整数值。第三部分是供电电路，负责给整个从机系统供电。输出由三部分组成，第一部分是OLED屏显示水位信息，显示设置水位阈值；第二部分是MOS管控制设备输出；第三部分是无线通信模块，数据上传手机监测。摄像头间隔一段时间拍照并上传至手机端。图2.1系统硬件模块工作框图2.3器件方案对比2.3.1单片机的选择方案一：STM32F103STM32F103是基于ARMCortex-M3内核的32位微控制器，主频可达72MHz，内置512KBFlash存储器和64KBSRAM。该芯片提供丰富的外设接口，包括多个UART、SPI、I2C、ADC、定时器等，满足复杂系统的通信和控制需求。STM32F103支持多种低功耗模式，待机电流小于2μA，适合电池供电应用。该芯片具有高集成度、强大的处理能力和完善的开发生态，支持多种开发工具和资源库。方案二：STC89C52STC89C52是基于8051架构的8位微控制器，工作频率最高可达12MHz，内置8KBFlash存储器和512BRAM。该芯片提供32个I/O口，一个UART接口，两个定时器/计数器。STC89C52具有成本低、开发简单、资源丰富等优点，但计算能力和存储空间有限，外设接口较少，难以支持复杂应用。通过对比分析，本系统选用STM32F103作为核心控制器。STM32F103的高性能处理能力可满足系统多任务并行处理需求；丰富的外设接口可连接多种传感器和通信模块；较大的存储空间可容纳复杂控制算法和数据记录；低功耗特性有利于系统长时间稳定运行。虽然成本较STC89C52略高，但综合性能价格比更优，更适合本智慧高校后勤系统的开发需求。2.3.2无线模块的选型方案一：LoraLora是一种低功耗远距离无线通信技术，工作频段为433MHz/868MHz/915MHz，通信距离可达3-5公里，数据传输速率为0.3-50kbps。Lora采用扩频调制技术，具有较强的抗干扰能力和穿透性，适合复杂环境下的长距离通信。该技术功耗低，发射电流约50mA，接收电流约10mA，待机电流小于5μA。Lora主要用于点对点通信或构建局域网络，不能直接接入互联网，需要额外的网关设备。方案二：ESP8266ESP8266是一款集成Wi-Fi功能的SoC芯片，支持IEEE802.11b/g/n协议，通信距离在开放环境下约100米，数据传输速率最高可达72.2Mbps。ESP8266内置32位微处理器和完整的TCP/IP协议栈，支持AP和STA两种工作模式，可直接连接到互联网。该模块成本低，集成度高，开发资源丰富，但功耗较高，工作电流约80mA。经过综合考虑，本系统选择ESP8266无线模块。虽然Lora在通信距离和功耗方面具有优势，但ESP8266可直接接入互联网，无需额外网关，简化了系统架构；高数据传输速率满足图像等大数据量传输需求；内置TCP/IP协议栈降低了开发难度；完善的开发生态系统加速了产品开发周期。针对ESP8266功耗较高的缺点，通过软件设计优化，如采用定时唤醒机制，可有效降低平均功耗。2.3.3蓝牙模块的选型方案一：ECB02ECB02是一款基于蓝牙4.2协议的BLE(BluetoothLowEnergy)模块，采用CC2541芯片，传输距离可达50米，数据传输速率最高可达1Mbps。该模块具有超低功耗特性，发射电流约18mA，接收电流约15mA，休眠电流小于1μA，支持多种休眠模式。ECB02集成了天线、晶振和蓝牙协议栈，尺寸小巧(15mm×10mm×2mm)，便于集成。该模块提供UART接口，易于与单片机连接，支持AT指令配置，编程简便。方案二：HC-05HC-05是一款基于蓝牙2.0+EDR标准的经典蓝牙模块，通信距离约10米，数据传输速率最高可达2.1Mbps。HC-05工作电流约40mA，不支持低功耗模式，长期工作功耗较高。该模块支持主从一体设计，可通过AT指令进行配置，接口方式为串口，使用简单。但HC-05尺寸较大，天线性能一般，不支持最新蓝牙协议。经过对比分析，本系统选择ECB02蓝牙模块。ECB02基于最新的BLE技术，功耗显著低于HC-05，适合电池供电的便携设备；通信距离更远，满足校园环境下的通信需求；小巧的尺寸有利于系统小型化设计；支持最新蓝牙协议，具有更好的兼容性和扩展性。虽然ECB02成本略高于HC-05，但考虑到其综合性能和低功耗特性带来的长期收益，ECB02是更经济合理的选择。3系统的硬件设计3系统的硬件设计3系统的硬件设计3.1STM32F103C8T6单片机本本系统以STM32F103单片机为核心控制器，集中承担数据采集，处理，显示和通信等功能的调度与执行任务，采用型号为STM32F103C8T6的芯片，此芯片选用了LQFP48封装形式，拥有512KBFlash及64KBSRAM资源，主频可提升至72MHz，并配备多达37个GPIO接口和多样化的外设接口，在这一设计中，单片机最小系统涵盖了电源，时钟，复位以及启动设置电路等板块。其中电源部分利用XC6206稳压芯片，将输入电压5V降至3.3V，并通过若干100nF去耦电容消除噪声以确保供电的平稳性。时钟电路靠着外部8MHz晶振与两个30pF电容搭建起振荡回路，这样单片机的主时钟源有了依托，RTC则借助32.768kHz低速晶振得到时钟信号，复位部分是借助10kΩ上拉电阻配合按键开关实现的，当按下复位键时NRST引脚被拉低，系统便随即重置，启动配置环节利用10kΩ电阻将BOOT0和BOOT1引脚接地，这样一来系统就能从主闪存开始运行。单片机引脚分配如下：PA0到PA7承担模拟信号采集和PWM输出控制的任务，仔细来说，PA4接到土壤湿度传感器，PA6连着水流量传感器，PB0，PB1与PB10各自接着三个独立按键，这些按键旨在进行系统参数设定与界面转换，PB14和PB15分别接到OLED显示屏的SDA和SCL引脚借此实现I2C通信，PA2与PA3对应连着ESP8266无线模块的RXD，TXD引脚，PA9与PA10则连着ECB02蓝牙模块的TXD和RXD引脚，同时PA11接到MOS管作控制输出，PA12负责继电器连接操控。单片机利用定时器TIM2产生1ms基准时钟以满足系统定时任务的需求，TIM1则专注于输出PWM信号用于控制执行器的工作状态，而模拟传感器的信号通过ADC模块进行采集处理，整体电路设计中电源与信号的完整性成为关键考虑因素，通过星形拓扑来规划供电线路排布实现最优连接效果，若干关键信号路径的阻抗匹配问题亦得到特别关注，这为印制电路板带来了更加优异的抗干扰能力，为了提升接口耐用性通信端口增加了瞬态电压抑制二极管作为防护模块，显著增强了系统对静电冲击和过压风险的应对能力，在增强稳定性的考量上增设看门狗功能有效防范代码跑飞问题，同时也设置了掉电防护机制保障关键存储数据得以安全留存。图3.1STM32F103C8T6单片机接线情况3.2ECB02蓝牙模块ECB02蓝牙模块是实现近距无线通信的核心组件，基于TI的CC2541芯片设计，支持蓝牙4.2BLE协议，体积仅15mm×10mm×2mm，配有内置PCB天线，无需额外元件即可独立运行。该模块借助6个引脚完成功能交互：VCC接3.3V电源输入，GND负责接地连接，TXD与RXD对应STM32的PA10和PA9针脚，用于UART通信，通信速率为9600bps，EN控制使能，高电平激活通信模式，低电平进入休眠状态，STA表征状态，配对后输出跳转为高电平，工作状态下维持透传机制，类似无线串口连接，能够持续双向传输数据，减少了开发者的复杂操作需求。ECB02模块的初始化通过AT指令完成，像AT+NAME用于设定设备名称，AT+MODE用来选择工作模式，AT+BAUD可配置通信波特率，而AT+POWE则是调整发射功率的指令，这些构成了核心的配置要素，系统采取中断接收处理蓝牙数据的方式，当UART接收到数据触发中断时，数据会被存进缓冲区，在中断服务函数里进行这一操作，之后，主程序以固定时间间隔检查缓冲区以便进行数据处理。为了提高通信稳定性，特别设置了数据校验机制搭配重传协议，并非完全依赖某单一措施来保障数据传输正确无误，在确保可靠交互的过程中实现准确传输目标。模块依托蓝牙与手机应用联动，用于参数配置和状态监测，功耗方面经过专门优化，使得蓝牙模块能耗管理可根据需求灵活调整，通信空闲状态下自动进入休眠模式，并通过EN引脚适时唤醒，从而实现整体能耗的抑制；从PCB设计角度看，将蓝牙模块安置在板边位置，既能降低金属屏蔽导致的信号干扰，又避免布设铜皮影响天线性能，改善了无线辐射效果。图3.2ECB02蓝牙模块3.3ESP8266无线模块ESP8266无线模块中的ESP-12F型号在远程数据传输方面扮演着重要角色，其整合了2.4GHzWi-Fi功能，32位处理单元及TCP/IP协议内核，外形精巧同时还带有11个GPIO接口，兼容UART，SPI和I2C等主流通信方式。这套设备里ESP8266通过UART通道与STM32相连，VCC端接上3.3V电压源且GND实现电气连接，并以RXD和TXD两端映射到STM32的PA2和PA3端口，波特率固定设定为115200bps。该模块利用AT指令集进行初始化配置，具体环节包括选择STA模式（对应命令：AT+CWMODE=1），执行Wi-Fi关联操作(AT+CWJAP)并填入MQTT服务器相关信息(AT+MQTTCONN)，各项功能设置有序且逻辑明确，展现了高集成度设计下的高效性特点。ESP8266在数据上传与指令接收中发挥着双重作用，就数据上传而言，系统会将水电消耗和设备运行状态等数值转换为JSON格式，并依托MQTT协议向云端推送，基于参数波动超限或者固定时间触发的方式有效降低对网络流量的需求，在指令接收环节该模块以追踪特定MQTT主题为基础获取源自平台的操作命令，其中包括更改警戒阀值或进行开关机管理等功能实现也就不足为奇。通信安全领域，TLS加密负责守护数据传输，心跳包机制则盯紧与服务器的连接状态，断线重连的设计确保网络异常状况下自动重新连上，ESP8266因功耗偏高被系统揉入了功耗调控策略，像动态调整发送频率，借助Modem-sleep模式在空闲时段削减能耗，借此把平均功耗摁在一个较合适的区间，既考量了设备稳定性也兼顾了能源消耗的底限需求。图3.3ESP8266无线模块3.4OLED显示模块OLED显示模块作为人机对话的核心窗口，承担着展现系统状态和配置参数的任务，此系统配以一款0.96英寸单色OLED屏，分辨率设为128×64像素基于SSD1306驱动芯片运行，经由I2C接口实现通信功能，这需要接通的引脚共四个：电源引脚VCC得牵上3.3V，搭地端GND与接地相结，数据通信端SCL接到STM32的PB15端点上，另一个则是连接PB14的信号线SDA，与之匹配的设备位址保持为0x78，协议速度大致处在400kHz区域附近；凭借自发光这一特性频繁跃身便携型器材的最佳选手行列，它不带背光源，并且由于高画面对比度，广目睹态势和低耗电表现显得颇为突出。程序设计采用分层架构思路，底层交由函数负责处理一些基础任务，好比初始化过程，清屏操作或者设定坐标之类的内容，处于中间层级的函数集中承担基本图形绘制工作，比如说点线矩形等图形的操作，而高层函数则将精力偏向文字与数字显示方面，整个系统会把不同类型显示功能的函数封装起来，囊括Oled_Init()进行初始化工作，OLED_Clear()清空屏幕内容，Oled_ShowString()展现字符串信息，OLED_ShowNum()承载数值显示，还包括Oled_ShowCHinese()针对中文字符展示等，最终显示效果通过多页面结构进行呈现，凭借按键就可以在不同页面间进行切换。主界面（flag_display=0）展示用电量，水流量及报警信息等动态参数，电量设置界面（flag_display=1）用以调整电量阈值，而在水量设置界面（flag_display=2）里可校准水量界限，优化视觉呈现时程序选用数据刷新机制，避免频繁全屏更新而是依据数值变化触发刷新动作，这样既减少闪烁又能保护OLED屏幕的寿命，同时设置了屏幕休眠策略，如果较长时间未检测到操作则调暗亮度或关闭显示以此延缓硬件损耗与视觉疲劳。图3.4OLED显示模块3.5YF-S401型水量检测模块YF-S401水量检测模块是水资源监测系统的核心传感器，承担着测量水流量的任务并为资源管理提供准确数据支持，其原理基于霍尔效应，内部由水轮，磁铁和霍尔元件等基本组件构成，水流通过时推动水轮旋转，带动固定在水轮上的磁铁同步转动，霍尔元件对磁场变化响应后输出脉冲信号，且脉冲频率与水速之间存在直接正比例关系，其引脚连接明确分明，VCC端接入5V供电，GND端接地线接口，而作为数据传输的黄色信号线将脉冲信息直接对接给STM32控制器中的PA6管脚位置。YF-S401的工作压力介于0.02MPa与0.8MPa之间，流量测量范围覆盖1L/min至30L/min，而工作温度可在-25℃到80℃内变化，其测量精度大约达±2%，脉冲特性接近450脉冲/升，信号采集凭借外部中断方式完成，PA6设定为上升沿触发形式，每捕捉到一个脉冲中断服务函数便令脉冲计数器（pulse_num）增加1，Manage_function()这一函数负责水流量的运算，每间隔500ms读取一回脉冲计数量，运用公式water_value=pulse_num/100得到流量的实际数值，并在之后将计数器清零以筹备下轮计数。该系统借由水流量数据实现了若干功能，其中包括实时呈现当前水流量状况，统计累计用水量，进行水量阈值管理以及管道破裂监测等，在水量阈值方面，通过比较当前水量（water_value）和预设阈值（water_yu），当water_value达到或超过water_yu时，系统会将water_flag调整为0并停止水泵运行，至于管道破裂监测，则是透过对水流量变化特征的分析实现的，一旦识别出异常水流模式，便会把water_warn标记设为1，从而出发声音灯光之类的警报提示信号。为提升测量精度，系统引入数字滤波算法以削减脉冲信号噪声，并配置自动校准功能用以定时修正流量计算参数；模块安装时要求水平安放且流向需与箭头指引相同，上游管道还得保留一段长度足够的直管区域来保障水流的平稳性；通过周期性的维护和校准才能维系长期精准的测量效果。图3.5YF-S401型水量检测模块3.6土壤湿度检测模块土壤湿度检测模块的核心任务是盯紧校园绿地的土壤水分情况，为智能灌溉系统的决策打基础，它借助电容式土壤湿度传感器运作，这种传感器由探针和信号转换电路两块构成，遵循电容式的机理，土壤内的水分含量发生变化会引发介电常数值变动，这样便导致传感器内部电容值产生波动，以此达成土壤湿度的数据采集工作，相比传统的电阻类传感器，此设计不仅寿命更优也更能抵抗腐蚀，在性能上也表现出更多的稳定性，整个模块带有一个三引脚接口，分别对应5V电源的VCC端，接地的GND端及与STM32上的PA4脚位相接的I/O端，构建了可迅速读取模拟信号的一种通路。传感器输出电压与土壤湿度的关系不呈线性，从约0.5V干燥到2.8V饱和状态间波动，系统依靠ADC采样提取数据，分辨率可达到10位，采用3.3V为参考电压。图3.6土壤湿度检测模块3.7摄像头模块摄像头模块在安防监控系统中扮演着核心角色，承担着校园实时监测与异常状况捕捉的任务，选用了OV7670摄像头模块，其基础是OmniVision公司的OV7670图像传感器，分辨率达到640×480像素，帧率最高能支持30fps，感光区域大小为3.6mm×2.7mm，该模块与STM32之间采用了DCMI接口实现数据通信，数据引脚D0至D7分别映射到STM32特定的IO口上，像素时钟PCLK以及垂直同步信号VSYNC和水平参考信号HREF接入了外部中断引脚，此外借助SCCB接口完成参数配置任务，其中SCL与SDA两个信号线则绑定到了STM32部分预留的GPIO端口中。系统设计上采用DMA来传递图像数据，目的是卸载CPU压力并提升系统的即时反应能力，图像处理分为两步走，其中STM32专攻图像初步阶段处理工作，例如执行基本滤波任务，检测运动和边缘等等，而将深挖图像复杂性的工作交给云计算资源更为强大的云端平台完成，运用本地图像差分来追踪移动物体，并用Sobel算子实现边缘检测以掌握学校环境内的动静之别，当探测到可疑状态时，该装置会摄取相应场景的图像并通过ESP8266把缩小版直接送到云进行分析存查，同时会激活现场的告警通知功能。嵌入式系统因其资源受限的特性，图像存储常选用JPEG压缩格式，这种选择既缓解了空间紧张又减轻了带宽负担，而图像分析中运用降采样和ROI策略则直接提升了处理性能，摄像头的工作模式设计灵活多样，如连续监控，定时抓拍以及触发捕获都能从容应对各场景的需要，智能功耗管理进一步增强其适应性，在条件不利如弱光或无人状况下自主降低帧率，而在关键点则通过提升采样频率达到效率和续航的平衡，镜头布置经精心权衡与优化以全面涵盖重点区域，同时搭载防尘防水设计，无需考虑环境约束室内外皆可应用。图3.7摄像头模块3.8电量检测模块电量检测模块专盯系统用电状况，给能源管理提供数据支撑，这系统采用间接检测方式，利用定时器计时并结合用电设备功率来核算用电量，系统里的用电设备例如水泵，照明系统等，经由继电器掌控，而继电器状态由STM32的PA12引脚控制，电量检测的本质是记录每个设备开启时长，再与预先设定的功率相乘得到累计用电量，定时器TIM2每1ms触发一次中断，在中断服务程序里刷新时间计数器即可，设备启用即ele_flag为1时，ele_ms计数器持续累加，当累至1000ms时ele_sec增加一个数值，意味着设备运行了一秒，每间隔十秒钟（ele_sec>=10）电量计数ele_value便上跳一个点位，至此电量就实现累积统计。系统设置了电量阈值（ele_yu），累计用电量一旦超标，相关设备便会自动断电，从而避免过量耗电的风险，而OLED屏则实时显示电量状态，管理人员只需按下按键便能调整这个阈值，为了确保数据的准确性，系统加入了电量校准功能，利用实际测量结果修正计算参数，电量数据按计划传输到云平台，为能耗分析和优化提供依据。系统具备电路故障检测能力，通过监测设备运行电流甄别异常状况，电流检测采用了霍尔电流传感器，其输出信号经调理电路后接入STM32的ADC通道，电流波动异常或超安全值时，ele_warn标志便置1触发报警，以提醒维修人员排查问题；为提升设备安全性，系统还额外设计过流保护电路，当电流触碰危险临界值时硬件会迅速切断供电路径，进而避免设备损伤与安全事故；在数据处理环节借助滑动窗口滤波手段消减电流传导噪声，优化检测效能；电量统计模块具备分段计数功能，能生成每日，每周及每月用电量明细报告，便于管理人员探析用电行为规律继而完善能效管理实施策略。图3.8电量检测模块4系统的软件设计4系统的软件设计4系统的软件设计4.1软件介绍Keil5是ARM公司推出的集成开发环境（IDE），专为ARM架构微控制器量身定制，堪称嵌入式开发领域的主力工具之一，这款软件集成了一整套开发工具链，涵盖编辑器，编译器，链接器，调试器及仿真器等多项功能模块，免去了频繁切换的麻烦，与许多同类产品相比，其强大的综合能力和便捷操作形成了差异化亮点，尤其受到一线开发者认可，在多平台适配性方面，Keil5不仅表现出色，更支持STM32，HC32和NXP等常用ARM芯片，让不同架构间无缝迁移成为可能，从而劝勉嵌入式领域从业者们争相投入这一生态。该软件准备了三种编译方式：单个模块，部分模块和整体编译，为开发者提供了不少弹性选择空间，编译产生的信息实时呈现在界面下方区域，有助于迅速抓住潜在问题线索，如果利用Keil5生成HEX文件后便能通过烧录器直接写进单片机内，这一系列步骤简洁且高效性一目了然，系统软件的基础则是建立在5.28版本的Keil5MDK搭配STM32F1系标准外设库基础上完成编程工作，以此完成了预定功能模块的支持。图4.1Keil_5软件界面4.1.1WIFI的实现WIFI模块作为系统远程通信的核心组件，其实现涵盖硬件连接与软件配置两个层面。在硬件连接方面，ESP8266通过UART接口与STM32建立串行通信，RXD和TXD引脚分别连接STM32的PA2和PA3端口，波特率设置为115200bps。软件实现部分主要包括模块初始化、数据打包与发送、指令接收与解析三个环节。系统采用AT指令集对ESP8266进行初始化配置，主要代码如下：delay_ms(1000);//上电延时ESP8266_SendCmd("AT+RST","ready");//复位模块delay_ms(1000);ESP8266_SendCmd("AT+CWMODE=1","OK");//设置STA模式delay_ms(500);ESP8266_SendCmd("AT+CWJAP=\"WIFI_SSID\",\"WIFI_PASSWORD\"","WIFIGOTIP");//连接WIFIdelay_ms(1000);ESP8266_SendCmd("AT+CIPMUX=0","OK");//单连接模式ESP8266_SendCmd("AT+MQTTUSERCFG=0,1,\"CLIENT_ID\",\"USERNAME\",\"PASSWORD\",0,0,\"\"","OK");//配置MQTT用户ESP8266_SendCmd("AT+MQTTCONN=0,\"MQTT_SERVER\",1883,1","OK");//连接MQTT服务器ESP8266_SendCmd("AT+MQTTSUB=0,\"DEVICE/COMMAND\",1","OK");//订阅命令主题}数据上传采用JSON格式打包并通过MQTT协议发送，定时上传系统状态数据，同时接收平台下发的控制指令：*@paramwater_value水流量值*@paramele_value用电量值*@paramwater_flag水泵状态*@paramele_flag电器状态*@retvalNone*/voidUploadData(floatwater_value,uint32_tele_value,uint8_twater_flag,uint8_tele_flag){charjsonBuffer[128];//构建JSON数据包sprintf(jsonBuffer,"{\"water\":%.2f,\"electricity\":%d,\"pump\":%d,\"device\":%d}",water_value,ele_value,water_flag,ele_flag);//通过MQTT发布数据charmqttCmd[200];sprintf(mqttCmd,"AT+MQTTPUB=0,\"DEVICE/DATA\",\"%s\",1,0",jsonBuffer);ESP8266_SendCmd(mqttCmd,"OK");}接收指令部分实现了基于中断的数据接收机制，通过状态机解析MQTT消息：/***@brief处理接收到的MQTT消息*@paramNone*@retvalNone*/voidAli_MQTT_Receive(void){if(USART_RX_FLAG){USART_RX_FLAG=0;if(strstr((char*)USART_RX_BUF,"+MQTTSUBRECV:")!=NULL){//解析命令if(strstr((char*)USART_RX_BUF,"\"pump\":0")!=NULL){water_flag=0;//关闭水泵PUMP_OFF();}elseif(strstr((char*)USART_RX_BUF,"\"pump\":1")!=NULL){water_flag=1;//打开水泵PUMP_ON();}if(strstr((char*)USART_RX_BUF,"\"device\":0")!=NULL){ele_flag=0;//关闭电器DEVICE_OFF();}elseif(strstr((char*)USART_RX_BUF,"\"device\":1")!=NULL){ele_flag=1;//打开电器DEVICE_ON();}//解析阈值设置char*pWaterYu=strstr((char*)USART_RX_BUF,"\"waterYu\":");if(pWaterYu!=NULL){water_yu=atoi(pWaterYu+10);}char*pEleYu=strstr((char*)USART_RX_BUF,"\"eleYu\":");if(pEleYu!=NULL){ele_yu=atoi(pEleYu+8);}}memset(USART_RX_BUF,0,USART_REC_LEN);//清空接收缓冲区}}系统实现了断线重连机制，通过心跳包确保长期稳定运行。为优化网络传输效率，采用了变频上传策略，即在参数稳定时降低上传频率，参数波动较大时提高上传频率，有效降低了网络带宽占用。WIFI模块的实现整合了网络连接、数据传输与指令解析功能，构建了系统与云平台高效互联的桥梁。4.1.2土壤湿度的采集土壤湿度采集模块通过电容式传感器获取土壤水分含量，该模块的实现包括硬件接口配置、ADC采样设置与数据处理算法三个部分。硬件接口方面，传感器输出端接入STM32的PA4引脚，该引脚配置为ADC输入通道。软件实现采用ADC连续转换模式，通过DMA传输采样结果，减轻CPU负担。ADC配置的核心代码如下：*@briefADC初始化函数*@paramNone*@retvalNone*/voidADC_Config(void){GPIO_InitTypeDefGPIO_InitStructure;ADC_InitTypeDefADC_InitStructure;DMA_InitTypeDefDMA_InitStructure;//使能GPIO时钟和ADC时钟RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA|RCC_APB2Periph_ADC1,ENABLE);RCC_AHBPeriphClockCmd(RCC_AHBPeriph_DMA1,ENABLE);//配置IO口为模拟输入GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_4;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_AIN;GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure);//配置DMADMA_DeInit(DMA1_Channel1);DMA_InitStructure.DMA_PeripheralBaseAddr=(uint32_t)&ADC1->DR;DMA_InitStructure.DMA_MemoryBaseAddr=(uint32_t)&ADC_Value;DMA_InitStructure.DMA_DIR=DMA_DIR_PeripheralSRC;DMA_InitStructure.DMA_BufferSize=1;DMA_InitStructure.DMA_PeripheralInc=DMA_PeripheralInc_Disable;DMA_InitStructure.DMA_MemoryInc=DMA_MemoryInc_Disable;DMA_InitStructure.DMA_PeripheralDataSize=DMA_PeripheralDataSize_HalfWord;DMA_InitStructure.DMA_MemoryDataSize=DMA_MemoryDataSize_HalfWord;DMA_InitStructure.DMA_Mode=DMA_Mode_Circular;DMA_InitStructure.DMA_Priority=DMA_Priority_High;DMA_InitStructure.DMA_M2M=DMA_M2M_Disable;DMA_Init(DMA1_Channel1,&DMA_InitStructure);DMA_Cmd(DMA1_Channel1,ENABLE);//配置ADCADC_InitStructure.ADC_Mode=ADC_Mode_Independent;ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode=DISABLE;ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode=ENABLE;ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv=ADC_ExternalTrigConv_None;ADC_InitStructure.ADC_DataAlign=ADC_DataAlign_Right;ADC_InitStructure.ADC_NbrOfChannel=1;ADC_Init(ADC1,&ADC_InitStructure);//配置ADC通道、采样时间ADC_RegularChannelConfig(ADC1,ADC_Channel_4,1,ADC_SampleTime_239Cycles5);//使能ADC的DMAADC_DMACmd(ADC1,ENABLE);//使能ADCADC_Cmd(ADC1,ENABLE);//ADC校准ADC_ResetCalibration(ADC1);while(ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC1));ADC_StartCalibration(ADC1);while(ADC_GetCalibrationStatus(ADC1));//启动ADC转换ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1,ENABLE);}土壤湿度数据采集函数实现了原始ADC值的转换与滤波处理：*@brief获取土壤湿度*@paramNone*@retval湿度百分比(0-100)*/uint8_tGet_Soil_Moisture(void){staticuint16_tsoilFilter[10]={0};//滤波数组staticuint8_tfilterIndex=0;//滤波索引uint32_tsum=0;uint8_ti;uint16_tadcValue;uint8_tmoisture;//获取当前ADC值adcValue=ADC_Value;//滑动窗口滤波soilFilter[filterIndex]=adcValue;filterIndex=(filterIndex+1)%10;for(i=0;i<10;i++){sum+=soilFilter[i];}adcValue=sum/10;//转换为湿度百分比//根据传感器特性，ADC值范围约为：干燥时约600，湿润时约2800if(adcValue<600)moisture=0;elseif(adcValue>2800)moisture=100;elsemoisture=(uint8_t)((adcValue-600)*100/2200);returnmoisture;}系统基于土壤湿度值实现智能灌溉控制功能，当湿度低于设定阈值时自动启动灌溉系统：*@brief智能灌溉控制函数*@paramNone*@retvalNone*/voidIrrigation_Control(void){uint8_tsoilMoisture;//获取当前土壤湿度soilMoisture=Get_Soil_Moisture();//显示当前湿度值if(flag_display==3)//土壤湿度显示页面{OLED_ShowNum(40,2,soilMoisture,3,16);OLED_ShowString(70,2,"%",16);}//智能灌溉控制if(soilMoisture<soil_threshold)//低于阈值，启动灌溉{if(irrigation_flag==0){irrigation_flag=1;IRRIGATION_ON();//记录灌溉启动时间irrigation_start_time=ele_sec;}}elseif(soilMoisture>soil_threshold+10)//高于阈值+10%，停止灌溉{if(irrigation_flag==1){irrigation_flag=0;IRRIGATION_OFF();}}//防止长时间灌溉（超过10分钟自动停止）if(irrigation_flag==1&&(ele_sec-irrigation_start_time>600)){irrigation_flag=0;IRRIGATION_OFF();}}土壤湿度采集系统采用了分层设计结构，底层实现硬件初始化与数据采集，中层完成数据转换与处理，上层实现控制逻辑与显示功能。为提高系统可靠性，采用了多重滤波算法消除传感器噪声，并设计了开机自校准功能，自动适应不同土壤类型。此外，系统还实现了防卡死保护机制，避免灌溉系统长时间运行造成资源浪费。在实际部署中，土壤湿度阈值可根据不同植物需求进行调整，也可基于季节变化自动调节，为校园绿化管理提供了科学依据和智能支持，有效提升了水资源利用效率。4.2软件程序的设计4.2.1主程序流程图图4.2系统逻辑流程图系统的主流程图如图4.2所示，系统主程序采用顺序结构搭建，分为初始化和主循环两大部分，初始化专注各模块的设置工作，例如GPIO，定时器，UART，OLED还有WiFi模块等环节的配置，转入主循环后便依次触发四大核心功能函数：按键函数Key_function针对用户输入数据进行监测，依据按键数值完成界面切换或参数调整等功能；显示函数Display_function根据当前界面标识情况呈现对应内容，包括用电量，水流量以及报警信息之类的各项数据；处理函数Manage_function定时每500ms采集水流量一次，行使用电管理职责操控水泵与电路开关的情形；WIFI接收函数Ali_MQTT_Recevie负责捕获来自云平台的操作指令，并同步上传系统的运行状态。系统利用定时器中断进行时间控制，通过外部中断处理水流量脉冲计数，并借助串口中断实现通信数据接收。4.2.2主机处理子程序流程介绍图4.3主机处理子程序流程图每500ms获取一次水温和电力值并根据这两者的标志位状态来决定是否开启和关闭水泵和电器的继电器以及通过WIFI模块将数据上传云平台进行远程操控。4.2.3从机处理子程序流程介绍图4.4从机处理子程序流程图在该函数中，当水位小于水位阈值时继电器打开，当水位大于水位阈值时，继电器关闭。5系统的测试5系统的测试5系统的测试5.1软硬件调试智慧高校后勤系统调试流程大致可归结为三大环节：硬件，软件及系统联调，硬件部分少不了万用表与示波器，它们登场时用来细究电源电路输出电压的稳定性，同时核验芯片供电电压是否达标，测量晶振频率与波形以确认时钟信号质量，检查通信接口信号时序以便筑牢模块间通信基础。至于单元测试，则要求对诸多模块逐一过筛子般地检视，例如OLED显示模块要通过投射特定图案文字测试显示表现，水流量检测需采用标准流量源校准脉冲与流量的关系，电量检测借助已知功率负载验证计算结果的可靠度，无线通信模块聚焦在评判网络稳态与数据传递成效方面迈进，蓝牙模块还需检验其与移动设备的对接以及数据传输的功能是否畅通无阻。软件调试阶段运用模块化测试方式，逐项检查功能正常与否，按键处理函数锁定在按键反馈与执行结果方面，显示函数则倾向界面转换和数据刷新效率的测试，而处理函数侧重阈值调整和报警逻辑校验，通信函数拿捏数据交互与协议解释的能力，调试时发现并修复了一类重要的小问题，像定时器中断偶尔丢失后来修改了优先级也就捋顺了路径，并把MQTT消息错误修正