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1. 設計需求、硬件環境介紹

1.1 項目背景

隨著城市化進程的不斷加快，綠化管理成為城市建設和環境保護的重要組成部分。為了實現對城市綠化的智能化管理和優化，決定設計一個基于STM32L4小熊派的云端綠化管理系統，利用華為云IoT 物聯網平臺來實現數據的采集、傳輸和分析。

該系統的設備平臺采用小熊派開發板，搭載了意法半導體的低功耗芯片STM32L431。該芯片具有低功耗和高性能的特點，非常適合用于物聯網設備。通過配合外部的專業傳感器，如溫濕度傳感器和光照度傳感器，系統能夠實時獲取空氣中的溫濕度數據和光照度數據。

系統的核心是華為云IoT物聯網平臺，它提供了豐富的功能和服務，包括設備接入、數據采集、消息通信、云端數據存儲和分析等。可以利用該平臺的能力來接收來自小熊派設備的數據，并進行云端的數據分析和處理。

當傳感器獲取到空氣中的溫濕度數據和光照度數據后，小熊派將數據通過無線通信發送到華為云IoT物聯網平臺。云平臺接收到數據后，會進行實時的數據分析和處理。根據預設的綠化管理規則和條件，系統可以判斷當前種植區的空氣溫濕度是否適合進行灌溉。

當系統判斷需要進行灌溉時，它可以通過華為云IoT物聯網平臺向指定的灌溉設備發送指令，實現自動灌溉操作。同時，系統還可以將實時的溫濕度數據和光照度數據存儲在云端，以便后續的數據分析和管理。

通過這個云端綠化管理系統，可以實現對城市綠化的智能化管理和優化。通過實時監測和分析空氣溫濕度和光照度數據，系統可以根據植物的生長需求進行精確的灌溉控制，提高綠化效果，節約水資源。同時，利用華為云IoT物聯網平臺的強大功能，可以實現設備的遠程管理和數據的實時監控，提高綠化管理的效率和便捷性。

本項目利用STM32L4小熊派設計基于華為云IoT物聯網平臺的云端綠化管理系統，通過實時監測和控制空氣溫濕度和光照度，實現智能化的綠化管理和優化，為城市綠化工作提供科技支持，促進城市的可持續發展和環境保護。

1.2 實現功能

本項目利用意法半導體的STM32L431微控制器和ESP8266 WiFi模塊，配合華為云物聯網平臺服務器，構建了一個微型綠化管理系統。該系統包括六個功能模塊：

基礎系統模塊：負責接收和轉發各種數據，并控制掃水作業的進行。澆水作業是通過板載電機進行模擬控制。
溫度采集模塊：用于采集監測區域的溫度數據，并將數據傳輸給微控制器。
濕度采集模塊：用于采集監測區域的濕度數據，并將數據傳輸給微控制器。
光照采集模塊：用于采集監測區域的光照數據，并將數據傳輸給微控制器。
無線傳感器網絡模塊：負責將采集到的數據上傳至云平臺，并進行數據下發和交互等操作。
OLED顯示屏模塊：實時顯示監測到的各項數據。

當前項目選用了ESP8266作為無線WiFi通信模塊，因其價格低廉、支持串口編程、提供完善的AT指令資料等特點，非常適合學習使用。通過對ESP8266的編程實驗，可以學習TCP和MQTT網絡編程相關知識。

本項目通過整合各個功能模塊，實現了對溫度、濕度和光照等數據的采集，并利用這些數據判斷是否需要進行灌溉。同時，通過無線傳感器網絡模塊將數據上傳至云平臺，并在OLED顯示屏上實時展示監測到的數據。這個綠化管理系統為學習者提供了一個理想的實踐平臺，可以加深對TCP、MQTT和物聯網技術的理解和應用。

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:

項目源碼：https://download.csdn.net/download/xiaolong1126626497/81993720

#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_cnt< MAX_RECV_CNT-1)
        {
            ESP8266_RecvBuf[ESP8266_Recv_cnt++] = (uint8_t)(at_usart.Instance- >RDR & 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;i< len;i++)
    {
        while((LPUART1- >ISR & 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:%drn",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 %%rn", (int)E53_IA1_Data.Lux);
            printf("濕度:%d %%rn",(int)E53_IA1_Data.Humidity);
            printf("溫度:%d ℃rn", (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]='?';
             
                    //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< ESP8266_Recv_cnt;i++)printf("%c",ESP8266_RecvBuf[i]);
                    
                    ESP8266_Recv_cnt=0;    
                }
                ESP8266_Recv_flag=0;
          }
      }
}


void SystemClock_Config(void)
{

  RCC_OscInitTypeDef RCC_OscInitStruct;
  RCC_ClkInitTypeDef RCC_ClkInitStruct;
  RCC_PeriphCLKInitTypeDef PeriphClkInit;

    /**Initializes the CPU, AHB and APB busses clocks 
    */
  RCC_OscInitStruct.OscillatorType = RCC_OSCILLATORTYPE_HSI|RCC_OSCILLATORTYPE_MSI;
  RCC_OscInitStruct.HSIState = RCC_HSI_ON;
  RCC_OscInitStruct.HSICalibrationValue = 16;
  RCC_OscInitStruct.MSIState = RCC_MSI_ON;
  RCC_OscInitStruct.MSICalibrationValue = 0;
  RCC_OscInitStruct.MSIClockRange = RCC_MSIRANGE_6;
  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLState = RCC_PLL_ON;
  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLSource = RCC_PLLSOURCE_MSI;
  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLM = 1;
  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLN = 40;
  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLP = RCC_PLLP_DIV7;
  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLQ = RCC_PLLQ_DIV2;
  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLR = RCC_PLLR_DIV2;
  if (HAL_RCC_OscConfig(&RCC_OscInitStruct) != HAL_OK)
  {
    _Error_Handler(__FILE__, __LINE__);
  }

    /**Initializes the CPU, AHB and APB busses clocks 
    */
  RCC_ClkInitStruct.ClockType = RCC_CLOCKTYPE_HCLK|RCC_CLOCKTYPE_SYSCLK
                              |RCC_CLOCKTYPE_PCLK1|RCC_CLOCKTYPE_PCLK2;
  RCC_ClkInitStruct.SYSCLKSource = RCC_SYSCLKSOURCE_PLLCLK;
  RCC_ClkInitStruct.AHBCLKDivider = RCC_SYSCLK_DIV1;
  RCC_ClkInitStruct.APB1CLKDivider = RCC_HCLK_DIV1;
  RCC_ClkInitStruct.APB2CLKDivider = RCC_HCLK_DIV1;

  if (HAL_RCC_ClockConfig(&RCC_ClkInitStruct, FLASH_LATENCY_4) != HAL_OK)
  {
    _Error_Handler(__FILE__, __LINE__);
  }

  PeriphClkInit.PeriphClockSelection = RCC_PERIPHCLK_USART1|RCC_PERIPHCLK_I2C1;
  PeriphClkInit.Usart1ClockSelection = RCC_USART1CLKSOURCE_PCLK2;
  PeriphClkInit.I2c1ClockSelection = RCC_I2C1CLKSOURCE_HSI;
  if (HAL_RCCEx_PeriphCLKConfig(&PeriphClkInit) != HAL_OK)
  {
    _Error_Handler(__FILE__, __LINE__);
  }

    /**Configure the main internal regulator output voltage 
    */
  if (HAL_PWREx_ControlVoltageScaling(PWR_REGULATOR_VOLTAGE_SCALE1) != HAL_OK)
  {
    _Error_Handler(__FILE__, __LINE__);
  }

    /**Configure the Systick interrupt time 
    */
  HAL_SYSTICK_Config(HAL_RCC_GetHCLKFreq()/1000);

    /**Configure the Systick 
    */
  HAL_SYSTICK_CLKSourceConfig(SYSTICK_CLKSOURCE_HCLK);

  /* SysTick_IRQn interrupt configuration */
  HAL_NVIC_SetPriority(SysTick_IRQn, 0, 0);
}

/* USER CODE BEGIN 4 */

/* USER CODE END 4 */

/**
  * @brief  This function is executed in case of error occurrence.
  * @param  file: The file name as string.
  * @param  line: The line in file as a number.
  * @retval None
  */
void _Error_Handler(char *file, int line)
{
  /* USER CODE BEGIN Error_Handler_Debug */
  /* User can add his own implementation to report the HAL error return state */
  while(1)
  {
  }
  /* USER CODE END Error_Handler_Debug */
}

#ifdef  USE_FULL_ASSERT
/**
  * @brief  Reports the name of the source file and the source line number
  *         where the assert_param error has occurred.
  * @param  file: pointer to the source file name
  * @param  line: assert_param error line source number
  * @retval None
  */
void assert_failed(uint8_t* file, uint32_t line)
{ 
  /* USER CODE BEGIN 6 */
  /* User can add his own implementation to report the file name and line number,
     tex: printf("Wrong parameters value: file %s on line %drn", file, line) */
  /* USER CODE END 6 */
}
#endif /* USE_FULL_ASSERT */

審核編輯：湯梓紅

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