智慧农业: STM32F103ZE+ESP8266+腾讯云物联网平台+微信小程序设计

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。

本项目完整代码下载地址: https://download.csdn.net/download/xiaolong1126626497/18973282

 

 

 

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:  https://blog.csdn.net/xiaolong1126626497/article/details/116902653

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: https://console.cloud.tencent.com/iotexplorer

 

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

MQTT客户端软件下载地址: https://download.csdn.net/download/xiaolong1126626497/18784012

该软件采用QT开发，源码地址: https://blog.csdn.net/xiaolong1126626497/article/details/116779490

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();
        }
    }
}

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 0 )
			encodedByte = encodedByte | 128;
		mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = encodedByte;
	}while ( DataLen > 0 );	
	
	//可变报头
    mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = 0;			//消息标识符 MSB
    mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = 0x0A;        //消息标识符 LSB
	//有效载荷
    mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = BYTE1(topiclen);//主题长度 MSB
    mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = BYTE0(topiclen);//主题长度 LSB   
	memcpy(&mqtt_txbuf[mqtt_txlen],topic,topiclen);
    mqtt_txlen += topiclen;
    
    if(whether)
    {
       mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = qos;//QoS级别
    }
    
    for(i=0;i<10;i++)
    {
        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,(char*)USART3_RX_BUFFER,USART3_RX_CNT);
				USART3_RX_FLAG=0;
				USART3_RX_CNT=0;
			}
			
			if(mqtt_rxbuf[0]==parket_subAck[0] && mqtt_rxbuf[1]==parket_subAck[1]) //订阅成功			   
			{
				return 0;//订阅成功
			}
        }
    }
	return 1; //失败
}

//MQTT发布数据打包函数
//topic   主题 
//message 消息
//qos     消息等级 
u8 MQTT_PublishData(char *topic, char *message, u8 qos)
{  
    int topicLength = strlen(topic);    
    int messageLength = strlen(message);     
    static u16 id=0;
	int DataLen;
	mqtt_txlen=0;
	//有效载荷的长度这样计算：用固定报头中的剩余长度字段的值减去可变报头的长度
	//QOS为0时没有标识符
	//数据长度             主题名   报文标识符   有效载荷
    if(qos)	DataLen = (2+topicLength) + 2 + messageLength;       
    else	DataLen = (2+topicLength) + messageLength;   

    //固定报头
	//控制报文类型
    mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = 0x30;    // MQTT Message Type PUBLISH  

	//剩余长度
	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 );	
	
    mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = BYTE1(topicLength);//主题长度MSB
    mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = BYTE0(topicLength);//主题长度LSB 
	memcpy(&mqtt_txbuf[mqtt_txlen],topic,topicLength);//拷贝主题
    mqtt_txlen += topicLength;
        
	//报文标识符
    if(qos)
    {
        mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = BYTE1(id);
        mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = BYTE0(id);
        id++;
    }
	memcpy(&mqtt_txbuf[mqtt_txlen],message,messageLength);
    mqtt_txlen += messageLength;
        
	MQTT_SendBuf(mqtt_txbuf,mqtt_txlen);
    return mqtt_txlen;
}

void MQTT_SentHeart(void)
{
	MQTT_SendBuf((u8 *)parket_heart,sizeof(parket_heart));
}

void MQTT_Disconnect(void)
{
	MQTT_SendBuf((u8 *)parket_disconnet,sizeof(parket_disconnet));
}

void MQTT_SendBuf(u8 *buf,u16 len)
{
	USARTx_DataSend(USART3,buf,len);
}