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一、前言

1.1 項目介紹

【1】項目功能

隨著全球農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進程的加快，以及物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等先進技術的發(fā)展與應用，智慧農(nóng)業(yè)已經(jīng)成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的新趨勢?；诰珳矢兄?、智能控制和遠程管理的智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)能夠顯著提升農(nóng)作物生產(chǎn)效率，降低資源消耗，實現(xiàn)環(huán)境友好型可持續(xù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

在當前背景下，我國正大力推進數(shù)字鄉(xiāng)村建設，智慧農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)作為其中的重要組成部分，對于提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)精細化管理水平，解決傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)中信息獲取不及時、人工管理成本高、決策缺乏科學依據(jù)等問題具有重要作用。

本設計開發(fā)一套基于STM32F103RCT6主控芯片的智慧農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)，通過集成DHT11 溫濕度傳感器、BH1750光照強度傳感器以及土壤濕度檢測傳感器，實時監(jiān)測農(nóng)田環(huán)境和作物生長狀態(tài)，并在超出閾值時通過蜂鳴器報警，提醒管理人員進行灌溉、施肥等操作。同時，采用NBIoT通信技術（BC26模塊）將采集到的數(shù)據(jù)上傳至云端，利用EMQX 開源MQTT服務器框架部署于華為云ECS服務器上的MQTT服務器，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程展示與處理。

系統(tǒng)支持微信小程序遠程控制功能，使得農(nóng)戶或管理者可以隨時隨地查看農(nóng)田環(huán)境參數(shù)、接收預警信息，并能遠程手動控制灌溉設備、補光燈等，大大提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的智能化和便捷性。此項目的實施不僅有助于推動我國農(nóng)業(yè)信息化水平的提升，也有利于農(nóng)業(yè)資源的高效利用，對保障國家糧食安全、促進農(nóng)業(yè)增效、農(nóng)民增收具有重要意義。

【2】設計實現(xiàn)的功能

（1）實時環(huán)境監(jiān)測：系統(tǒng)通過集成的DHT11溫濕度傳感器、BH1750光照強度傳感器以及土壤濕度檢測傳感器，實時監(jiān)測農(nóng)田環(huán)境中的溫度、濕度、光照強度和土壤含水量等關鍵參數(shù)。當這些參數(shù)超過或低于預設閾值時，系統(tǒng)將自動觸發(fā)蜂鳴器報警，提醒管理人員關注并采取相應措施。

（2）自動化管理與預警：根據(jù)土壤濕度傳感器檢測的數(shù)據(jù)，如果土壤濕度低于設定的適宜作物生長的含水量閥值，則系統(tǒng)會自動提醒管理者進行灌溉操作。同時，可以按照預設周期發(fā)送施肥提醒，以確保農(nóng)作物在最佳時期得到充足的水分和養(yǎng)分供應。

（3）遠程控制功能：利用NBIoT通信技術（BC26模塊）將現(xiàn)場采集到的各項數(shù)據(jù)上傳至云端MQTT服務器，并通過微信小程序?qū)崿F(xiàn)遠程訪問和展示。用戶可以通過微信小程序查看實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，以及對農(nóng)田設備進行遠程手動控制，如啟動或關閉5V抽水泵進行灌溉，開啟或關閉白色LED補光燈調(diào)節(jié)光照條件。

（4）數(shù)據(jù)上云與分析：基于EMQX開源MQTT服務器框架搭建的MQTT服務器，能夠接收并處理STM32主控板傳輸?shù)霓r(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)，并對接微信小程序平臺，為用戶提供直觀易懂的數(shù)據(jù)圖表和分析結(jié)果，便于農(nóng)戶或農(nóng)業(yè)技術人員進行科學決策和精準管理。

【3】項目硬件模塊組成

（1）主控模塊： 采用STM32F103RCT6微控制器作為核心控制單元，負責整個系統(tǒng)的運行和管理。STM32F103RCT6具有豐富的外設接口、強大的處理能力和低功耗特性，能夠?qū)崟r處理傳感器數(shù)據(jù)、執(zhí)行邏輯判斷，并通過無線通信模塊發(fā)送和接收指令。

（2）環(huán)境監(jiān)測模塊：

溫濕度監(jiān)測：使用DHT11溫濕度傳感器采集農(nóng)田環(huán)境的溫度和濕度信息。
光照強度監(jiān)測：采用BH1750光照強度傳感器測量農(nóng)田的光照強度。
土壤濕度檢測：使用土壤濕度檢測傳感器獲取作物生長區(qū)域的土壤含水量數(shù)據(jù)。

（3）控制輸出模塊：

補光燈控制：配置白色LED燈作為補光光源，根據(jù)光照強度監(jiān)測結(jié)果，通過STM32主控板進行智能調(diào)節(jié)或遠程手動控制。
灌溉系統(tǒng)控制：采用5V抽水泵配合繼電器實現(xiàn)灌溉功能，當土壤濕度低于預設閾值時，STM32主控板將控制繼電器閉合，啟動抽水泵進行灌溉；反之則停止灌溉。

（4）無線通信模塊： 集成NBIoT-BC26模塊，實現(xiàn)與云端服務器的數(shù)據(jù)交互。該模塊具備廣覆蓋、低功耗、大連接的特點，可確保在各種復雜農(nóng)業(yè)環(huán)境中穩(wěn)定地傳輸數(shù)據(jù)至MQTT服務器。

（5）報警模塊： 系統(tǒng)配備蜂鳴器用于異常情況報警，當環(huán)境參數(shù)超出設定范圍時，主控板會驅(qū)動蜂鳴器發(fā)出聲音警報。

1.2 設計思路

（1）系統(tǒng)需求分析：根據(jù)智慧農(nóng)業(yè)管理的實際需求，確定需要監(jiān)測的關鍵環(huán)境參數(shù)（溫度、濕度、光照強度和土壤濕度），以及必要的控制功能（灌溉、補光燈控制等）。同時考慮遠程監(jiān)控與預警的需求，規(guī)劃通過NBIoT通信技術實現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳及遠程操控。

（2）硬件選型與設計：

主控芯片選擇STM32F103RCT6，因其具有豐富的外設接口、強大的處理能力和低功耗特性，能夠滿足系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)采集與控制的要求。
選用DHT11作為溫濕度傳感器，BH1750作為光照強度傳感器，以及土壤濕度檢測傳感器，分別獲取農(nóng)田環(huán)境的基本信息。
設計灌溉系統(tǒng)，使用5V抽水泵配合繼電器控制灌溉，以響應土壤濕度的監(jiān)測結(jié)果。
采用白色LED燈作為補光光源，并接入主控板進行智能調(diào)節(jié)或遠程控制。
配備蜂鳴器用于異常情況報警。
選用NBIoT-BC26模塊確保無線通信穩(wěn)定可靠，實現(xiàn)數(shù)據(jù)上云。

（3）軟件架構(gòu)設計：

開發(fā)STM32的嵌入式軟件程序，負責讀取各傳感器數(shù)據(jù)，執(zhí)行邏輯判斷，如環(huán)境參數(shù)超限時觸發(fā)報警、根據(jù)土壤濕度自動或手動控制灌溉、周期性提醒施肥等操作。
實現(xiàn)NBIoT通信協(xié)議棧，將現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)通過BC26模塊發(fā)送至云端MQTT服務器。
在云端部署EMQX開源MQTT服務器框架，接收并存儲前端設備發(fā)送的數(shù)據(jù)。
開發(fā)微信小程序客戶端，對接MQTT服務器，展示農(nóng)田環(huán)境的各項實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，提供遠程手動控制界面。

1.3 傳感器功能介紹

（1）DHT11溫濕度傳感器：

功能：用于實時監(jiān)測農(nóng)田環(huán)境中的溫度和相對濕度。
特點：DHT11是一種低成本、低功耗的數(shù)字式溫濕度復合傳感器，提供了一體化的解決方案。它能夠直接輸出經(jīng)過校準的數(shù)字信號，便于微處理器直接讀取，無需復雜的信號處理電路。

（2）BH1750光照強度傳感器：

功能：測量農(nóng)田或溫室內(nèi)的光照強度（照度），以判斷當前光照條件是否滿足作物生長需求。
特點：BH1750是一款I2C接口的數(shù)字光照強度傳感器，具有高精度和寬量程的特點，可精確檢測光照強度，并支持多種分辨率模式切換以適應不同的應用場景。

（3）土壤濕度檢測傳感器：

功能：用于監(jiān)測種植區(qū)域土壤的水分含量，作為決定灌溉與否的重要依據(jù)。
特點：這類傳感器通常采用電容式、電阻式或者頻域反射(FDR)等原理來檢測土壤濕度，通過轉(zhuǎn)換為電信號變化，從而實現(xiàn)對土壤含水量的非破壞性測定。其特點是能反映土壤實際濕潤狀況，幫助實現(xiàn)精準灌溉。

（4）蜂鳴器報警模塊：

功能：雖然不是傳統(tǒng)意義上的傳感器，但在本系統(tǒng)中作為報警裝置使用，當環(huán)境參數(shù)超出預設閾值時，由主控芯片STM32控制蜂鳴器發(fā)出聲音警報，提醒管理人員及時處理異常情況。

（5）5V抽水泵與繼電器組合：

功能：抽水泵與繼電器配合實現(xiàn)灌溉功能，繼電器根據(jù)土壤濕度傳感器的數(shù)據(jù)反饋控制抽水泵的開關狀態(tài)，達到智能灌溉的目的。
特點：繼電器作為電子開關，可以遠程控制大電流設備如抽水泵的通斷，實現(xiàn)小電流控制大電流，同時隔離了主控制器與負載之間的電氣連接，提高了系統(tǒng)的安全性。

（6）NBIoT-BC26模塊：

功能：作為物聯(lián)網(wǎng)通信組件，負責將采集到的各種數(shù)據(jù)無線傳輸至云端服務器，同時也接收來自云端的控制指令，實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)交互和控制。
特點：NBIoT（窄帶物聯(lián)網(wǎng)）技術具有低功耗、廣覆蓋、大連接的優(yōu)點，特別適合于智慧農(nóng)業(yè)這種需要大面積部署且網(wǎng)絡連接要求穩(wěn)定的場景。BC26模塊是基于NBIoT標準的通信模塊，具備良好的網(wǎng)絡兼容性和穩(wěn)定性。

1.4 開發(fā)工具的選擇

STM32的編程語言選擇C語言，C語言執(zhí)行效率高，大學里主學的C語言，C語言編譯出來的可執(zhí)行文件最接近于機器碼，匯編語言執(zhí)行效率最高，但是匯編的移植性比較差，目前在一些操作系統(tǒng)內(nèi)核里還有一些低配的單片機使用的較多，平常的單片機編程還是以C語言為主。C語言的執(zhí)行效率僅次于匯編，語法理解簡單、代碼通用性強，也支持跨平臺，在嵌入式底層、單片機編程里用的非常多，當前的設計就是采用C語言開發(fā)。

開發(fā)工具選擇Keil，keil是一家世界領先的嵌入式微控制器軟件開發(fā)商，在2015年，keil被ARM公司收購。因為當前芯片選擇的是STM32F103系列，STMF103是屬于ARM公司的芯片構(gòu)架、Cortex-M3內(nèi)核系列的芯片，所以使用Kile來開發(fā)STM32是有先天優(yōu)勢的，而keil在各大高校使用的也非常多，很多教科書里都是以keil來教學，開發(fā)51單片機、STM32單片機等等。目前作為MCU芯片開發(fā)的軟件也不只是keil一家獨大，IAR在MCU微處理器開發(fā)領域里也使用的非常多，IAR擴展性更強，也支持STM32開發(fā)，也支持其他芯片，比如：CC2530,51單片機的開發(fā)。從軟件的使用上來講，IAR比keil更加簡潔，功能相對少一些。如果之前使用過keil，而且使用頻率較多，已經(jīng)習慣再使用IAR是有點不適應界面的。

二、EMQX開源MQTT服務器框架

EMQX是一款開源的、云原生的分布式物聯(lián)網(wǎng)MQTT消息服務器，設計目標是實現(xiàn)高可靠性，并支持承載海量物聯(lián)網(wǎng)終端的MQTT連接，以及在海量物聯(lián)網(wǎng)設備間實現(xiàn)低延時消息路由?；贓rlang/OTP平臺開發(fā)，充分利用了Erlang/OTP的軟實時、低延時和分布式特性。

以下是EMQX服務器框架的詳細介紹：

（1）可擴展性：EMQX支持億級的MQTT服務訂閱，單節(jié)點能夠支持500萬MQTT設備連接，集群可擴展至1億并發(fā)MQTT連接。這種強大的擴展能力使其能夠適應不同規(guī)模的物聯(lián)網(wǎng)應用。

（2）安全性：EMQX提供了多種安全機制，包括SSL/TLS、密碼認證、增強認證和ACL（訪問控制列表）等，以保障數(shù)據(jù)傳輸和訪問的安全性。

（3）規(guī)則引擎：EMQX內(nèi)置了基于SQL的規(guī)則引擎，能夠?qū)崟r過濾、轉(zhuǎn)換和處理消息，提供靈活的消息處理機制。這使得應用程序能夠根據(jù)業(yè)務需求對消息進行靈活處理。

（4）數(shù)據(jù)存儲：EMQX企業(yè)版還提供了數(shù)據(jù)存儲功能，將客戶端上下線狀態(tài)、訂閱關系、離線消息、消息內(nèi)容以及消息回執(zhí)等操作記錄到各種數(shù)據(jù)庫中。這一功能在服務崩潰或客戶端異常離線后，能夠保留數(shù)據(jù)，確保數(shù)據(jù)的完整性和可靠性。

（5）集群設計：EMQX采用Masterless的大規(guī)模分布式集群架構(gòu)，實現(xiàn)了系統(tǒng)的高可用性和水平擴展。集群設計包括維護訂閱表、路由表和主題樹等數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，以實現(xiàn)消息轉(zhuǎn)發(fā)和投遞給各節(jié)點上的訂閱者。

（6）協(xié)議支持：EMQX完全支持MQTT 5.0和3.x協(xié)議標準，提供了更好的伸縮性、安全性和可靠性。同時，它還提供了對多種其他協(xié)議的支持，如WebSocket、TCP、SSL/TLS等。

（7）易用性：EMQX提供了豐富的API和插件管理功能，使得用戶可以方便地查看在線客戶端信息、踢出客戶端、管理插件狀態(tài)等。它還提供了可視化的管理界面和調(diào)試工具，方便用戶進行監(jiān)控和管理。

三、購買ECS云服務器

3.1 登錄官網(wǎng)

https://www.huaweicloud.com/

3.2 購買ECS服務器

【1】選擇ECS彈性服務器

【2】選擇ECS服務器的區(qū)域、配置信息、操作系統(tǒng)（我選擇的Ubuntu18.04 64位）。

【3】購買彈性公網(wǎng)IP，配置帶寬。

【4】配置密碼

【5】選擇購買時長，我這里選擇了1個月時長

【6】確認付費付款

收到郵件提醒，服務器創(chuàng)建成功。 （為了寫教程，花費320元，買了一個月服務器）

【7】返回彈性服務器的控制臺

【8】點擊服務器名字，可以進入到詳情頁面。

3.3 配置安全組

要確保MQTT服務器常用的幾個端口已經(jīng)開放出出來。

3.4 安裝FinalShell

Windows下安裝 FinalShell 終端，方便使用SSH協(xié)議遠程登錄到云服務器。（當然，使用其他方式登錄也是一樣的）

3.5 遠程登錄到云服務器終端

【1】新建連接，選擇SSH連接。

【2】填入IP地址、用戶名、密碼

這里的主機就是填服務器的公網(wǎng)IP地址，密碼就是創(chuàng)建服務器輸入的密碼，用戶名直接用root。

【3】點擊連接服務器

【4】第一次登錄會彈出提示框，選擇接受并保存

【5】接下來可以看到服務器已經(jīng)登錄成功了。

四、Linux下安裝EMQX

本章節(jié)將介紹如何在 Ubuntu 系統(tǒng)中下載安裝并啟動 EMQX。

支持的 Ubuntu 版本：

Ubuntu 22.04
Ubuntu 20.04
Ubuntu 18.04

4.1 官網(wǎng)地址

鏈接：https://www.emqx.io/docs/zh/v5.2/deploy/install-ubuntu.html

4.2 通過Apt源安裝

EMQX 支持通過 Apt 源安裝，免除了用戶需要手動處理依賴關系和更新軟件包等的困擾，具有更加方便、安全和易用等優(yōu)點。

在命令行終端，復制下面的命令過去，按下回車鍵。

【1】通過以下命令配置 EMQX Apt 源：

curl -s https://assets.emqx.com/scripts/install-emqx-deb.sh | sudo bash

【2】運行以下命令安裝 EMQX：

sudo apt-get install emqx

【3】運行以下命令啟動 EMQX：

sudo systemctl start emqx

過程如下：

4.3 EMQX常用的命令

sudo systemctl emqx start    啟動
sudo systemctl emqx stop     停止
sudo systemctl emqx restart  重啟

五、配置EMQX服務器

5.1 登錄EMQX內(nèi)置管理控制臺

EMQX 提供了一個內(nèi)置的管理控制臺，即 EMQX Dashboard。方便用戶通過 Web 頁面就能輕松管理和監(jiān)控 EMQX 集群，并配置和使用所需的各項功能。

在瀏覽器里輸入: http://122.112.225.194:18083 就可以訪問EMQX的后臺管理頁面?？梢怨芾硪赃B接的客戶端或檢查運行狀態(tài)。

這里面的IP地址，就是自己ECS云服務器的公網(wǎng)IP地址。

打開瀏覽器后，輸入地址后打開的效果：

默認用戶名和密碼：

用戶名：admin
密碼：public

第一次登錄會提示你修改新密碼，如果不想設置，也可以選擇跳過（公網(wǎng)服務器部署，還是要修改密碼安全些）。

下面修改新密碼：

登錄成功的頁面顯示如下：

5.2 MQTT配置

這里可以配置MQTT的一些參數(shù)，根據(jù)自己的需求進行配置。

5.3 測試MQTT通信

新建一個客戶端，點擊連接。

連接之后，然后點擊訂閱，和發(fā)布，如果下面消息能正常的接收。說明MQTT服務器通信是已經(jīng)正常，沒問題了。

并且在這個頁面也可以看到主題發(fā)布和主題訂閱的格式。

5.4 MQTT客戶端登錄服務器測試

接下來就打開我們自己的MQTT客戶端登錄MQTT服務器進行測試數(shù)據(jù)的通信。

端口選擇: 1883

根據(jù)軟件參數(shù)填入?yún)?shù)，登錄，進行主題的發(fā)布和訂閱。

說明：目前還沒有配置客戶端認證，現(xiàn)在只要IP和端口輸入正確，MQTT三元組可以隨便輸入，都可以登錄上服務器的，服務器沒有對三元組做校驗。

EMQ X 默認配置中啟用了匿名認證，任何客戶端都能接入 EMQX。沒有啟用認證插件或認證插件沒有顯式允許/拒絕（ignore）連接請求時，EMQX 將根據(jù)匿名認證啟用情況決定是否允許客戶端連接。

然后打開EMQX的管理后臺，可以看到我們的設備已經(jīng)登錄服務器了，名字為test1。

在訂閱主題的頁面也可以看到我們客戶端設備訂閱的主題。

5.5 客戶端認證配置

EMQX 默認配置中啟用了匿名認證，任何客戶端都能接入 EMQX。沒有啟用認證插件或認證插件沒有顯式允許/拒絕（ignore）連接請求時，EMQX 將根據(jù)匿名認證啟用情況決定是否允許客戶端連接。

在正式產(chǎn)品里肯定是要啟用認證的，不然任何設備都能接入。

下面就介紹如何配置客戶端認證。

【1】打開客戶端認證頁面

【2】選擇密碼認證

【3】選擇內(nèi)置數(shù)據(jù)庫

【4】設置認證方式（都可以默認，不用改），直接點擊創(chuàng)建。

【5】創(chuàng)建成功后，點擊用戶管理

【6】添加用戶

【7】添加成功

【8】添加完畢之后，打開MQTT客戶端可以進行測試。

登錄的時候，MQTT用戶名和密碼必須輸入正確，按照上一步添加的信息進行如實填寫，否則是無法登錄服務器的。

5.6 客戶端授權配置

客戶端授權頁面可以配置每個客戶端(設備)的主題發(fā)布，訂閱權限。限制它是否可以發(fā)布主題，訂閱主題。如果有需要就可以進行配置。

http://127.0.0.1:18083/#/authorization/detail/built_in_database?tab=users

【1】創(chuàng)建數(shù)據(jù)源

【2】選擇內(nèi)置數(shù)據(jù)庫

【3】完成創(chuàng)建

【4】點擊權限管理

【5】選擇客戶端ID，點擊添加

【6】配置權限

5.7 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)(集成)

在集成選項里，可以對設備數(shù)據(jù)處理。比如：轉(zhuǎn)發(fā)到自己的HTTP服務器，轉(zhuǎn)發(fā)到自己其他的MQTT服務器，創(chuàng)建規(guī)則，某些事件觸發(fā)某些動作等等。

選擇數(shù)據(jù)橋接。

可以把數(shù)據(jù)發(fā)送端自己的HTTP服務器，或者發(fā)送到其他的MQTT服務器。

選擇HTTP服務（如果自己有HTTP服務器，可以將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給自己的HTTP服務器）。

七、MQTT客戶端消息互發(fā)測試

7.1 添加2個設備

為了方便測試設備間互相訂閱主題，數(shù)據(jù)收發(fā)，在客戶端認證頁面至少添加2個設備。我這里分別添加了test1和test2。

7.2 設備間測試

設備A訂閱設備B的主題，設備B訂閱設備A的主題，實現(xiàn)數(shù)據(jù)互發(fā)。

設備A的MQTT信息：

MQTT服務器地址：122.112.225.194
MQTT服務器端口號：1883
MQTT客戶端ID：AAA
MQTT用戶名：test1
MQTT登錄密碼：12345678

訂閱主題：BBB/#
發(fā)布主題：AAA/1
發(fā)布的消息：{ "msg": "我是AAA設備" }

設備B的MQTT信息：

MQTT服務器地址：122.112.225.194
MQTT服務器端口號：1883
MQTT客戶端ID：BBB
MQTT用戶名：test2
MQTT登錄密碼：12345678

訂閱主題：AAA/#
發(fā)布主題：BBB/1
發(fā)布的消息：{ "msg": "我是BBB設備" }

八、STM32硬件端開發(fā)

8.1 BC26模塊的AT指令調(diào)試過程

BC20/BC26 開啟GPS、連接MQTT服務器的AT指令發(fā)送流程。

(1)查詢模塊是否正常

AT

OK

(2)獲取卡號,查詢卡是否插好

AT+CIMI

460041052911195

OK

(3)激活網(wǎng)絡

AT+CGATT=1

OK

(4)獲取網(wǎng)絡激活狀態(tài)

AT+CGATT?

+CGATT: 1

OK

(5)查詢網(wǎng)絡質(zhì)量

AT+CSQ

+CSQ: 26,0

OK

(6)檢查網(wǎng)絡狀態(tài)

AT+CEREG=? //檢查網(wǎng)絡狀態(tài)
+CEREG: 0,1 //找網(wǎng)成功
OK

(7)激活GPS

激活GPS，要等一段時間
AT+QGNSSC=1

OK

(8)查詢GPS激活狀態(tài)

查詢激活狀態(tài)，1表示成功激活
AT+QGNSSC?

+QGNSSC: 1

OK

(9)獲取一次GPS定位語句

AT+QGNSSRD="NMEA/RMC"
+QGNSSRD: $GNRMC,120715.00,A,3150.78179,N,11711.93433,E,0.000,,310818,,,A,V*19
OK

(10)連接MQTT服務器

AT+QMTOPEN=0,"a161a58a78.iot-mqtts.cn-north-4.myhuaweicloud.com",1883

OK

+QMTOPEN: 0,0

(11)登錄MQTT服務器

命令格式: AT+QMTCONN=<tcpconnectID>,<clientID>,<username>,<password>
AT+QMTCONN=0,"6210e8acde9933029be8facf_dev1_0_0_2022021913","6210e8acde9933029be8facf_dev1","6cea55404b463e666cd7a6060daba745bbaa17fe7078dfef45f8151cdf19673d"

OK

+QMTCONN: 0,0,0

(12)訂閱主題

命令格式: AT+QMTSUB=<tcpconnectID>,<msgID>,"<topic1>”,<qos1>[,"<topic2>”,<qos2>…]

AT+QMTSUB=0,1,"$oc/devices/6210e8acde9933029be8facf_dev1/sys/messages/down",2

OK

+QMTSUB: 0,1,0,2

(13)發(fā)布主題

命令格式:AT+QMTPUB=<tcpconnectID>,<msgID>,<qos>,<retain>,"<topic>","<msg>"

先發(fā)送指令: 
AT+QMTPUB=0,0,0,0,"$oc/devices/6210e8acde9933029be8facf_dev1/sys/properties/repor"

等待返回 ">" 
接著發(fā)送數(shù)據(jù).不需要加回車。
"{"services": [{"service_id": "gps","properties":{"longitude":12.345,"latitude":33.345}}]}"
數(shù)據(jù)發(fā)送完畢，再發(fā)送結(jié)束符。 十六進制的值--0x1a  。某些串口調(diào)試助手可以適應ctrl+z 快捷鍵輸入0xA
等待模塊返回"OK",到此數(shù)據(jù)發(fā)送完成。    
OK

+QMTPUB: 0,0,0

8.2 BH1750傳感器

下面貼出的是BH1750核心讀取代碼，因為BH1750本身就是標準的IIC協(xié)議，下面就不貼出IIC協(xié)議了，直接貼出封裝讀取光敏信息的代碼。

#include "bh1750.h"
float Read_BH1750_Data()
{
    unsigned char t0;
    unsigned char t1;
    float t;
    u8 r_s=0;
    IIC_Start(); //發(fā)送起始信號
    IIC_WriteOneByteData(0x46);
    r_s=IIC_GetACK();//獲取應答
    if(r_s)printf("error:1rn");
    IIC_WriteOneByteData(0x01);
    r_s=IIC_GetACK();//獲取應答
     if(r_s)printf("error:2rn");
    IIC_Stop(); //停止信號 
    
    IIC_Start(); //發(fā)送起始信號
    IIC_WriteOneByteData(0x46);
    r_s=IIC_GetACK();//獲取應答
    if(r_s)printf("error:3rn");
    IIC_WriteOneByteData(0x01);
    r_s=IIC_GetACK();//獲取應答
    if(r_s)printf("error:4rn");
    IIC_Stop(); //停止信號 
    
    IIC_Start(); //發(fā)送起始信號
    IIC_WriteOneByteData(0x46);
    r_s=IIC_GetACK();//獲取應答
    if(r_s)printf("error:5rn");
    IIC_WriteOneByteData(0x10);
    r_s=IIC_GetACK();//獲取應答
    if(r_s)printf("error:6rn");
    IIC_Stop(); //停止信號 
    
    DelayMs(100); //等待
    
    IIC_Start(); //發(fā)送起始信號
    IIC_WriteOneByteData(0x47);
    r_s=IIC_GetACK();//獲取應答
    if(r_s)printf("error:7rn");
    
    t0=IIC_ReadOneByteData(); //接收數(shù)據(jù)
    IIC_SendACK(0); //發(fā)送應答信號
    t1=IIC_ReadOneByteData(); //接收數(shù)據(jù)
    IIC_SendACK(1); //發(fā)送非應答信號
    IIC_Stop(); //停止信號
    
     t=(((t0<<8)|t1)/1.2);
     return t;  
}

8.3 DHT11溫濕度模塊

下面貼出的是 DHT11 溫濕度傳感器驅(qū)動代碼。

#include "dht11.h"
#include "delay.h"

//復位DHT11
void DHT11_Rst(void)	   
{                 
	  DHT11_IO_OUT(); 	//SET OUTPUT
    DHT11_DQ_OUT=0; 	//拉低DQ
    DelayMs(20);    	//拉低至少18ms
    DHT11_DQ_OUT=1; 	//DQ=1 
	  DelayUs(30);     	//主機拉高20~40us
}
//等待DHT11的回應
//返回1:未檢測到DHT11的存在
//返回0:存在
u8 DHT11_Check(void) 	   
{   
	u8 retry=0;
	DHT11_IO_IN();//SET INPUT	 
  while (DHT11_DQ_IN&&retry<100)//DHT11會拉低40~80us
	{
		retry++;
		DelayUs(1);
	};	 
	if(retry>=100)return 1;
	else retry=0;
    while (!DHT11_DQ_IN&&retry<100)//DHT11拉低后會再次拉高40~80us
	{
		retry++;
		DelayUs(1);
	};
	if(retry>=100)return 1;	    
	return 0;
}
//從DHT11讀取一個位
//返回值：1/0
u8 DHT11_Read_Bit(void) 			 
{
 	u8 retry=0;
	while(DHT11_DQ_IN&&retry<100)//等待變?yōu)榈?a class="article-link" target="_blank" href="/baike/1465710.html">電平
	{
		retry++;
		DelayUs(1);
	}
	retry=0;
	while(!DHT11_DQ_IN&&retry<100)//等待變高電平
	{
		retry++;
		DelayUs(1);
	}
	DelayUs(40);//等待40us
	if(DHT11_DQ_IN)return 1;
	else return 0;		   
}

//從DHT11讀取一個字節(jié)
//返回值：讀到的數(shù)據(jù)
u8 DHT11_Read_Byte(void)    
{        
    u8 i,dat;
    dat=0;
	for (i=0;i<8;i++) 
	{
   		dat<<=1; 
	    dat|=DHT11_Read_Bit();
    }						    
    return dat;
}


//從DHT11讀取一次數(shù)據(jù)
//temp:溫度值(范圍:0~50°)
//humi:濕度值(范圍:20%~90%)
//返回值：0,正常;1,讀取失敗
u8 DHT11_Read_Data(u8 *temp,u8 *humi)    
{        
 	u8 buf[5];
	u8 i;
	DHT11_Rst();
	//printf("------------------------rn");
	if(DHT11_Check()==0)
	{
		for(i=0;i<5;i++)//讀取40位數(shù)據(jù)
		{
			buf[i]=DHT11_Read_Byte();
		}
		if((buf[0]+buf[1]+buf[2]+buf[3])==buf[4])
		{
			*humi=buf[0];
			*temp=buf[2];
		}
	}else return 1;
	return 0;	    
}


//初始化DHT11的IO口 DQ 同時檢測DHT11的存在
//返回1:不存在
//返回0:存在    	 
u8 DHT11_Init(void)
{
	RCC->APB2ENR|=1<<2;    //使能PORTA口時鐘 
	GPIOA->CRL&=0XFF0FFFFF;//PORTA.5 推挽輸出
	GPIOA->CRL|=0X00300000;
	GPIOA->ODR|=1<<5;      //輸出1				    
	DHT11_Rst();
	return DHT11_Check();
}

8.4 土壤濕度傳感器

通過 ADC 模塊讀取土壤濕度代碼：

#include "stm32f1xx_hal.h"
#include "stdio.h"

ADC_HandleTypeDef hadc1;
UART_HandleTypeDef huart1;

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;

    while (1)
    {
        HAL_ADC_Start(&hadc1); // 啟動 ADC 轉(zhuǎn)換
        if (HAL_ADC_PollForConversion(&hadc1, 100) == HAL_OK)
        {
            adc_value = HAL_ADC_GetValue(&hadc1); // 讀取 ADC 值
            char buffer[50];
            sprintf(buffer, "Soil Moisture: %drn", adc_value);
            HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t *)buffer, strlen(buffer), HAL_MAX_DELAY); // 通過串口打印土壤濕度數(shù)據(jù)
        }
        HAL_Delay(1000); // 延時1秒
    }
}

void SystemClock_Config(void)
{
    // 略，根據(jù)實際情況配置系統(tǒng)時鐘
}

static void MX_ADC1_Init(void)
{
    ADC_ChannelConfTypeDef sConfig = {0};

    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_0; // 修改為實際連接的通道
    sConfig.Rank = 1;
    sConfig.SamplingTime = ADC_SAMPLETIME_13CYCLES_5; // 根據(jù)實際情況調(diào)整采樣時間
    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)
{
    while (1)
    {
    }
}

#ifdef USE_FULL_ASSERT
void assert_failed(uint8_t *file, uint32_t line)
{
}
#endif

8.5 硬件連線

硬件連接方式:
1. TFT 1.44 寸彩屏接線
GND   電源地
VCC   接5V或3.3v電源
SCL   接PC8（SCL）
SDA   接PC9（SDA）
RST   接PC10
DC    接PB7
CS    接PB8
BL	  接PB11


2. 板載LED燈接線
LED1---PA8
LED2---PD2 （被串口占用）


3. 板載按鍵接線
K0---PA0 
K1---PC5 
K2---PA15


4. ESP8266--WiFi模塊
ATK-ESP8266串口WIFI模塊與STM32的串口2相連接。
PA2(TX)--RXD 模塊接收腳
PA3(RX)--TXD 模塊發(fā)送腳
GND---GND 地
VCC---VCC 電源（3.3V~5.0V）


5. 環(huán)境光檢測檢測：BH1750數(shù)字傳感器
SDA-----PB7
SCL-----PB6
GND---GND 地
VCC---VCC 電源（3.3V~5.0V）


6. 溫濕度傳感器: DHT11
VCC--VCC
GND---GND
DAT---PA5 


7. 土壤濕度傳感器
VCC--->5V
GND--->GND
DAT--->PA1


8. 繼電器控制--水泵抽水
VCC--->5V
GND--->GND
DAT--->PA6

8.6 KEIL工程

8.7 取模軟件使用

本地設備的LCD顯示屏上會顯示各種傳感器數(shù)據(jù)，需要用到中文、數(shù)字、字母。

當前使用的取模軟件如下：

這是軟件的設置頁面：

8.8 核心代碼

   while(1)
   {
        //按鍵可以手動控制開啟水泵和補光燈
        key=KEY_Scan();
        if(key)printf("key=%drn",key);
       
        //模式切換
        if(key==2)
        {
            mode=!mode; //模式切換
            printf("按鍵按下: 執(zhí)行模式切換: %drn",mode);
        }  
       
        //控制水泵開關
        if(key==1)
        {
            MOTOR=!MOTOR;
            printf("控制水泵開關: %drn",MOTOR);
        }      
        //輪詢時間到達
        if(time_cnt>20)
        {
            //模式顯示
            if(mode)  //自動模式
            {
                LCD_ShowChineseFont(90,16*6+2,16,HZ_FONT_16[28],RED,0);
                LCD_ShowChineseFont(90+16,16*6+2,16,HZ_FONT_16[29],RED,0);
            }
            else    //手動模式
            {
                LCD_ShowChineseFont(90,16*6+2,16,HZ_FONT_16[30],RED,0);
                LCD_ShowChineseFont(90+16,16*6+2,16,HZ_FONT_16[31],RED,0);
            }
            
            //放到水里61，接觸空氣是135
            //越濕潤值越小，越干旱值越大
            //土壤濕度
            SOIL=GetAdcCHxDATA(1);
            SOIL = 4095 - SOIL;  //將干燥度轉(zhuǎn)為濕度
            printf("土壤濕度:%drn",SOIL);
            SOIL = (float)SOIL / (float)4095 * 100.0;
            
            //【土壤濕度顯示】        
            sprintf(data_buff,"%5d",SOIL);
            Gui_DrawFont_GBK16(72,16*4+2,RED,0,(u8*)data_buff);

            //自動模式下控制自動澆水
            if(mode)
            {
                //如果 SOIL <=0 表示是非法值，沒有放在土壤里
                if(SOIL>1)
                {
                    //根據(jù)濕度自動開關水泵澆水
                    //這里的值根據(jù)自己實際測試情況修改
                    if(SOIL<MAX_SOIL)
                    {
                        //第一次進來，才需要清除計數(shù)變量
                        if(motor_flag==0)
                        {
                            motor_sec_cnt=0;
                        }
                        motor_flag=1;  //澆水
                    }
                    else
                    {
                        motor_flag=0;  //停止?jié)菜?
                    } 
                }
                
            }
            
            //【濕度閥值顯示】
            sprintf(data_buff,"%4d",MAX_SOIL);
            Gui_DrawFont_GBK16(72,16*5+2,RED,0,(u8*)data_buff);
                
            //【1】光強度
            //讀取光強度
            BH1750=Read_BH1750_Data();
            printf("光強度:%drn",BH1750);

            //顯示光強度
            sprintf(data_buff,"%4d",BH1750);
            Gui_DrawFont_GBK16(72,16*2+2,RED,0,(u8*)data_buff);
            
            
            //【2】溫濕度
            //讀取溫濕度
            if(DHT11_Read_Data(&DHT11_T,&DHT11_H))
            {
                printf("溫度讀取失敗.rn");
            }
              
            printf("環(huán)境溫度:%drn環(huán)境濕度:%drn",DHT11_T,DHT11_H);

            //顯示溫度
            sprintf(data_buff,"%4d",DHT11_T);
            Gui_DrawFont_GBK16(72,16*0+2,RED,0,(u8*)data_buff);
            
            //顯示濕度
            sprintf(data_buff,"%4d",DHT11_H);
            Gui_DrawFont_GBK16(72,16*1+2,RED,0,(u8*)data_buff);
            
             //土壤溫度
            DS18B20=DS18B20_Get_Temp();

            //轉(zhuǎn)換土壤溫度
            sprintf(data_buff,"%d.%d",DS18B20>>4,DS18B20&0xF);   
            f_ds18b02=atof(data_buff);
            
            //顯示土壤溫度
            sprintf(data_buff,"%6.2f",f_ds18b02);
            Gui_DrawFont_GBK16(72,16*4+2,RED,0,(u8*)data_buff);
            
            printf("環(huán)境溫度:%d℃n",DHT11_T);
            printf("環(huán)境濕度:%dn",DHT11_H);
            printf("土壤濕度:%drn",SOIL);
            printf("土壤溫度:%frn",f_ds18b02);
            
            time_cnt=0;
            LED1=!LED1;
            
            //上報數(shù)據(jù)
            sprintf(data_buff,"{"services": [{"service_id": "stm32","properties":{"DHT11_T":%d,"DHT11_H":%d,"BH1750":%d,"SOIL":%d,"DS18B20":%f,"MOTOR":%d,"mode":%d,"MAX_SOIL":%d}}]}",
            DHT11_T,DHT11_H,BH1750,SOIL,f_ds18b02,MOTOR,mode,MAX_SOIL);
            
            MQTT_PublishData(POST_TOPIC,data_buff,0);
            printf("更新數(shù)據(jù).rn");
        }
        
        
        //接收WIFI返回的數(shù)據(jù)
        if(USART3_RX_FLAG)
        {
            USART3_RX_BUFFER[USART3_RX_CNT]='?';
            
            printf("WIFI收到數(shù)據(jù):rn");
            //向串口打印服務器返回的數(shù)據(jù)
            for(i=0;i<USART3_RX_CNT;i++)
            {
                printf("%c",USART3_RX_BUFFER[i]);
            }
            
            //如果是服務器下發(fā)了屬性事件  
            if(USART3_RX_CNT>5)
            {
                //開澆水電機
                if(strstr((char*)&USART3_RX_BUFFER[5],""MOTOR":1"))
                {
                    motor_sec_cnt=0;
                    motor_flag=1;
                }
                //關澆水電機
                else if(strstr((char*)&USART3_RX_BUFFER[5],""MOTOR":0"))
                {
                    motor_flag=0;
                }
                //設置濕度閥值
                else if(strstr((char*)&USART3_RX_BUFFER[5],""MAX_SOIL":"))
                {
                    find_p=strstr((char*)&USART3_RX_BUFFER[5],""MAX_SOIL":");
                    MAX_SOIL=atoi(find_p+11);
                    printf("設置濕度閥值:%drn",MAX_SOIL);
                }
                
                //自動模式
                if(strstr((char*)&USART3_RX_BUFFER[5],""mode":1"))
                {
                    mode=1;
                }
                //手動模式
                else if(strstr((char*)&USART3_RX_BUFFER[5],""mode":0"))
                {
                    mode=0;
                }
                
                
                //使用字符串查找函數(shù)
                //設置屬性,澆水
                //"motor":1
                if(strstr((char*)&USART3_RX_BUFFER[5],"sys/commands/request_id="))
                {
                    char *p=NULL;
                    p=strstr((char*)&USART3_RX_BUFFER[5],"request_id=");
                    if(p)
                    {        
                        //解析數(shù)據(jù)
                        //$oc/devices/6434f5044f1d6803244e5db4_dev1/sys/commands/request_id=d2d11779-5bf6-42e5-a5b8-6efc91c7166c{"paras":{"MOTOR":1},"service_id":"stm32","command_name":"澆水電機控制"}
                        strncpy(request_id,p,47);      
                    }
                    
                    //上報數(shù)據(jù)
                    sprintf(mqtt_message,"{"result_code":0,"response_name":"COMMAND_RESPONSE","paras":{"result":"success"}}");
                    
                    sprintf(data_buff,"$oc/devices/6434f5044f1d6803244e5db4_dev1/sys/commands/response/%s",
                    request_id);
                    
                    MQTT_PublishData(data_buff,mqtt_message,0);
                    
                    printf("發(fā)布主題:%srn",data_buff);
                    printf("發(fā)布數(shù)據(jù):%srn",mqtt_message);
                }      
            }
            
            USART3_RX_CNT=0;
            USART3_RX_FLAG=0;
        }
        
        DelayMs(10);
        time_cnt++;
	 }

8.9 程序正常運行效果

設備運行過程中會通過串口打印調(diào)試信息，我們可以通過串口打印了解程序是否正常。比如：ESP8266是否聯(lián)網(wǎng)成功，是否連接到服務器。

8.10 硬件技術問題

（1）STM32與物聯(lián)網(wǎng)服務器的交互協(xié)議

STM32硬件端與物聯(lián)網(wǎng)服務器通過WIFI進行通信。每間隔一端時間，STM32就會向物聯(lián)網(wǎng)服務器上傳當前傳感器的數(shù)據(jù)。

傳感器上傳組合的MQTT主題報文格式如下：

//上報數(shù)據(jù)
sprintf(data_buff,"{"services": [{"service_id": "stm32","properties":{"DHT11_T":%d,"DHT11_H":%d,"BH1750":%d,"SOIL":%d,"DS18B20":%f,"MOTOR":%d,"mode":%d,"MAX_SOIL":%d}}]}",
DHT11_T,DHT11_H,BH1750,SOIL,f_ds18b02,MOTOR,mode,MAX_SOIL);

MQTT_PublishData(POST_TOPIC,data_buff,0);

手機APP給STM32下發(fā)的消息：

len:162,Data:f$oc/devices/6434f5044f1d6803244e5db4_dev1/sys/commands/request_id=c1dc39a7-97d1-49f4-bee3-c6bc96e002c4{"paras":{"MOTOR":0},"service_id":null,"command_name":null}
len:166,Data:f$oc/devices/6434f5044f1d6803244e5db4_dev1/sys/commands/request_id=b5c6cee2-c3fc-4fc9-a9c5-8528e180ece4{"paras":{"MAX_SOIL":60},"service_id":null,"command_name":null}
len:166,Data:f$oc/devices/6434f5044f1d6803244e5db4_dev1/sys/commands/request_id=11715fde-1f5b-4864-8499-73cbedc24ec9{"paras":{"MAX_SOIL":89},"service_id":null,"command_name":null}
len:162,Data:f$oc/devices/6434f5044f1d6803244e5db4_dev1/sys/commands/request_id=29f10139-e414-4632-aeb1-4d17ac6a3959{"paras":{"MOTOR":1},"service_id":null,"command_name":null}
len:161,Data:f$oc/devices/6434f5044f1d6803244e5db4_dev1/sys/commands/request_id=86722292-d182-485a-a20f-e980643ead0e{"paras":{"mode":0},"service_id":null,"command_name":null}

（2）ESP8266-WIFI功能介紹

當前項目采用ESP8266模塊完成與智慧大屏的通訊，ESP8266支持AP和STA模式；當前項目里配置成STA模式，去連接指定的WIFI熱點，連接之后配置成TCP客戶端模式，連接智慧大屏創(chuàng)建的TCP服務器，然后就可以進行數(shù)據(jù)傳輸同通訊。ESP8266和智慧大屏必須在一個局域網(wǎng)里才可以連接，也就是需要連接同一個熱點。

下面是ESP8266的特點介紹：

ESP8266是一款Wi-Fi適用的可編程網(wǎng)絡單芯片，搭載一個Tensilica L106 32-位處理器，可支持802.11 b/g/n Wi-Fi 功能，還有一個低功耗的10-bit精度的模擬/數(shù)字信號處理器和高度集成的低功耗，高安全性的TLS/SSL協(xié)議核心，能夠支持用戶終端上的全功能的低成本IoT應用。

（3）DHT11溫濕度傳感器

DHT11是一款有已校準數(shù)字信號輸出的溫濕度傳感器。其精度濕度±5%RH，溫度±2℃，量程濕度5~95%RH，溫度-20~+60℃。

DHT11應用專用的數(shù)字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性和卓越的長期穩(wěn)定性。傳感器包括一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件，并與一個高性能8位單片機相連接。因此該產(chǎn)品具有品質(zhì)卓越、超快響應、抗干擾能力強、性價比極高等優(yōu)點。每個DHT11傳感器都在極為精確的濕度校驗室中進行校準。校準系數(shù)以程序的形式存在OTP內(nèi)存中，傳感器內(nèi)部在檢測信號的處理過程中要調(diào)用這些校準系數(shù)。單線制串行接口，使系統(tǒng)集成變得簡易快捷。超小的體積、極低的功耗，使其成為該類應用中，在苛刻應用場合的最佳選擇。產(chǎn)品為4針單排引腳封裝，連接方便。

該傳感器包括一個電阻式測濕元件和一個 NTC測溫元件，并與一個高性能 8 位單片機相連接。通過單片機等微處理器簡單的電路連接就能夠?qū)崟r的采集本地濕度和溫度。DHT11 與單片機之間能采用簡單的單總線進行通信，僅僅需要一個 I/O 口。傳感器內(nèi)部濕度和溫度數(shù)據(jù) 40Bit 的數(shù)據(jù)一次性傳給單片機，數(shù)據(jù)采用校驗和方式進行校驗，有效的保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏蚀_性。DHT11 功耗很低，5V 電源電壓下，工作平均最大電流 0.5mA。

DHT11 的技術參數(shù)如下：

? 工作電壓范圍：3.3V-5.5V
? 工作電流 ：平均 0.5mA
? 輸出：單總線數(shù)字信號
? 測量范圍：濕度 20~90％RH，溫度 0~50℃
? 精度 ：濕度±5%，溫度±2℃
? 分辨率 ：濕度 1%，溫度 1℃

DHT11 數(shù)字濕溫度傳感器采用單總線數(shù)據(jù)格式。即，單個數(shù)據(jù)引腳端口完成輸入輸出雙向傳輸。其數(shù)據(jù)包由 5Byte（40Bit）組成。數(shù)據(jù)分小數(shù)部分和整數(shù)部分，一次完整的數(shù)據(jù)傳輸為40bit，高位先出。

DHT11 的數(shù)據(jù)格式為：8bit 濕度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit 濕度小數(shù)數(shù)據(jù)+8bit 溫度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit 溫度小數(shù)數(shù)據(jù)+8bit 校驗和。其中校驗和數(shù)據(jù)為前四個字節(jié)相加。

九、硬件選型

【1】母對母杜邦線

作用：連接模塊與單片機。

鏈接：https://detail.tmall.com/item.htm?ali_refid=a3_430582_1006:1104520036:N:MsF9mE9KLTC2IibWJh%20K1A==:adaa6d3d7abe6f1f07b87a36416ee4fb&ali_trackid=1_adaa6d3d7abe6f1f07b87a36416ee4fb&id=14466195609&skuId=3936936817454&spm=a230r.1.14.1

【2】洞洞板

鏈接：https://detail.tmall.com/item.htm?spm=a230r.1.14.34.16b221829wBwAI&id=525489414251&ns=1&abbucket=9&skuId=3929211749440

【3】USB下載線

鏈接：https://detail.tmall.com/item.htm?areaId=500100&cat_id=2&id=36635861113&is_b=1&rn=b29713f11d07002439272415bce5c7e1&skuId=3762719825529&spm=a220m.1000858.1000725.31.46e677b4qLTl6B&user_id=1695056989

【4】STM32F103RCT6開發(fā)板

主控CPU采用STM32F103RCT6，這顆芯片包括48 KB SRAM、256 KB Flash、2個基本定時器、4個通用定時器、2個高級定時器、51個通用IO口、5個串口、2個DMA控制器、3個SPI、2個I2C、1個USB、1個CAN、3個12位ADC、1個12位DAC、1個SDIO接口，芯片屬于大容量類型，配置較高，整體符合硬件選型設計。當前選擇的這款開發(fā)板自帶了一個1.4寸的TFT-LCD彩屏，可以顯示當前傳感器數(shù)據(jù)以及一些運行狀態(tài)信息。

鏈接：https://detail.tmall.com/item.htm?id=540109077095&skuId=4456080806080&spm=a1z0d.6639537.1997196601.4.69157484Ospeps

【5】 DHT11溫濕度傳感器

DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準數(shù)字信號輸出的溫濕度復合傳感器。它應用專用的數(shù)字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，確保產(chǎn)品具有可靠性與卓越的長期穩(wěn)定性，成本低、相對濕度和溫度測量、快響應、抗干擾能力強、信號傳輸距離長、數(shù)字信號輸出、精確校準。傳感器包括一個電容式感濕元件和一個NTC測溫元件，并與一個高性能8位單片機相連接?？捎糜谂照{(diào)、除濕器、測試及檢測設備、消費品、汽車、自動控制、數(shù)據(jù)記錄器、氣象站、家電、濕度調(diào)節(jié)器、醫(yī)療、其他相關濕度檢測控制。

特點如下：

1、可以檢測周圍環(huán)境的濕度

2、可以檢測周圍環(huán)境的溫度

3、濕度測量范圍:20%-95%（0度-50度范圍）濕度測量誤差:±5%4、溫度測量范圍:o度-50度溫度測量誤差:±2度

4、工作電壓3.3V-5V

5、輸出形式數(shù)字輸出

https://detail.tmall.com/item.htm?id=15598344236&ali_refid=a3_430582_1006:1104520036:N:TAiHo9GD8eTurMzH21/csQ==:bead289475b4a86864858785eb160a52&ali_trackid=1_bead289475b4a86864858785eb160a52&spm=a230r.1.14.1&skuId=4835521242383

【6】BH1750光敏傳感器

鏈接：https://detail.tmall.com/item.htm?abbucket=3&id=543135220776&ns=1&spm=a230r.1.14.16.d7597d40XRn0Ec

【7】 ESP8266 WIFI

鏈接：https://detail.tmall.com/item.htm?spm=a230r.1.14.1.322267d12csSBI&id=609757779633&ns=1&abbucket=9&skuId=4447338308660

■模塊采用串口(LVTTL) 與MCU (或其他串口設備) 通信，內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧，能夠?qū)崿F(xiàn)串口與WIFI之間的轉(zhuǎn)換
■模塊支持LVTTL串口，兼容3…3V和5V單片機系統(tǒng)
■模塊支持串口轉(zhuǎn)WIFI STA、串口轉(zhuǎn)AP和WIFI STA+WIFI AP的模式，從而快速構(gòu)建串口-WIFI數(shù)據(jù)傳輸方案
■模塊小巧(19mm*29mm)，通過6個2.54mm間距排針與外部連接

【8】繼電器

鏈接：https://detail.tmall.com/item.htm?abbucket=0&id=41268748362&ns=1&spm=a21n57.1.0.0.1f98523c5N83UP

【9】土壤濕度傳感器

鏈接： https://detail.tmall.com/item.htm?spm=a230r.1.14.16.f54e4813fvxQrB&id=37365775741&ns=1&abbucket=19&skuId=4136086852947

十、上位機開發(fā)

10.1 說明

一套完整的物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品。會分為設備端，服務器，上位機部分。

這個章節(jié)，介紹采用Qt開發(fā)上位機的過程。利用EMQX提供的API接口與MQTT客戶端設備進行通信，完成數(shù)據(jù)上傳，命令下發(fā)等功能。

10.2 查看全部的API接口

幫助文檔地址: https://www.emqx.io/docs/zh/v5.0/admin/api.html#%E8%AE%A4%E8%AF%81

EMQX 提供了管理監(jiān)控 REST API，這些 API 遵循 OpenAPI (Swagger) 3.0 規(guī)范。
EMQX 在 REST API 上做了版本控制，EMQX 5.0.0 以后的所有 API 調(diào)用均以 /api/v5 開頭。

EMQX 服務啟動后，可以訪問 http://localhost:18083/api-docs/index.html (opens new window)來查看 API 的文檔。還可以直接在 Swagger UI 上嘗試執(zhí)行一些 API。

比如： 我的EMQX服務器是在華為云ECS服務器上搭建，公網(wǎng)IP是: 122.112.225.194

那我訪問API文檔的地址就是下面這樣的格式: 在瀏覽器里打開即可。

http://122.112.225.194:18083/api-docs/index.html

訪問效果如下:

10.3 創(chuàng)建API密匙

【1】登錄EMQX的后臺管理頁面: http://122.112.225.194:18083/

【2】找到菜單里的系統(tǒng)設置選項–>API密匙。

【3】創(chuàng)建密匙。

【4】填寫密匙名稱

【5】創(chuàng)建成功

【6】得到API Key 和 Secret Key

API Key    :  f072a6e9758b8cdf
Secret Key :  LzwPB71Yf7PTED39C7RGboz9C9ANhv83ULUynTANgog4hG

10.4 測試API: 獲取節(jié)點信息

上一步已經(jīng)創(chuàng)建好API的訪問密匙，這里就以獲取節(jié)點信息為例，調(diào)用獲取節(jié)點信息的API接口，獲取節(jié)點信息。

接口在API文檔里的介紹：

根據(jù)前面的API訪問路徑規(guī)則說明；那么，獲取節(jié)點信息的API完整訪問路徑為：

http://122.112.225.194:18083/api/v5/nodes

接下來就用python寫一份代碼，測試一下接口是否可以正常訪問。 python代碼直接放服務器運行（主要是我本地沒有安裝python環(huán)境，云服務器的環(huán)境是已經(jīng)安裝OK的，測試方便）。

【1】在云服務器上創(chuàng)建一個python文件，方便測試代碼

【2】創(chuàng)建之后FinaShell自動上傳到服務器

【3】編輯代碼

在這里雙擊要編輯的文件，就可以打開文件進行編輯。默認采用內(nèi)置的編輯器，也可以選擇自己電腦上的外置編輯器。

【4】代碼編輯完成，按下鍵盤快捷鍵Ctrl + S 保存文件內(nèi)容，保存之后文件內(nèi)容會自動同步到服務器。

保存后提示，自動上傳。

寫入的代碼如下：

import urllib.request
import json
import base64

username = 'f072a6e9758b8cdf'
password = 'LzwPB71Yf7PTED39C7RGboz9C9ANhv83ULUynTANgog4hG'

url = 'http://122.112.225.194:18083/api/v5/nodes'

req = urllib.request.Request(url)
req.add_header('Content-Type', 'application/json')

auth_header = "Basic " + base64.b64encode((username + ":" + password).encode()).decode()
req.add_header('Authorization', auth_header)

with urllib.request.urlopen(req) as response:
    data = json.loads(response.read().decode())

print(data)

【5】執(zhí)行代碼，返回結(jié)果

通過返回信息來看，節(jié)點信息獲取是沒有問題的。

root@emqx:~/emqx# python3 http_api_test.sh 
[{'connections': 0, 'edition': 'Opensource', 'live_connections': 0, 'load1': 0.0, 'load15': 0.0, 'load5': 0.0, 'log_path': '/var/log/emqx', 'max_fds': 1048576, 'memory_total': '3.66G', 'memory_used': '612.59M', 'node': 'emqx@127.0.0.1', 'node_status': 'running', 'otp_release': '25.3.2-2/13.2.2', 'process_available': 2097152, 'process_used': 543, 'role': 'core', 'sys_path': '/usr/lib/emqx', 'uptime': 84000040, 'version': '5.3.1-alpha.1'}]
root@emqx:~/emqx# python3 http_api_test.sh 
[{'connections': 0, 'edition': 'Opensource', 'live_connections': 0, 'load1': 0.0, 'load15': 0.0, 'load5': 0.0, 'log_path': '/var/log/emqx', 'max_fds': 1048576, 'memory_total': '3.66G', 'memory_used': '613.23M', 'node': 'emqx@127.0.0.1', 'node_status': 'running', 'otp_release': '25.3.2-2/13.2.2', 'process_available': 2097152, 'process_used': 543, 'role': 'core', 'sys_path': '/usr/lib/emqx', 'uptime': 84008046, 'version': '5.3.1-alpha.1'}]

10.5 在線調(diào)試(獲取主題列表)

在編寫代碼之前，可以先測試下API接口的效果，可以直接在Swagger UI界面直接調(diào)試API。

地址: http://122.112.225.194:18083/api-docs/index.html#/

例如：以獲取以訂閱主題列表的API接口為例。

【1】在Swagger UI界面上找到對應的API接口。

【2】點擊API說明，展開詳情

【3】點擊右邊的試試看按鈕。

【4】點擊執(zhí)行

【5】然后會彈出提示框，讓你填入用戶名和密碼。

這個用戶名和密碼就是前面創(chuàng)建API密匙生成的API Key（用戶名） 和 Secret Key（密碼） 。

API Key    :  f072a6e9758b8cdf
Secret Key :  LzwPB71Yf7PTED39C7RGboz9C9ANhv83ULUynTANgog4hG

【6】根據(jù)提示輸入用戶名和密碼，再點擊登錄。

【7】再次點擊執(zhí)行，就可以看到接口返回的數(shù)據(jù)了。

并且在頁面上也寫出了，請求的信息。使用curl命令行給出詳細的請求過程，參考這個就可以自己寫代碼了。

【8】API調(diào)用,curl命令行執(zhí)行代碼如下：

curl -X 'GET' 
  'http://122.112.225.194:18083/api/v5/topics?node=emqx%40127.0.0.1&page=1&limit=50' 
  -H 'accept: application/json'

【9】python代碼實現(xiàn)

import requests  
  
url = 'http://122.112.225.194:18083/api/v5/topics?node=emqx%40127.0.0.1&page=1&limit=50'  
headers = {'accept': 'application/json'}  
  
response = requests.get(url, headers=headers)  
  
if response.status_code == 200:  
    data = response.json()  
    # 在這里處理返回的數(shù)據(jù)  
    print(data)  
else:  
    print("請求失敗，狀態(tài)碼：", response.status_code)

10.6 在線調(diào)試(發(fā)布主題)

API里也支持發(fā)布主題，利用HTTP協(xié)議發(fā)布主題消息，如果設備端訂閱了該主題，就可以收到API接口發(fā)布的消息。

【1】先找到發(fā)布主題的API接口

【2】點擊API名字，展開詳情

【3】點擊右邊的Try it out按鈕。

【4】參數(shù)填寫說明

因為這個接口是發(fā)送主題的，需要填參數(shù)，填自己需要發(fā)布什么主題，什么消息。

出來的框框里就是發(fā)布信息，根據(jù)自己需要修改。

topic就是發(fā)布的主題。 payload 就是發(fā)布的消息內(nèi)容。只要MQTT客戶端訂閱了這個主題，就可以收到發(fā)布的消息。

這個主題的名字可以隨便改的。我這里就用默認的名字和內(nèi)容測試。

{
  "payload_encoding": "plain",
  "topic": "api/example/topic",
  "qos": 0,
  "payload": "hello emqx api",
  "properties": {
    "payload_format_indicator": 0,
    "message_expiry_interval": 0,
    "response_topic": "some_other_topic",
    "correlation_data": "string",
    "user_properties": {
      "foo": "bar"
    },
    "content_type": "text/plain"
  },
  "retain": false
}

【5】MQTT客戶端登錄。

打開MQTT客戶端，登錄服務器，訂閱api/example/topic主題。

【6】在API調(diào)試頁面，點擊執(zhí)行

【7】執(zhí)行之后，在MQTT客戶端的就可以收到API下發(fā)的消息了。

【8】API接口調(diào)用，curl命令行執(zhí)行的代碼如下：

curl -X 'POST' 
  'http://122.112.225.194:18083/api/v5/publish' 
  -H 'accept: application/json' 
  -H 'Content-Type: application/json' 
  -d '{
  "payload_encoding": "plain",
  "topic": "api/example/topic",
  "qos": 0,
  "payload": "hello emqx api",
  "properties": {
    "payload_format_indicator": 0,
    "message_expiry_interval": 0,
    "response_topic": "some_other_topic",
    "correlation_data": "string",
    "user_properties": {
      "foo": "bar"
    },
    "content_type": "text/plain"
  },
  "retain": false
}'

【9】Python代碼實現(xiàn)

import requests  
import json  
  
url = 'http://122.112.225.194:18083/api/v5/publish'  
headers = {  
    'accept': 'application/json',  
    'Content-Type': 'application/json'  
}  
data = {  
    "payload_encoding": "plain",  
    "topic": "api/example/topic",  
    "qos": 0,  
    "payload": "hello emqx api",  
    "properties": {  
        "payload_format_indicator": 0,  
        "message_expiry_interval": 0,  
        "response_topic": "some_other_topic",  
        "correlation_data": "string",  
        "user_properties": {  
            "foo": "bar"  
        },  
        "content_type": "text/plain"  
    },  
    "retain": False  
}  
  
response = requests.post(url, headers=headers, data=json.dumps(data))  
  
if response.status_code == 200:  
    print("消息發(fā)布成功")  
else:  
    print("消息發(fā)布失敗，狀態(tài)碼：", response.status_code)

10.7 安裝Qt環(huán)境

Qt的中文官網(wǎng)： https://www.qt.io/zh-cn/

QT5.12.6的下載地址：https://download.qt.io/archive/qt/5.12/5.12.6

打開下載鏈接后選擇下面的版本進行下載：

qt-opensource-windows-x86-5.12.6.exe 13-Nov-2019 07:28 3.7G Details

軟件安裝時斷網(wǎng)安裝，否則會提示輸入賬戶。

安裝的時候，第一個復選框里勾選一個mingw 32編譯器即可，其他的不管默認就行，直接點擊下一步繼續(xù)安裝。

說明： 我這里只是介紹PC端的環(huán)境搭建（這個比較簡單）。 Android的開發(fā)環(huán)境比較麻煩，可以去我的博客里看詳細文章。

選擇MinGW 32-bit 編譯器：

10.8 新建Qt工程

【1】新建工程

【2】設置工程名字

【3】選擇QWiget父類

【4】選擇編譯套件: 如果電腦沒有安裝VS環(huán)境，就選MinGW，這個比較簡單沒有其他依賴環(huán)境問題。具體看自己編譯的程序最終在哪里運行，來選擇合適的編譯器。

【5】創(chuàng)建完成

【6】點擊左下角設置發(fā)布類型。默認是Debug，選擇Release，運行效率高一些（如果需要調(diào)試就選擇Debug）。

10.9 設計代碼

【1】獲取服務器節(jié)點信息

QString requestUrl;
QNetworkRequest request;

request.setUrl(QUrl("http://100.112.225.194:18083/api/v5/nodes"));
request.setHeader(QNetworkRequest::ContentTypeHeader, "application/json");
QString username = "f072a6e9758b8cdf";
QString password = "LzwPB71Yf7PTED39C7RGboz9C9ANhv83ULUynTANgog4hG";
QString concatenated = username + ":" + password;
QByteArray data = concatenated.toLocal8Bit().toBase64();
QString headerData = "Basic " + data;
request.setRawHeader("Authorization", headerData.toLocal8Bit());

//發(fā)送請求
manager->get(request);

【2】獲得訂閱的主題列表

QString requestUrl;
QNetworkRequest request;

request.setUrl(QUrl("http://100.112.225.194:18083/api/v5/topics"));
request.setHeader(QNetworkRequest::ContentTypeHeader, "application/json");
QString username = "f072a6e9758b8cdf";
QString password = "LzwPB71Yf7PTED39C7RGboz9C9ANhv83ULUynTANgog4hG";
QString concatenated = username + ":" + password;
QByteArray data = concatenated.toLocal8Bit().toBase64();
QString headerData = "Basic " + data;
request.setRawHeader("Authorization", headerData.toLocal8Bit());

//發(fā)送請求
manager->get(request);

【3】發(fā)布主題

void Widget::publish_topic_http_post(QString topic,QString message)
{
    QString requestUrl;
    QNetworkRequest request;

    request.setUrl(QUrl(QString("http://%1:18083/api/v5/publish").arg(emqx_ip)));
    request.setHeader(QNetworkRequest::ContentTypeHeader, "application/json");
    request.setRawHeader("Authorization", "Basic ZjA3MmE2ZTk3NThiOGNkZjpMendQQjcxWWY3UFRFRDM5QzdSR2JvejlDOUFOaHY4M1VMVXluVEFOZ29nNGhH");

    QJsonObject payload;
    payload["payload_encoding"] = "plain";
    payload["topic"] = topic;    // "api/example/topic";
    payload["qos"] = 0;
    payload["payload"] =message; // "hello emqx api";

    QJsonObject properties;
    properties["payload_format_indicator"] = 0;
    properties["message_expiry_interval"] = 0;
    properties["response_topic"] = "some_other_topic";
    properties["correlation_data"] = "string";
    QJsonObject userProperties;
    userProperties["foo"] = "bar";
    properties["user_properties"] = userProperties;
    properties["content_type"] = "text/plain";

    payload["properties"] = properties;
    payload["retain"] = false;

    QJsonDocument jsonDoc(payload);
    QByteArray jsonData = jsonDoc.toJson();

    //發(fā)送請求
    manager->post(request, jsonData);
}

調(diào)用示例：

//發(fā)布主題
publish_topic_http_post("api/cmd/topic","hello mqtt dev");

十一、制作過程

十二、總結(jié)

本智慧農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)設計與實現(xiàn)項目基于STM32F103RCT6微控制器為核心，通過集成DHT11溫濕度傳感器、BH1750光照強度傳感器和土壤濕度檢測傳感器等設備，構(gòu)建了一套全面的農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。當環(huán)境參數(shù)超出預設閾值時，系統(tǒng)能夠?qū)崟r報警并自動或提醒進行灌溉、施肥等操作，同時利用蜂鳴器發(fā)出聲音警報。

在遠程控制方面，系統(tǒng)采用NBIoT-BC26模塊實現(xiàn)了無線通信功能，將采集到的數(shù)據(jù)傳輸至云端MQTT服務器，并通過EMQX開源框架搭建的服務器處理數(shù)據(jù)。用戶可通過微信小程序隨時隨地查看農(nóng)田環(huán)境的各項實時數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對農(nóng)作物生長環(huán)境的遠程監(jiān)控，并能便捷地執(zhí)行手動灌溉、開啟補光燈等遠程控制操作。

本項目的成功實施，不僅有效提升了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的智能化水平，降低了人工管理成本，而且為實現(xiàn)精準農(nóng)業(yè)和智慧農(nóng)業(yè)提供了有力的技術支持。未來，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術、云計算和人工智能技術的進一步發(fā)展，這套智慧農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)將有望在更多領域推廣使用，助力我國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)朝著更高效、智能、可持續(xù)的方向邁進。

基于STM32的智慧農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

一、前言