1. 設(shè)計(jì)需求、硬件環(huán)境介紹

1.1 項(xiàng)目背景

綠化管理系統(tǒng)在現(xiàn)實(shí)生活、生產(chǎn)中的應(yīng)用十分廣泛，它是集環(huán)境感知、規(guī)劃決策、自動(dòng)管理等功能于一體的綜合系統(tǒng)。目前，在城市道路兩旁的區(qū)域綠化主要為花、草、樹、灌木等，其中較多種植物對(duì)水的敏感性較高，如果供水不足夠或過多，會(huì)造成枯萎，甚至死亡。而且采用人工的方式進(jìn)行管理，不能夠較好的了解種植區(qū)域的數(shù)據(jù)，而造成水資源極大地浪費(fèi)，為響應(yīng)國(guó)家“十四五”規(guī)劃提出的生態(tài)文明建設(shè)實(shí)現(xiàn)新進(jìn)步，能源資源配置更加合理、利用效率大幅提高，生態(tài)環(huán)境持續(xù)改善；因此發(fā)展先進(jìn)的智能灌溉技術(shù)對(duì)綠化管理至關(guān)重要。

傳統(tǒng)的手動(dòng)綠化管理控制多采用人工方式通過觀察地表潮濕度來進(jìn)行灌溉，這樣不僅造成水資源浪費(fèi)和人力資源的浪費(fèi)，而且灌溉不精確。本文就利用華為云IOT物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)設(shè)計(jì)云端綠化管理系統(tǒng)，設(shè)備平臺(tái)采用小熊開發(fā)板-CPU是意法半導(dǎo)體的STM32L431芯片，這是意法半導(dǎo)體推出的低功耗芯片；配合外部的一些專業(yè)傳感器，能夠獲取空氣中的溫濕度數(shù)據(jù)，光照度數(shù)據(jù)等，根據(jù)種植區(qū)的空氣溫濕度數(shù)據(jù)，判斷是否進(jìn)行灌溉。因此，研究一種具有檢測(cè)到綠化情況以及價(jià)格低廉、應(yīng)用范圍廣、性能可靠的綠化管理系統(tǒng)對(duì)綠化水平的提高以及節(jié)能減排都具有重要的意義。

1.2 實(shí)現(xiàn)功能

本項(xiàng)目是利用意法半導(dǎo)體的STM32L431+ESP8266 WIFI ，配合華為云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)服務(wù)器，組建一個(gè)微小型的綠化管理系統(tǒng)，結(jié)合外部傳感器采集的數(shù)據(jù)，并利用這些數(shù)據(jù)判斷是否進(jìn)行灌溉。

考慮到以學(xué)習(xí)為目，當(dāng)前項(xiàng)目采用了ESP8266無線WIFI網(wǎng)卡作為聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，ESP8266價(jià)錢便宜，支持串口編程，有標(biāo)準(zhǔn)的一套AT資料，資料多，作為學(xué)習(xí)而言，非常適合。可以通過對(duì)ESP8266的編程實(shí)驗(yàn)，了解TCP、MQTT網(wǎng)絡(luò)編程相關(guān)知識(shí)點(diǎn)。

當(dāng)前項(xiàng)目主要分為六個(gè)功能模塊，分別是：基礎(chǔ)系統(tǒng)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(wǎng)絡(luò)模塊、OLED顯示屏模塊。 （1）基礎(chǔ)系統(tǒng)模塊：進(jìn)行各個(gè)數(shù)據(jù)的接收與轉(zhuǎn)發(fā)，控制掃水作業(yè)是否進(jìn)行，澆水作業(yè)是采用板載的電機(jī)模擬 （2）溫度采集模塊：采集監(jiān)測(cè)區(qū)域的溫度數(shù)據(jù)，傳輸?shù)?a target="_blank">微控制器 （3）濕度采集模塊：采集監(jiān)測(cè)區(qū)域的濕度數(shù)據(jù)，傳輸?shù)轿⒖刂破?（4）光照采集模塊：采集監(jiān)測(cè)區(qū)域的光照數(shù)據(jù)，傳輸?shù)轿⒖刂破?（5）無線傳感器網(wǎng)絡(luò)模塊：數(shù)據(jù)上傳至云平臺(tái)，數(shù)據(jù)下發(fā)交互等 （6）LCD顯示屏模塊：實(shí)時(shí)顯示所監(jiān)測(cè)到的各項(xiàng)數(shù)據(jù)

小熊開發(fā)板的擴(kuò)展板上自帶了光敏傳感器、溫濕度傳感器、直流電機(jī)模塊，可以很方便的實(shí)現(xiàn)上面的這些功能需求。

本項(xiàng)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(shè)備平臺(tái)，代碼較多，不適合初學(xué)者理解代碼，本文工程代碼全部針對(duì)本項(xiàng)目編寫，沒有多余代碼，采用寄存器風(fēng)格編寫，代碼簡(jiǎn)潔，非常適合初學(xué)者學(xué)習(xí)MQTT協(xié)議，學(xué)習(xí)各種傳感器的通信協(xié)議等等；連接華為云的MQTT協(xié)議也是按照MQTT的官方中文手冊(cè)自行編寫的，不依賴任何外部SDK，不依賴ESP8266設(shè)備，只要能聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備都可以連接華為云IOT，非常適合移植到其他單片機(jī)平臺(tái)；不管是采用51，STM32F1系列，都可以直接參考代碼移植。

1.3 設(shè)備實(shí)物圖

小熊開發(fā)板的設(shè)備相關(guān)實(shí)物圖如下:

2. 創(chuàng)建IOT服務(wù)器端產(chǎn)品

2.1 創(chuàng)建產(chǎn)品

直接打開物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品頁(yè)面: https://www.huaweicloud.com/product/iothub.html

打開產(chǎn)品頁(yè)面，選擇右上角創(chuàng)建產(chǎn)品。

根據(jù)自己情況填寫信息。

創(chuàng)建成功后打開產(chǎn)品詳情頁(yè)面，拉到最下面，點(diǎn)擊創(chuàng)建自定義模型文件。

這里創(chuàng)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(shù)據(jù)上來，每個(gè)傳感器設(shè)置一個(gè)屬性，這個(gè)屬性就是表示了傳感器的數(shù)據(jù)值類型。

比如: 先添加一個(gè)電機(jī)，這個(gè)電機(jī)就是澆水電機(jī)，能上報(bào)開關(guān)狀態(tài)，云端也能下發(fā)命令控制電機(jī)，所以需要添加屬性和下發(fā)的命令。

添加屬性:

添加命令: 因?yàn)殡姍C(jī)需要云端遠(yuǎn)程控制。

接下來就創(chuàng)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(shù)據(jù)，不需要下發(fā)指令控制，所以只創(chuàng)建屬性就行了。

創(chuàng)建完畢效果，一共有4個(gè)屬性，電機(jī)、溫度、濕度、光強(qiáng)度:

2.2 創(chuàng)建設(shè)備

選擇設(shè)備頁(yè)面，注冊(cè)設(shè)備。

創(chuàng)建后保持設(shè)備密匙等信息，接下來登錄服務(wù)器時(shí)，生成MQTT賬號(hào)密匙需要用到這些參數(shù)。

當(dāng)前創(chuàng)建的設(shè)備信息如下:

{

"device_id": "61cd1d97078a93029b84e7b6_1126626497",

"secret": "1126626497"

}

2.3 生成MQTT登錄賬號(hào)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(shù)據(jù)，生成，非常方便。

當(dāng)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(cè)試

為了驗(yàn)證服務(wù)器配置是否OK，先使用MQTT客戶端軟件進(jìn)行連接測(cè)試。

3.1 華為云IOT服務(wù)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(chǎn)品頁(yè)面，可以看到主題管理頁(yè)面，能看到當(dāng)前設(shè)備可以訂閱的主題有哪些。

一般訂閱下發(fā)的數(shù)據(jù):

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

//訂閱主題: 平臺(tái)下發(fā)消息給設(shè)備

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

3.3 上報(bào)主題數(shù)據(jù)

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

服務(wù)ID，屬性ID在產(chǎn)品頁(yè)面查看，2.1小節(jié)創(chuàng)建產(chǎn)品里就講了這個(gè)屬性的作用。

每次可以單個(gè)屬性上報(bào)，也可以一起上報(bào)。

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

//設(shè)備上報(bào)主題請(qǐng)求

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

//上報(bào)的數(shù)據(jù)格式如下

//電機(jī)開狀態(tài)反饋

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

//電機(jī)關(guān)狀態(tài)反饋

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

//溫度上報(bào)

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

//濕度上報(bào)

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

//光照強(qiáng)度上報(bào)

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

//也可以一起上報(bào)

{"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(wù)器

按照軟件提示，填入相關(guān)數(shù)據(jù)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(xié)議3.1.1).exe 即可找到下載地址。

發(fā)送數(shù)據(jù)后查看云端，已經(jīng)登錄成功,數(shù)據(jù)已經(jīng)上傳成功。

3.5 下發(fā)命令

電機(jī)設(shè)備支持讀寫，支持下發(fā)命令，在設(shè)備頁(yè)面測(cè)試。

點(diǎn)擊確定之后，參看MQTT客戶端軟件，已經(jīng)收到了下發(fā)的數(shù)據(jù)。

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(shè)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(xiàn)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(lián)網(wǎng)服務(wù)器的設(shè)備信息
#define MQTT_ClientID "61cd1d97078a93029b84e7b6_1126626497_0_0_2021123003"
#define MQTT_UserName "61cd1d97078a93029b84e7b6_1126626497"
#define MQTT_PassWord "b219f3a0099fa0284a2671a5c699b67a7cf6d5f7355d9ee8190011f3b64f71b5"
 
//訂閱與發(fā)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(fā)布


//保存溫濕度、光照強(qiáng)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(yōu)先級(jí)3，子優(yōu)先級(jí)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(shù)據(jù)
    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(huán)發(fā)送,直到發(fā)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(cè)錯(cuò)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(zhǔn)備連接到指定的服務(wù)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(xié)議初始化	
    MQTT_Init(); 
   
    //3. 連接華為云IOT服務(wù)器        
    while(MQTT_Connect(MQTT_ClientID,MQTT_UserName,MQTT_PassWord))
    {
        printf("服務(wù)器連接失敗,正在重試...\n");
        HAL_Delay(500);
    }
    printf("服務(wù)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(bǔ)光燈亮
                    HAL_GPIO_WritePin(IA1_Light_GPIO_Port, IA1_Light_Pin, GPIO_PIN_SET);
                    
                    //電機(jī)轉(zhuǎn)
                    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(bǔ)光燈滅
                    HAL_GPIO_WritePin(IA1_Light_GPIO_Port, IA1_Light_Pin, GPIO_PIN_RESET);
                    
                     //電機(jī)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(qiáng)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(tài)
            HAL_GPIO_TogglePin(LED_GPIO_Port,LED_Pin);
             
               //上傳數(shù)據(jù)
            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(jù)濕度自動(dòng)灌溉
            if((int)E53_IA1_Data.Humidity<50)  //小于50自動(dòng)灌溉
            {
                 printf("自動(dòng)灌溉....\n");
                 motor_state=1; //電機(jī)狀態(tài)更新
                 //電機(jī)轉(zhuǎn)
                 HAL_GPIO_WritePin(IA1_Motor_GPIO_Port, IA1_Motor_Pin, GPIO_PIN_SET);
            }  
         }

          //接收到數(shù)據(jù)
          if(ESP8266_Recv_flag)
          {
               //如果是下發(fā)了屬性,判斷是開鎖還是關(guān)鎖
                if(ESP8266_Recv_cnt>5)
                {
                    ESP8266_RecvBuf[ESP8266_Recv_cnt]='\0';
             
                    //使用字符串查找函數(shù)
                    if(strstr((char*)&ESP8266_RecvBuf[5],""machine":1"))
                    {
                         motor_state=1; //電機(jī)狀態(tài)更新
                         //電機(jī)轉(zhuǎn)
                         HAL_GPIO_WritePin(IA1_Motor_GPIO_Port, IA1_Motor_Pin, GPIO_PIN_SET);  
                         printf("開啟電機(jī)...\n");
                    }
                    else if(strstr((char*)&ESP8266_RecvBuf[5],""machine":0"))
                    {
                        //電機(jī)停
                        HAL_GPIO_WritePin(IA1_Motor_GPIO_Port, IA1_Motor_Pin, GPIO_PIN_RESET);
                    
                        motor_state=0;
                        printf("關(guān)閉電機(jī)...\n");
                    }
                    
                    for(i=0;i

審核編輯：湯梓紅
;i++)printf("%c",esp8266_recvbuf[i]);>;i++)>)>