基于STM32和人工智能的智能水质监测系统

1. 引言

随着环境保护意识的提高，智能水质监测系统在水质监测和水资源管理中起到了重要作用。通过人工智能算法对水质数据进行分析，可以实现更加精准的水质监测和管理。本文将详细介绍如何在STM32嵌入式系统中结合人工智能技术实现一个智能水质监测系统，包括环境准备、系统架构、代码实现、应用场景及问题解决方案和优化方法。

2. 环境准备

硬件准备

开发板：STM32F407 Discovery Kit
调试器：ST-LINK V2或板载调试器
pH传感器：用于检测水质pH值
温度传感器：如DS18B20
溶解氧传感器：用于检测水中的溶解氧含量
电导率传感器：用于检测水的电导率
显示屏：如TFT LCD显示屏
按键或旋钮：用于用户输入和设置
电源：12V或24V电源适配器

软件准备

集成开发环境（IDE）：STM32CubeIDE或Keil MDK
调试工具：STM32 ST-LINK Utility或GDB
库和中间件：STM32 HAL库、TensorFlow Lite
人工智能模型：用于数据分析和预测

安装步骤

下载并安装 STM32CubeMX
下载并安装 STM32CubeIDE
配置STM32CubeMX项目并生成STM32CubeIDE项目
安装必要的库和驱动程序
下载并集成 TensorFlow Lite 库

3. 智能水质监测系统基础

控制系统架构

智能水质监测系统由以下部分组成：

数据采集模块：用于采集水质数据（pH值、温度、溶解氧、电导率等）
数据处理与分析：使用人工智能算法对采集的数据进行分析和预测
控制系统：根据分析结果提供水质管理建议和报警
显示系统：用于显示水质数据和系统状态
用户输入系统：通过按键或旋钮进行设置和调整

功能描述

通过pH传感器、温度传感器、溶解氧传感器和电导率传感器采集水质数据，并使用人工智能算法进行分析和预测，实时显示和记录水质数据，实现智能化的水质监测和管理。用户可以通过按键或旋钮进行设置，并通过显示屏查看当前状态和预测结果。

4. 代码实现：实现智能水质监测系统

4.1 数据采集模块

配置pH传感器
使用STM32CubeMX配置ADC接口：

打开STM32CubeMX，选择您的STM32开发板型号。
在图形化界面中，找到需要配置的ADC引脚，设置为输入模式。
生成代码并导入到STM32CubeIDE中。

代码实现

#include "stm32f4xx_hal.h"ADC_HandleTypeDef hadc1;void ADC_Init(void) {__HAL_RCC_ADC1_CLK_ENABLE();ADC_ChannelConfTypeDef sConfig = {0};hadc1.Instance = ADC1;hadc1.Init.ClockPrescaler = ADC_CLOCK_SYNC_PCLK_DIV4;hadc1.Init.Resolution = ADC_RESOLUTION_12B;hadc1.Init.ScanConvMode = DISABLE;hadc1.Init.ContinuousConvMode = ENABLE;hadc1.Init.DiscontinuousConvMode = DISABLE;hadc1.Init.ExternalTrigConvEdge = ADC_EXTERNALTRIGCONVEDGE_NONE;hadc1.Init.ExternalTrigConv = ADC_SOFTWARE_START;hadc1.Init.DataAlign = ADC_DATAALIGN_RIGHT;hadc1.Init.NbrOfConversion = 1;hadc1.Init.DMAContinuousRequests = DISABLE;hadc1.Init.EOCSelection = ADC_EOC_SINGLE_CONV;HAL_ADC_Init(&hadc1);sConfig.Channel = ADC_CHANNEL_0;sConfig.Rank = 1;sConfig.SamplingTime = ADC_SAMPLETIME_3CYCLES;HAL_ADC_ConfigChannel(&hadc1, &sConfig);
}float Read_pH(void) {HAL_ADC_Start(&hadc1);HAL_ADC_PollForConversion(&hadc1, HAL_MAX_DELAY);uint32_t adc_value = HAL_ADC_GetValue(&hadc1);// 转换为pH值float voltage = adc_value * (3.3 / 4096.0);float pH = 7 + ((voltage - 2.5) / 0.18);return pH;
}int main(void) {HAL_Init();SystemClock_Config();ADC_Init();float pH_value;while (1) {pH_value = Read_pH();HAL_Delay(1000);}
}

配置DS18B20温度传感器
使用STM32CubeMX配置GPIO接口：

打开STM32CubeMX，选择您的STM32开发板型号。
在图形化界面中，找到需要配置的GPIO引脚，设置为输入模式。
生成代码并导入到STM32CubeIDE中。

代码实现

#include "stm32f4xx_hal.h"
#include "ds18b20.h"void DS18B20_Init(void) {// 初始化DS18B20传感器
}float Read_Temperature(void) {return DS18B20_ReadTemperature();
}int main(void) {HAL_Init();SystemClock_Config();DS18B20_Init();float temperature;while (1) {temperature = Read_Temperature();HAL_Delay(1000);}
}

配置溶解氧传感器
使用STM32CubeMX配置ADC接口：

打开STM32CubeMX，选择您的STM32开发板型号。
在图形化界面中，找到需要配置的ADC引脚，设置为输入模式。
生成代码并导入到STM32CubeIDE中。

代码实现

#include "stm32f4xx_hal.h"ADC_HandleTypeDef hadc2;void ADC2_Init(void) {__HAL_RCC_ADC2_CLK_ENABLE();ADC_ChannelConfTypeDef sConfig = {0};hadc2.Instance = ADC2;hadc2.Init.ClockPrescaler = ADC_CLOCK_SYNC_PCLK_DIV4;hadc2.Init.Resolution = ADC_RESOLUTION_12B;hadc2.Init.ScanConvMode = DISABLE;hadc2.Init.ContinuousConvMode = ENABLE;hadc2.Init.DiscontinuousConvMode = DISABLE;hadc2.Init.ExternalTrigConvEdge = ADC_EXTERNALTRIGCONVEDGE_NONE;hadc2.Init.ExternalTrigConv = ADC_SOFTWARE_START;hadc2.Init.DataAlign = ADC_DATAALIGN_RIGHT;hadc2.Init.NbrOfConversion = 1;hadc2.Init.DMAContinuousRequests = DISABLE;hadc2.Init.EOCSelection = ADC_EOC_SINGLE_CONV;HAL_ADC_Init(&hadc2);sConfig.Channel = ADC_CHANNEL_1;sConfig.Rank = 1;sConfig.SamplingTime = ADC_SAMPLETIME_3CYCLES;HAL_ADC_ConfigChannel(&hadc2, &sConfig);
}float Read_Dissolved_Oxygen(void) {HAL_ADC_Start(&hadc2);HAL_ADC_PollForConversion(&hadc2, HAL_MAX_DELAY);uint32_t adc_value = HAL_ADC_GetValue(&hadc2);// 转换为溶解氧浓度float voltage = adc_value * (3.3 / 4096.0);float dissolved_oxygen = voltage * 10; // 示例转换公式return dissolved_oxygen;
}int main(void) {HAL_Init();SystemClock_Config();ADC2_Init();float do_value;while (1) {do_value = Read_Dissolved_Oxygen();HAL_Delay(1000);}
}

配置电导率传感器
使用STM32CubeMX配置ADC接口：

打开STM32CubeMX，选择您的STM32开发板型号。
在图形化界面中，找到需要配置的ADC引脚，设置为输入模式。
生成代码并导入到STM32CubeIDE中。

代码实现

#include "stm32f4xx_hal.h"ADC_HandleTypeDef hadc3;void ADC3_Init(void) {__HAL_RCC_ADC3_CLK_ENABLE();ADC_ChannelConfTypeDef sConfig = {0};hadc3.Instance = ADC3;hadc3.Init.ClockPrescaler = ADC_CLOCK_SYNC_PCLK_DIV4;hadc3.Init.Resolution = ADC_RESOLUTION_12B;hadc3.Init.ScanConvMode = DISABLE;hadc3.Init.ContinuousConvMode = ENABLE;hadc3.Init.DiscontinuousConvMode = DISABLE;hadc3.Init.ExternalTrigConvEdge = ADC_EXTERNALTRIGCONVEDGE_NONE;hadc3.Init.ExternalTrigConv = ADC_SOFTWARE_START;hadc3.Init.DataAlign = ADC_DATAALIGN_RIGHT;hadc3.Init.NbrOfConversion = 1;hadc3.Init.DMAContinuousRequests = DISABLE;hadc3.Init.EOCSelection = ADC_EOC_SINGLE_CONV;HAL_ADC_Init(&hadc3);sConfig.Channel = ADC_CHANNEL_2;sConfig.Rank = 1;sConfig.SamplingTime = ADC_SAMPLETIME_3CYCLES;HAL_ADC_ConfigChannel(&hadc3, &sConfig);
}float Read_Conductivity(void) {HAL_ADC_Start(&hadc3);HAL_ADC_PollForConversion(&hadc3, HAL_MAX_DELAY);uint32_t adc_value = HAL_ADC_GetValue(&hadc3);// 转换为电导率值float voltage = adc_value * (3.3 / 4096.0);float conductivity = voltage * 1000; // 示例转换公式return conductivity;
}int main(void) {HAL_Init();SystemClock_Config();ADC3_Init();float conductivity_value;while (1) {conductivity_value = Read_Conductivity();HAL_Delay(1000);}
}
``

4.2 数据处理与分析

集成TensorFlow Lite进行数据分析
使用STM32CubeMX配置必要的接口，确保嵌入式系统能够加载和运行TensorFlow Lite模型。

代码实现

#include "tensorflow/lite/c/common.h"
#include "tensorflow/lite/micro/micro_interpreter.h"
#include "tensorflow/lite/micro/micro_error_reporter.h"
#include "tensorflow/lite/micro/micro_mutable_op_resolver.h"
#include "tensorflow/lite/schema/schema_generated.h"
#include "tensorflow/lite/version.h"
#include "model_data.h"  // 人工智能模型数据namespace {tflite::MicroErrorReporter micro_error_reporter;tflite::MicroInterpreter* interpreter = nullptr;TfLiteTensor* input = nullptr;TfLiteTensor* output = nullptr;constexpr int kTensorArenaSize = 2 * 1024;uint8_t tensor_arena[kTensorArenaSize];
}void AI_Init(void) {tflite::InitializeTarget();static tflite::MicroMutableOpResolver<10> micro_op_resolver;micro_op_resolver.AddFullyConnected();micro_op_resolver.AddSoftmax();const tflite::Model* model = tflite::GetModel(model_data);if (model->version() != TFLITE_SCHEMA_VERSION) {TF_LITE_REPORT_ERROR(&micro_error_reporter,"Model provided is schema version %d not equal ""to supported version %d.",model->version(), TFLITE_SCHEMA_VERSION);return;}static tflite::MicroInterpreter static_interpreter(model, micro_op_resolver, tensor_arena, kTensorArenaSize,&micro_error_reporter);interpreter = &static_interpreter;interpreter->AllocateTensors();input = interpreter->input(0);output = interpreter->output(0);
}void AI_Run_Inference(float* input_data, float* output_data) {// 拷贝输入数据到模型输入张量for (int i = 0; i < input->dims->data[0]; ++i) {input->data.f[i] = input_data[i];}// 运行模型推理if (interpreter->Invoke() != kTfLiteOk) {TF_LITE_REPORT_ERROR(&micro_error_reporter, "Invoke failed.");return;}// 拷贝输出数据for (int i = 0; i < output->dims->data[0]; ++i) {output_data[i] = output->data.f[i];}
}int main(void) {HAL_Init();SystemClock_Config();AI_Init();float input_data[INPUT_SIZE];float output_data[OUTPUT_SIZE];while (1) {// 获取传感器数据，填充 input_data 数组// 运行AI推理AI_Run_Inference(input_data, output_data);// 根据模型输出数据执行相应的操作HAL_Delay(1000);}
}

4.3 控制系统

配置GPIO控制报警和LED指示灯
使用STM32CubeMX配置GPIO：

打开STM32CubeMX，选择您的STM32开发板型号。
在图形化界面中，找到需要配置的GPIO引脚，设置为输出模式。
生成代码并导入到STM32CubeIDE中。

代码实现

#include "stm32f4xx_hal.h"#define ALARM_PIN GPIO_PIN_1
#define LED_PIN GPIO_PIN_2
#define GPIO_PORT GPIOBvoid GPIO_Init(void) {__HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE();GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};GPIO_InitStruct.Pin = ALARM_PIN | LED_PIN;GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW;HAL_GPIO_Init(GPIO_PORT, &GPIO_InitStruct);
}void Control_Alarm(uint8_t state) {HAL_GPIO_WritePin(GPIO_PORT, ALARM_PIN, state ? GPIO_PIN_SET : GPIO_PIN_RESET);
}void Control_LED(uint8_t state) {HAL_GPIO_WritePin(GPIO_PORT, LED_PIN, state ? GPIO_PIN_SET : GPIO_PIN_RESET);
}int main(void) {HAL_Init();SystemClock_Config();GPIO_Init();AI_Init();float input_data[INPUT_SIZE];float output_data[OUTPUT_SIZE];while (1) {// 获取传感器数据，填充 input_data 数组// 运行AI推理AI_Run_Inference(input_data, output_data);// 根据AI输出控制报警和LED灯uint8_t alarm_state = output_data[0] > 0.5;uint8_t led_state = output_data[1] > 0.5;Control_Alarm(alarm_state);Control_LED(led_state);HAL_Delay(1000);}
}

4.4 用户界面与数据可视化

配置TFT LCD显示屏
使用STM32CubeMX配置SPI接口：

打开STM32CubeMX，选择您的STM32开发板型号。
在图形化界面中，找到需要配置的SPI引脚，设置为SPI模式。
生成代码并导入到STM32CubeIDE中。

代码实现

#include "stm32f4xx_hal.h"
#include "spi.h"
#include "lcd_tft.h"void Display_Init(void) {LCD_TFT_Init();
}void Display_Water_Quality_Data(float* output_data) {char buffer[32];sprintf(buffer, "pH: %.2f", output_data[0]);LCD_TFT_Print(buffer);sprintf(buffer, "Temp: %.2f C", output_data[1]);LCD_TFT_Print(buffer);sprintf(buffer, "DO: %.2f mg/L", output_data[2]);LCD_TFT_Print(buffer);sprintf(buffer, "Cond: %.2f uS/cm", output_data[3]);LCD_TFT_Print(buffer);
}int main(void) {HAL_Init();SystemClock_Config();GPIO_Init();DS18B20_Init();MAX30100_Init();ADXL345_Init();AI_Init();Display_Init();float input_data[INPUT_SIZE];float output_data[OUTPUT_SIZE];while (1) {// 读取传感器数据并填充 input_data 数组// 运行AI推理AI_Run_Inference(input_data, output_data);// 显示水质数据和AI结果Display_Water_Quality_Data(output_data);// 根据AI结果控制报警和LED灯uint8_t alarm_state = output_data[4] > 0.5;uint8_t led_state = output_data[5] > 0.5;Control_Alarm(alarm_state);Control_LED(led_state);HAL_Delay(1000);}
}