1. 設計需求、硬件環境介紹

1.1 項目背景

綠化管理系統在現實生活、生產中的應用十分廣泛，它是集環境感知、規劃決策、自動管理等功能于一體的綜合系統。目前，在城市道路兩旁的區域綠化主要為花、草、樹、灌木等，其中較多種植物對水的敏感性較高，如果供水不足夠或過多，會造成枯萎，甚至死亡。而且采用人工的方式進行管理，不能夠較好的了解種植區域的數據，而造成水資源極大地浪費，為響應國家“十四五”規劃提出的生態文明建設實現新進步，能源資源配置更加合理、利用效率大幅提高，生態環境持續改善；因此發展先進的智能灌溉技術對綠化管理至關重要。

傳統的手動綠化管理控制多采用人工方式通過觀察地表潮濕度來進行灌溉，這樣不僅造成水資源浪費和人力資源的浪費，而且灌溉不精確。本文就利用華為云IOT物聯網平臺設計云端綠化管理系統，設備平臺采用小熊開發板-CPU是意法半導體的STM32L431芯片，這是意法半導體推出的低功耗芯片；配合外部的一些專業傳感器，能夠獲取空氣中的溫濕度數據，光照度數據等，根據種植區的空氣溫濕度數據，判斷是否進行灌溉。因此，研究一種具有檢測到綠化情況以及價格低廉、應用范圍廣、性能可靠的綠化管理系統對綠化水平的提高以及節能減排都具有重要的意義。

1.2 實現功能

本項目是利用意法半導體的STM32L431+ESP8266 WIFI ，配合華為云物聯網平臺服務器，組建一個微小型的綠化管理系統，結合外部傳感器采集的數據，并利用這些數據判斷是否進行灌溉。

考慮到以學習為目，當前項目采用了ESP8266無線WIFI網卡作為聯網設備，ESP8266價錢便宜，支持串口編程，有標準的一套AT資料，資料多，作為學習而言，非常適合。可以通過對ESP8266的編程實驗，了解TCP、MQTT網絡編程相關知識點。

當前項目主要分為六個功能模塊，分別是：基礎系統模塊、溫度采集模塊、濕度采集模塊、光照采集模塊、無線傳感器網絡模塊、OLED顯示屏模塊。 （1）基礎系統模塊：進行各個數據的接收與轉發，控制掃水作業是否進行，澆水作業是采用板載的電機模擬 （2）溫度采集模塊：采集監測區域的溫度數據，傳輸到微控制器 （3）濕度采集模塊：采集監測區域的濕度數據，傳輸到微控制器 （4）光照采集模塊：采集監測區域的光照數據，傳輸到微控制器 （5）無線傳感器網絡模塊：數據上傳至云平臺，數據下發交互等 （6）LCD顯示屏模塊：實時顯示所監測到的各項數據

小熊開發板的擴展板上自帶了光敏傳感器、溫濕度傳感器、直流電機模塊，可以很方便的實現上面的這些功能需求。

本項目的源代碼沒有采用官方的案例工程，官方自大工程非常龐大，為了兼容各種設備平臺，代碼較多，不適合初學者理解代碼，本文工程代碼全部針對本項目編寫，沒有多余代碼，采用寄存器風格編寫，代碼簡潔，非常適合初學者學習MQTT協議，學習各種傳感器的通信協議等等；連接華為云的MQTT協議也是按照MQTT的官方中文手冊自行編寫的，不依賴任何外部SDK，不依賴ESP8266設備，只要能聯網的設備都可以連接華為云IOT，非常適合移植到其他單片機平臺；不管是采用51，STM32F1系列，都可以直接參考代碼移植。

1.3 設備實物圖

小熊開發板的設備相關實物圖如下:

2. 創建IOT服務器端產品

2.1 創建產品

直接打開物聯網產品頁面: https://www.huaweicloud.com/product/iothub.html

打開產品頁面，選擇右上角創建產品。

根據自己情況填寫信息。

創建成功后打開產品詳情頁面，拉到最下面，點擊創建自定義模型文件。

這里創建模型文件主要就是為了MQTT客戶端能夠正確的上傳傳感器數據上來，每個傳感器設置一個屬性，這個屬性就是表示了傳感器的數據值類型。

比如: 先添加一個電機，這個電機就是澆水電機，能上報開關狀態，云端也能下發命令控制電機，所以需要添加屬性和下發的命令。

添加屬性:

添加命令: 因為電機需要云端遠程控制。

接下來就創建溫度、濕度、光照度傳感器的屬性，這些傳感器只是向云端上傳數據，不需要下發指令控制，所以只創建屬性就行了。

創建完畢效果，一共有4個屬性，電機、溫度、濕度、光強度:

2.2 創建設備

選擇設備頁面，注冊設備。

創建后保持設備密匙等信息，接下來登錄服務器時，生成MQTT賬號密匙需要用到這些參數。

當前創建的設備信息如下:

{

"device_id": "61cd1d97078a93029b84e7b6_1126626497",

"secret": "1126626497"

}

2.3 生成MQTT登錄賬號信息

官微提供的在線小工具: https://iot-tool.obs-website.cn-north-4.myhuaweicloud.com/

按照提示填入數據，生成，非常方便。

當前生成的信息如下:

ClientId 61cd1d97078a93029b84e7b6_1126626497_0_0_2021123003

Username 61cd1d97078a93029b84e7b6_1126626497

Password b219f3a0099fa0284a2671a5c699b67a7cf6d5f7355d9ee8190011f3b64f71b5

3. 使用MQTT客戶端模擬測試

為了驗證服務器配置是否OK，先使用MQTT客戶端軟件進行連接測試。

3.1 華為云IOT服務器地址與端口

端口: 1883

域名: a161a58a78.iot-mqtts.cn-north-4.myhuaweicloud.com

IP地址: 121.36.42.100

3.2 訂閱主題

在產品頁面，可以看到主題管理頁面，能看到當前設備可以訂閱的主題有哪些。

一般訂閱下發的數據:

格式: $oc/devices/{device_id}/sys/messages/down

//訂閱主題: 平臺下發消息給設備

$oc/devices/61cd1d97078a93029b84e7b6_1126626497/sys/messages/down

3.3 上報主題數據

官方文檔介紹: https://support.huaweicloud.com/devg-iothub/iot_01_2127.html

服務ID，屬性ID在產品頁面查看，2.1小節創建產品里就講了這個屬性的作用。

每次可以單個屬性上報，也可以一起上報。

格式: $oc/devices/{device_id}/sys/properties/report

//設備上報主題請求

$oc/devices/61cd1d97078a93029b84e7b6_1126626497/sys/properties/report

//上報的數據格式如下

//電機開狀態反饋

{"services": [{"service_id": "motor","properties":{"motor":1}}]}

//電機關狀態反饋

{"services": [{"service_id": "motor","properties":{"motor":0}}]}

//溫度上報

{"services": [{"service_id": "motor","properties":{"SHT30_H":14}}]}

//濕度上報

{"services": [{"service_id": "motor","properties":{"SHT30_L":70}}]}

//光照強度上報

{"services": [{"service_id": "motor","properties":{"BH1750":80}}]}

//也可以一起上報

{"services": [{"service_id": "motor","properties":{"motor":1}},{"service_id": "motor","properties":{"SHT30_H":15}},{"service_id": "motor","properties":{"SHT30_L":70}},{"service_id": "motor","properties":{"BH1750":80}}]}

3.4 登錄服務器

按照軟件提示，填入相關數據即可。

如需要也需要使用和我一樣的同款軟件，打開百度搜索MQTT客戶端_v2.4(協議3.1.1).exe 即可找到下載地址。

發送數據后查看云端，已經登錄成功,數據已經上傳成功。

3.5 下發命令

電機設備支持讀寫，支持下發命令，在設備頁面測試。

點擊確定之后，參看MQTT客戶端軟件，已經收到了下發的數據。

len:174,Data:l$oc/devices/61cd1d97078a93029b84e7b6_1126626497/sys/commands/request_id=390ce15d-6e69-4021-b83a-5e953eea874c{"paras":{"motor":1},"service_id":"motor","command_name":"motor"}

4. 設備端上華為云IOT

工程代碼:

工程代碼較多，這里就貼出main.c全部代碼:

#include "main.h"
#include "stm32l4xx_hal.h"
#include "i2c.h"
#include "usart.h"
#include "gpio.h"
#include "E53_IA1.h"
#include "lcd.h"
#include "spi.h"
#include "mqtt.h"
#include "esp8266.h"


/* USER CODE BEGIN Includes */
#include "stdio.h"
/* USER CODE END Includes */

void SystemClock_Config(void);


#define ESP8266_WIFI_AP_SSID  "CMCC-Cqvn"   //將要連接的路由器名稱 --不要出現中文、空格等特殊字符
#define ESP8266_AP_PASSWORD "99pu58cb"     //將要連接的路由器密碼


//華為云IOT物聯網服務器的設備信息
#define MQTT_ClientID "61cd1d97078a93029b84e7b6_1126626497_0_0_2021123003"
#define MQTT_UserName "61cd1d97078a93029b84e7b6_1126626497"
#define MQTT_PassWord "b219f3a0099fa0284a2671a5c699b67a7cf6d5f7355d9ee8190011f3b64f71b5"
 
//訂閱與發布的主題
#define SET_TOPIC  "$oc/devices/61cd1d97078a93029b84e7b6_1126626497/sys/messages/down"  //訂閱
#define POST_TOPIC "$oc/devices/61cd1d97078a93029b84e7b6_1126626497/sys/properties/report"  //發布


//保存溫濕度、光照強度
E53_IA1_Data_TypeDef E53_IA1_Data;

//顯示文本
char lcd_text_str[50];


UART_HandleTypeDef at_usart;

//低功耗串口初始化
int32_t at_usart_init(void)
{
    at_usart.Instance = LPUART1;
    at_usart.Init.BaudRate = 115200;

    at_usart.Init.WordLength = UART_WORDLENGTH_8B;
    at_usart.Init.StopBits = UART_STOPBITS_1;
    at_usart.Init.Parity = UART_PARITY_NONE;
    at_usart.Init.HwFlowCtl = UART_HWCONTROL_NONE;
    at_usart.Init.Mode = UART_MODE_RX | UART_MODE_TX;
    
    if(HAL_UART_Init(&at_usart) != HAL_OK)
    {
        _Error_Handler(__FILE__, __LINE__);
    }
   // __HAL_UART_CLEAR_FLAG(usart, UART_FLAG_TC);
    __HAL_UART_ENABLE_IT(&at_usart, UART_IT_IDLE);
    __HAL_UART_ENABLE_IT(&at_usart, UART_IT_RXNE);
    HAL_NVIC_EnableIRQ(LPUART1_IRQn);					//使能USART1中斷通道
    HAL_NVIC_SetPriority(LPUART1_IRQn, 3, 3);				//搶占優先級3，子優先級3
    return 0;
}

unsigned char ESP8266_RecvBuf[MAX_RECV_CNT];
unsigned int ESP8266_Recv_cnt=0;
unsigned int ESP8266_Recv_flag=0;
void LPUART1_IRQHandler()
{
    //接收到數據
    if(__HAL_UART_GET_FLAG(&at_usart, UART_FLAG_RXNE) != RESET)
    {
        if(ESP8266_Recv_cntRDR & 0x00FF);
        } 
        else
        {
             ESP8266_Recv_flag=1;
        }
    }  
    else if (__HAL_UART_GET_FLAG(&at_usart, UART_FLAG_IDLE) != RESET)
    {
        __HAL_UART_CLEAR_IDLEFLAG(&at_usart);
        
         ESP8266_Recv_flag=1;
    }
}


void AT_SendData(unsigned char *p,unsigned int len)
{
    int i=0;
    for(i=0;iISR & 0X40) == 0); //循環發送,直到發送完畢
        LPUART1->TDR = p[i];
    }
}


char mqtt_message[200];
int main(void)
{
    int i=0;
    int cnt=0;
    int motor_state=0;
    HAL_Init();
    SystemClock_Config();
    MX_GPIO_Init();
    MX_I2C1_Init();
    MX_SPI2_Init();
    MX_USART1_UART_Init();
    at_usart_init();
    
    //初始化硬件
    Init_E53_IA1();

    LCD_Init();					
    LCD_Clear(BLACK);//清屏為黑色
    LCD_ShowString(0, 00, 240, 32, 32, "Init ESP8266");//顯示字符串，字體大小32*32

    if(ESP8266_Init())
   {
      printf("ESP8266硬件檢測錯誤.\n");
      LCD_Clear(BLACK);//清屏為黑色
      LCD_ShowString(0, 00, 240, 32, 32, "ESP8266 ERROR");//顯示字符串，字體大小32*32
   }
   else
   {
       LCD_Clear(BLACK);//清屏為黑色
       LCD_ShowString(0, 00, 240, 32, 32, "ESP8266 OK");//顯示字符串，字體大小32*32
       printf("準備連接到指定的服務器.\n");
      //非加密端口
      printf("WIFI:%d\r\n",ESP8266_STA_TCP_Client_Mode(ESP8266_WIFI_AP_SSID,ESP8266_AP_PASSWORD,"106.55.124.154",1883,1));
   }
   
    //2. MQTT協議初始化	
    MQTT_Init(); 
   
    //3. 連接華為云IOT服務器        
    while(MQTT_Connect(MQTT_ClientID,MQTT_UserName,MQTT_PassWord))
    {
        printf("服務器連接失敗,正在重試...\n");
        HAL_Delay(500);
    }
    printf("服務器連接成功.\n");
    
    //3. 訂閱主題
    if(MQTT_SubscribeTopic(SET_TOPIC,0,1))
    {
        printf("主題訂閱失敗.\n");
    }
    else
    {
        printf("主題訂閱成功.\n");
    }        
    
      while (1)
      {
            if(HAL_GPIO_ReadPin(KEY1_GPIO_Port,KEY1_Pin)==GPIO_PIN_RESET)//查詢按鍵KEY1低電平
            {
                HAL_Delay(10);//消抖
                if(HAL_GPIO_ReadPin(KEY1_GPIO_Port,KEY1_Pin)==GPIO_PIN_RESET)//查詢按鍵KEY1低電平
                {
                    HAL_GPIO_WritePin(LED_GPIO_Port,LED_Pin,GPIO_PIN_SET);//亮
                    
                    //補光燈亮
                    HAL_GPIO_WritePin(IA1_Light_GPIO_Port, IA1_Light_Pin, GPIO_PIN_SET);
                    
                    //電機轉
                    HAL_GPIO_WritePin(IA1_Motor_GPIO_Port, IA1_Motor_Pin, GPIO_PIN_SET);
                    
                    motor_state=1;
                }
            }
                
            if(HAL_GPIO_ReadPin(KEY2_GPIO_Port,KEY2_Pin)==GPIO_PIN_RESET)//查詢按鍵KEY2低電平
            {
                HAL_Delay(10);//消抖
                if(HAL_GPIO_ReadPin(KEY2_GPIO_Port,KEY2_Pin)==GPIO_PIN_RESET)//查詢按鍵KEY2低電平
                {
                    HAL_GPIO_WritePin(LED_GPIO_Port,LED_Pin,GPIO_PIN_RESET);//滅
                    
                     //補光燈滅
                    HAL_GPIO_WritePin(IA1_Light_GPIO_Port, IA1_Light_Pin, GPIO_PIN_RESET);
                    
                     //電機停
                    HAL_GPIO_WritePin(IA1_Motor_GPIO_Port, IA1_Motor_Pin, GPIO_PIN_RESET);
                    
                    motor_state=0;
                }
            }
     
         cnt++;
         HAL_Delay(10);   
         
         if(cnt>=100)
         {
            cnt=0;
            E53_IA1_Read_Data();
            printf("光照強度:%d %%\r\n", (int)E53_IA1_Data.Lux);
            printf("濕度:%d %%\r\n",(int)E53_IA1_Data.Humidity);
            printf("溫度:%d ℃\r\n", (int)E53_IA1_Data.Temperature);


            sprintf(lcd_text_str,"L: %d %%",(int)E53_IA1_Data.Lux);
            LCD_ShowString(40, 50+10+32*1, 240, 32, 32,lcd_text_str);


            sprintf(lcd_text_str,"H: %d %%",(int)E53_IA1_Data.Humidity);
            LCD_ShowString(40, 50+10+32*2, 240, 32, 32,lcd_text_str);
             

            sprintf(lcd_text_str,"T: %d C",(int)E53_IA1_Data.Temperature);
            LCD_ShowString(40, 50+10+32*3, 240, 32, 32,lcd_text_str);

            //切換引腳的狀態
            HAL_GPIO_TogglePin(LED_GPIO_Port,LED_Pin);
             
               //上傳數據
            sprintf(mqtt_message,"{"services": [{"service_id": "motor","properties":{"motor":%d}},"
            "{"service_id": "motor","properties":{"SHT30_H":%d}},{"service_id": "motor","properties":"
            "{"SHT30_L":%d}},{"service_id": "motor","properties":{"BH1750":%d}}]}",
            motor_state,(int)E53_IA1_Data.Humidity,(int)E53_IA1_Data.Temperature,(int)E53_IA1_Data.Lux);
            
            MQTT_PublishData(POST_TOPIC,mqtt_message,0);
            
            //根據濕度自動灌溉
            if((int)E53_IA1_Data.Humidity<50)  //小于50自動灌溉
            {
                 printf("自動灌溉....\n");
                 motor_state=1; //電機狀態更新
                 //電機轉
                 HAL_GPIO_WritePin(IA1_Motor_GPIO_Port, IA1_Motor_Pin, GPIO_PIN_SET);
            }  
         }

          //接收到數據
          if(ESP8266_Recv_flag)
          {
               //如果是下發了屬性,判斷是開鎖還是關鎖
                if(ESP8266_Recv_cnt>5)
                {
                    ESP8266_RecvBuf[ESP8266_Recv_cnt]='\0';
             
                    //使用字符串查找函數
                    if(strstr((char*)&ESP8266_RecvBuf[5],""machine":1"))
                    {
                         motor_state=1; //電機狀態更新
                         //電機轉
                         HAL_GPIO_WritePin(IA1_Motor_GPIO_Port, IA1_Motor_Pin, GPIO_PIN_SET);  
                         printf("開啟電機...\n");
                    }
                    else if(strstr((char*)&ESP8266_RecvBuf[5],""machine":0"))
                    {
                        //電機停
                        HAL_GPIO_WritePin(IA1_Motor_GPIO_Port, IA1_Motor_Pin, GPIO_PIN_RESET);
                    
                        motor_state=0;
                        printf("關閉電機...\n");
                    }
                    
                    for(i=0;i

審核編輯：湯梓紅
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