智慧农业：STM32+ESP8266+腾讯物联网+小程序
描述
一、环境介绍
单片机采用：STM32F103ZET6
上网方式：采用ESP8266，也可以使用其他设备代替，只要支持TCP协议即可。比如：GSM模块、有线网卡等。
与物联网云平台的通信协议: 标准MQTT协议3.1.1(TCP)
开发软件：keil5
物联网平台: 腾讯IOT物联网物联网平台。腾讯的物联网平台比起其他厂家的物联网平台更加有优势，腾讯物联网平台可以将数据推到微信小程序上，用户可以直接使用小程序绑定设备，完成与设备之间交互，现在用户基本都会使用微信，所以使用起来非常方便。
二、智慧农业介绍
智慧农业就是将物联网技术运用到传统农业中去，运用传感器和软件通过移动平台或者电脑平台对农业生产进行控制，使传统农业更具有“智慧”。除 了精准感知、控制与决策管理外，从广泛意义上讲，智慧农业还包括农业电子商务、食品溯源防伪、农业休闲旅游、农业信息服务等方面的内容。
所谓“智慧农业”就是充分应用现代信息技术成果，集成应用计算机与网络技术、物联网技术、音视频技术、3S技术、无线通信技术及专家智慧与知识，实现农业可视化远程诊断、远程控制、灾变预警等智能管理。
智慧农业是农业生产的高级阶段，是集新兴的互联网、移动互联网、云计算和物联网技术为一体，依托部署在农业生产现场的各种传感节点（环境温湿度、土壤水分、二氧化碳、图像等）和无线通信网络实现农业生产环境的智能感知、智能预警、智能决策、智能分析、专家在线指导，为农业生产提供精准化种植、可视化管理、智能化决策。
“智慧农业”是云计算、传感网、3S等多种信息技术在农业中综合、全面的应用，实现更完备的信息化基础支撑、更透彻的农业信息感知、更集中的数据资源、更广泛的互联互通、更深入的智能控制、更贴心的公众服务。“智慧农业”与现代生物技术、种植技术等科学技术融合于一体，对建设世界水平农业具有重要意义。
本项目采用STM32F103ZET6 + ESP8266 设计一个智慧农业管理系统， 能够获取空气中的温湿度数据，光照度数据等，根据种植区的空气温湿度数据，判断是否进行灌溉；可以通过ESP8266 + MQTT 协议将采集的温湿度、光照度上传至腾讯云物联网平台，并推送到微信小程序上实时查看；可以在小程序上直接控制电机抽水灌溉。
硬件详情介绍:
主控MCU: STM32F103ZET6
环境光传感器: BH1750
温湿度传感器: SHT30
本地OLED显示屏: 中景园电子0.96寸 SPI接口 OLED显示屏
电机: 微型直流电机
三、创建腾讯云物联网平台设备并配置微信小程序
如果之前从来没有使用过腾讯云物联网平台，创建的详细步骤请看这里: STM32+ESP8266+MQTT协议连接腾讯物联网开发平台_DS小龙哥的专栏-CSDN博客_腾讯物联网平台
下面就是登录腾讯云物联网平台，创建一个智慧农业的设备的关键步骤，有些细节步骤没写，细节请看上面链接这篇文章。
官网地址: 登录 - 腾讯云
四、生成腾讯物联网平台的设备登录信息
使用MQTT协议登录需要一些参数信息，需要使用官网提供的方式生成。
Python示例代码:
#!/usr/bin/python
# -*- coding: UTF-8 -*-
import base64
import hashlib
import hmac
import random
import string
import time
import sys
# 生成指定长度的随机字符串
def RandomConnid(length):
return ''.join(random.choice(string.ascii_uppercase + string.digits) for _ in range(length))
# 生成接入物联网通信平台需要的各参数
def IotHmac(productID, devicename, devicePsk):
# 1. 生成 connid 为一个随机字符串，方便后台定位问题
connid = RandomConnid(5)
# 2. 生成过期时间，表示签名的过期时间,从纪元1970年1月1日 00:00:00 UTC 时间至今秒数的 UTF8 字符串
expiry = int(time.time()) + 30*24*60 * 60
# 3. 生成 MQTT 的 clientid 部分, 格式为 ${productid}${devicename}
clientid = "{}{}".format(productID, devicename)
# 4. 生成 MQTT 的 username 部分, 格式为 ${clientid};${sdkappid};${connid};${expiry}
username = "{};12010126;{};{}".format(clientid, connid, expiry)
# 5. 对 username 进行签名，生成token
secret_key = devicePsk.encode('utf-8') # convert to bytes
data_to_sign = username.encode('utf-8') # convert to bytes
secret_key = base64.b64decode(secret_key) # this is still bytes
token = hmac.new(secret_key, data_to_sign, digestmod=hashlib.sha256).hexdigest()
# 6. 根据物联网通信平台规则生成 password 字段
password = "{};{}".format(token, "hmacsha256")
return {
"clientid" : clientid,
"username" : username,
"password" : password
}
if __name__ == '__main__':
# 参数分别填入: 产品ID,设备名称,设备密匙
print(IotHmac("6142CX41XE", "SmartAgriculture","20Y/aAcmj+y6SDDh+ANR9g=="))
输出的登录参数，用于MQTT协议填参数:
{'clientid': '6142CX41XESmartAgriculture', 'username': '6142CX41XESmartAgriculture;12010126;HUA2G;1624271589',
'password': 'a8aadebe9721f70e6f9e14fe56ff1d2b5cac9625fa1f96af2f0e0098597fe78b;hmacsha256'}
五、使用MQTT软件测试
设备主题发布与定义的格式：
设备消息数据上传格式：
{"method":"report","clientToken":"123","params":{"light":78.4,"temperature":21.4,"humidity":60.8,"motor":1}}
登录成功之后，就可以看到设备在线：
打开微信小程序可以查看到设备上传的数据:
六、编写STM32设备端代码
6.1 main.c代码
#include "stm32f10x.h"
#include "led.h"
#include "delay.h"
#include "key.h"
#include "usart.h"
#include
#include "timer.h"
#include "esp8266.h"
#include "mqtt.h"
#include "oled.h"
#include "fontdata.h"
#include "bh1750.h"
#include "iic.h"
#include "sht3x.h"
/*
硬件连接方式:
ESP8266串口WIFI模块与STM32的串口3相连接。
PB10--RXD 模块接收脚
PB11--TXD 模块发送脚
GND---GND 地
VCC---VCC 电源（3.3V~5.0V）
OLED接线：
D0----SCK-----PB14
D1----MOSI----PB13
RES—复位(低电平有效)—PB12
DC---数据和命令控制管脚—PB1
CS---片选引脚-----PA7
微型直流电机: PB8
紫光灯: PB9
LED硬件连接: PB5 PE5
KEY硬件连接:PE3 PE4
*/
#define ESP8266_WIFI_AP_SSID "CMCC-Cqvn" //将要连接的路由器名称 --不要出现中文、空格等特殊字符
#define ESP8266_AP_PASSWORD "99pu58cb" //将要连接的路由器密码
//腾讯物联网服务器的设备信息
#define MQTT_ClientID "6142CX41XESmartAgriculture"
#define MQTT_UserName "6142CX41XESmartAgriculture;12010126;HUA2G;1624271589"
#define MQTT_PassWord "a8aadebe9721f70e6f9e14fe56ff1d2b5cac9625fa1f96af2f0e0098597fe78b;hmacsha256"
//订阅与发布的主题
#define SET_TOPIC "$thing/down/property/6142CX41XE/SmartAgriculture" //订阅
#define POST_TOPIC "$thing/up/property/6142CX41XE/SmartAgriculture" //发布
char mqtt_message[200];//上报数据缓存区
char OLED_ShowBuff[100];
u8 ESP8266_Stat=0;
/*
函数功能: 温湿度\光强度显示
*/
void ShowTemperatureAndHumidity(float temp,float humi,float light)
{
sprintf(OLED_ShowBuff,"T: %.2f",temp);
OLED_ShowString(40,16*0,16,OLED_ShowBuff);
sprintf(OLED_ShowBuff,"H: %.2f%%",humi);
OLED_ShowString(40,16*1,16,OLED_ShowBuff);
sprintf(OLED_ShowBuff,"L: %.2f%%",light);
OLED_ShowString(40,16*2,16,OLED_ShowBuff);
}
/*
函数功能: ESP8266显示页面
*/
void ESP8266_ShowPageTable(void)
{
if(ESP8266_Stat)OLED_ShowString(0,16*0,16,"WIFI STAT:ERROR");
else OLED_ShowString(0,16*0,16,"WIFI STAT:OK");
//显示字符串
sprintf((char*)OLED_ShowBuff,"%s",ESP8266_WIFI_AP_SSID);
OLED_ShowString(0,16*1,16,OLED_ShowBuff);
sprintf((char*)OLED_ShowBuff,"%s",ESP8266_AP_PASSWORD);
OLED_ShowString(0,16*2,16,OLED_ShowBuff);
}
int main()
{
u32 time_cnt=0;
u32 i;
u8 key;
u8 page=0;
float temp=0;
float humi=0;
float light=0;
u8 motor_state=0;
float Humidity;
float Temperature;
delay_ms(1000);
delay_ms(1000);
LED_Init();
KEY_Init();
IIC_Init();
//OLED初始化
OLED_Init(0xc8,0xa1); //OLED显示屏初始化--正常显示;
//清屏
OLED_Clear(0);
USART1_Init(115200);
TIMER1_Init(72,20000); //超时时间20ms
USART3_Init(115200);//串口-WIFI
TIMER3_Init(72,20000); //超时时间20ms
Init_SHT30();
USART1_Printf("正在初始化WIFI请稍等.\n");
if(ESP8266_Init())
{
ESP8266_Stat=1;
USART1_Printf("ESP8266硬件检测错误.\n");
}
else
{
//非加密端口
USART1_Printf("WIFI:%d\n",ESP8266_STA_TCP_Client_Mode(ESP8266_WIFI_AP_SSID,ESP8266_AP_PASSWORD,"106.55.124.154",1883,1));
}
//2. MQTT协议初始化
MQTT_Init();
//3. 连接腾讯云IOT服务器
while(MQTT_Connect(MQTT_ClientID,MQTT_UserName,MQTT_PassWord))
{
USART1_Printf("服务器连接失败,正在重试...\n");
delay_ms(500);
}
USART1_Printf("服务器连接成功.\n");
//3. 订阅主题
if(MQTT_SubscribeTopic(SET_TOPIC,0,1))
{
USART1_Printf("主题订阅失败.\n");
}
else
{
USART1_Printf("主题订阅成功.\n");
}
while(1)
{
//按键可以测试开锁和关锁
key=KEY_Scan(0);
if(key==1)
{
//清屏
OLED_Clear(0);
//翻页
if(page>=1)
{
page=0;
}
else
{
page++;
}
LED1=!LED1; //LEd状态灯
}
else if(key==2)
{
LED1=!LED1; //LEd状态灯
time_cnt=0;
//电机状态改变
MOTOR_DEV=!MOTOR_DEV;
//电机状态
motor_state=MOTOR_DEV;
//补光灯
LIGHT_DEV=!LIGHT_DEV;
}
//微信小程序开锁方式: 接收WIFI返回的数据
if(USART3_RX_FLAG)
{
USART3_RX_BUFFER[USART3_RX_CNT]='\0';
//向串口打印微信小程序返回的数据
for(i=0;i5)
{
//使用字符串查找函数
if(strstr((char*)&USART3_RX_BUFFER[5],"\"motor\":1"))
{
LED1=0; //亮灯
MOTOR_DEV=1; //开电机
motor_state=1;
}
else if(strstr((char*)&USART3_RX_BUFFER[5],"\"motor\":0"))
{
LED1=1; //灭灯
MOTOR_DEV=0; //关电机
motor_state=0;
}
}
USART3_RX_CNT=0;
USART3_RX_FLAG=0;
}
//定时与保持与微信小程序的同步--1秒一次
delay_ms(10);
time_cnt++;
if(time_cnt==50)
{
time_cnt=0;
//状态灯 --表示程序还活着
LED2=!LED2;
//读取光强度
light=Read_BH1750_Data();
//读取温湿度
SHT3x_ReadData(&Humidity,&Temperature);
humi=Humidity;
temp=Temperature;
//上传数据
sprintf(mqtt_message,"{\"method\":\"report\",\"clientToken\":\"123\",\"params\":{\"temperature\":%f,\"humidity\":%f,\"motor\":%d,\"light\":%f}}",
temp,humi,motor_state,light);
MQTT_PublishData(POST_TOPIC,mqtt_message,0);
//根据湿度自动灌溉
if(humi<50.0) //小于50自动灌溉
{
motor_state=1; //电机状态更新
MOTOR_DEV=1; //开电机
}
}
//OLED显示屏
if(page==0)
{
ShowTemperatureAndHumidity(temp,humi,light);
}
else if(page==1)
{
ESP8266_ShowPageTable();
}
}
}
;i++)>
6.2 mqtt.c 代码
#include "mqtt.h"
u8 *mqtt_rxbuf;
u8 *mqtt_txbuf;
u16 mqtt_rxlen;
u16 mqtt_txlen;
u8 _mqtt_txbuf[256];//发送数据缓存区
u8 _mqtt_rxbuf[256];//接收数据缓存区
typedef enum
{
//名字 值 报文流动方向 描述
M_RESERVED1 =0 , // 禁止 保留
M_CONNECT , // 客户端到服务端 客户端请求连接服务端
M_CONNACK , // 服务端到客户端 连接报文确认
M_PUBLISH , // 两个方向都允许 发布消息
M_PUBACK , // 两个方向都允许 QoS 1消息发布收到确认
M_PUBREC , // 两个方向都允许 发布收到（保证交付第一步）
M_PUBREL , // 两个方向都允许 发布释放（保证交付第二步）
M_PUBCOMP , // 两个方向都允许 QoS 2消息发布完成（保证交互第三步）
M_SUBSCRIBE , // 客户端到服务端 客户端订阅请求
M_SUBACK , // 服务端到客户端 订阅请求报文确认
M_UNSUBSCRIBE , // 客户端到服务端 客户端取消订阅请求
M_UNSUBACK , // 服务端到客户端 取消订阅报文确认
M_PINGREQ , // 客户端到服务端 心跳请求
M_PINGRESP , // 服务端到客户端 心跳响应
M_DISCONNECT , // 客户端到服务端 客户端断开连接
M_RESERVED2 , // 禁止 保留
}_typdef_mqtt_message;
//连接成功服务器回应 20 02 00 00
//客户端主动断开连接 e0 00
const u8 parket_connetAck[] = {0x20,0x02,0x00,0x00};
const u8 parket_disconnet[] = {0xe0,0x00};
const u8 parket_heart[] = {0xc0,0x00};
const u8 parket_heart_reply[] = {0xc0,0x00};
const u8 parket_subAck[] = {0x90,0x03};
void MQTT_Init(void)
{
//缓冲区赋值
mqtt_rxbuf = _mqtt_rxbuf;
mqtt_rxlen = sizeof(_mqtt_rxbuf);
mqtt_txbuf = _mqtt_txbuf;
mqtt_txlen = sizeof(_mqtt_txbuf);
memset(mqtt_rxbuf,0,mqtt_rxlen);
memset(mqtt_txbuf,0,mqtt_txlen);
//无条件先主动断开
MQTT_Disconnect();
delay_ms(100);
MQTT_Disconnect();
delay_ms(100);
}
/*
函数功能: 登录服务器
函数返回值: 0表示成功 1表示失败
*/
u8 MQTT_Connect(char *ClientID,char *Username,char *Password)
{
u8 i,j;
int ClientIDLen = strlen(ClientID);
int UsernameLen = strlen(Username);
int PasswordLen = strlen(Password);
int DataLen;
mqtt_txlen=0;
//可变报头+Payload 每个字段包含两个字节的长度标识
DataLen = 10 + (ClientIDLen+2) + (UsernameLen+2) + (PasswordLen+2);
//固定报头
//控制报文类型
mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = 0x10; //MQTT Message Type CONNECT
//剩余长度(不包括固定头部)
do
{
u8 encodedByte = DataLen % 128;
DataLen = DataLen / 128;
// if there are more data to encode, set the top bit of this byte
if ( DataLen > 0 )
encodedByte = encodedByte | 128;
mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = encodedByte;
}while ( DataLen > 0 );
//可变报头
//协议名
mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = 0; // Protocol Name Length MSB
mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = 4; // Protocol Name Length LSB
mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = 'M'; // ASCII Code for M
mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = 'Q'; // ASCII Code for Q
mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = 'T'; // ASCII Code for T
mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = 'T'; // ASCII Code for T
//协议级别
mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = 4; // MQTT Protocol version = 4 对于 3.1.1 版协议，协议级别字段的值是 4(0x04)
//连接标志
mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = 0xc2; // conn flags
mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = 0; // Keep-alive Time Length MSB
mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = 100; // Keep-alive Time Length LSB 100S心跳包 保活时间
mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = BYTE1(ClientIDLen);// Client ID length MSB
mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = BYTE0(ClientIDLen);// Client ID length LSB
memcpy(&mqtt_txbuf[mqtt_txlen],ClientID,ClientIDLen);
mqtt_txlen += ClientIDLen;
if(UsernameLen > 0)
{
mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = BYTE1(UsernameLen); //username length MSB
mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = BYTE0(UsernameLen); //username length LSB
memcpy(&mqtt_txbuf[mqtt_txlen],Username,UsernameLen);
mqtt_txlen += UsernameLen;
}
if(PasswordLen > 0)
{
mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = BYTE1(PasswordLen); //password length MSB
mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = BYTE0(PasswordLen); //password length LSB
memcpy(&mqtt_txbuf[mqtt_txlen],Password,PasswordLen);
mqtt_txlen += PasswordLen;
}
memset(mqtt_rxbuf,0,mqtt_rxlen);
MQTT_SendBuf(mqtt_txbuf,mqtt_txlen);
for(j=0;j<10;j++)
{
delay_ms(50);
if(USART3_RX_FLAG)
{
memcpy((char *)mqtt_rxbuf,USART3_RX_BUFFER,USART3_RX_CNT);
//memcpy
for(i=0;i;i++)usart1_printf("%#x>
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审核编辑：符乾江
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