基于STM32單片機設(shè)計的土壤質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)

基于STM32的土壤質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)，上傳到華為云IoT平臺的數(shù)據(jù)字段包括以下內(nèi)容，覆蓋系統(tǒng)監(jiān)測的全部核心參數(shù)和狀態(tài)信息：

1. soil_pH —— 土壤的pH值
2. soil_temperature —— 土壤溫度（單位：℃）
3. soil_humidity —— 土壤濕度（單位：%）
4. soil_nitrogen —— 土壤中氮元素含量（單位：ppm或mg/kg，根據(jù)傳感器規(guī)格）
5. soil_phosphorus —— 土壤中磷元素含量（單位：ppm或mg/kg）
6. soil_potassium —— 土壤中鉀元素含量（單位：ppm或mg/kg）
7. environment_temperature —— 環(huán)境空氣溫度（單位：℃）
8. environment_humidity —— 環(huán)境空氣濕度（單位：%）
9. light_intensity —— 環(huán)境光照強度（單位：Lux）
10. water_pump_status —— 自動灌溉狀態(tài)（如0表示關(guān)閉，1表示開啟）
11. device_id —— 設(shè)備唯一標(biāo)識，用于區(qū)分多個設(shè)備上傳的數(shù)據(jù)

這些字段基本涵蓋了系統(tǒng)所有關(guān)鍵監(jiān)測點和控制狀態(tài)，上傳后可以通過云平臺實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控、歷史數(shù)據(jù)分析及設(shè)備管理。

三、部署華為云物聯(lián)網(wǎng)平臺

華為云官網(wǎng): https://www.huaweicloud.com/

打開官網(wǎng)，搜索物聯(lián)網(wǎng)，就能快速找到 設(shè)備接入IoTDA。

3.1 物聯(lián)網(wǎng)平臺介紹

華為云物聯(lián)網(wǎng)平臺（IoT 設(shè)備接入云服務(wù)）提供海量設(shè)備的接入和管理能力，將物理設(shè)備聯(lián)接到云，支撐設(shè)備數(shù)據(jù)采集上云和云端下發(fā)命令給設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，配合華為云其他產(chǎn)品，幫助我們快速構(gòu)筑物聯(lián)網(wǎng)解決方案。

使用物聯(lián)網(wǎng)平臺構(gòu)建一個完整的物聯(lián)網(wǎng)解決方案主要包括3部分：物聯(lián)網(wǎng)平臺、業(yè)務(wù)應(yīng)用和設(shè)備。

物聯(lián)網(wǎng)平臺作為連接業(yè)務(wù)應(yīng)用和設(shè)備的中間層，屏蔽了各種復(fù)雜的設(shè)備接口，實現(xiàn)設(shè)備的快速接入；同時提供強大的開放能力，支撐行業(yè)用戶構(gòu)建各種物聯(lián)網(wǎng)解決方案。

設(shè)備可以通過固網(wǎng)、2G/3G/4G/5G、NB-IoT、Wifi等多種網(wǎng)絡(luò)接入物聯(lián)網(wǎng)平臺，并使用LWM2M/CoAP、MQTT、HTTPS協(xié)議將業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)上報到平臺，平臺也可以將控制命令下發(fā)給設(shè)備。

業(yè)務(wù)應(yīng)用通過調(diào)用物聯(lián)網(wǎng)平臺提供的API，實現(xiàn)設(shè)備數(shù)據(jù)采集、命令下發(fā)、設(shè)備管理等業(yè)務(wù)場景。

3.2 開通物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)

地址： https://www.huaweicloud.com/product/iothub.html

開通免費單元。

點擊立即創(chuàng)建。

正在創(chuàng)建標(biāo)準(zhǔn)版實例，需要等待片刻。

創(chuàng)建完成之后，點擊詳情。 可以看到標(biāo)準(zhǔn)版實例的設(shè)備接入端口和地址。

下面框起來的就是端口號和域名

點擊實例名稱，可以查看當(dāng)前免費單元的配置情況。

開通之后，點擊接入信息，也能查看接入信息。 我們當(dāng)前設(shè)備準(zhǔn)備采用MQTT協(xié)議接入華為云平臺，這里可以看到MQTT協(xié)議的地址和端口號等信息。

總結(jié):

端口號：   MQTT (1883)| MQTTS (8883)    
接入地址： dab1a1f2c6.st1.iotda-device.cn-north-4.myhuaweicloud.com

根據(jù)域名地址得到IP地址信息:

打開Windows電腦的命令行控制臺終端，使用ping 命令。ping一下即可。

Microsoft Windows [版本 10.0.19045.5011]
(c) Microsoft Corporation。保留所有權(quán)利。

C:UsersLenovo>ping dab1a1f2c6.st1.iotda-device.cn-north-4.myhuaweicloud.com

正在 Ping dab1a1f2c6.st1.iotda-device.cn-north-4.myhuaweicloud.com [117.78.5.125] 具有 32 字節(jié)的數(shù)據(jù):
來自 117.78.5.125 的回復(fù): 字節(jié)=32 時間=37ms TTL=44
來自 117.78.5.125 的回復(fù): 字節(jié)=32 時間=37ms TTL=44
來自 117.78.5.125 的回復(fù): 字節(jié)=32 時間=37ms TTL=44
來自 117.78.5.125 的回復(fù): 字節(jié)=32 時間=37ms TTL=44

117.78.5.125 的 Ping 統(tǒng)計信息:
    數(shù)據(jù)包: 已發(fā)送 = 4，已接收 = 4，丟失 = 0 (0% 丟失)，
往返行程的估計時間(以毫秒為單位):
    最短 = 37ms，最長 = 37ms，平均 = 37ms

C:UsersLenovo>

MQTT協(xié)議接入端口號有兩個，1883是非加密端口，8883是證書加密端口，單片機無法加載證書，所以使用1883端口合適。

3.3 創(chuàng)建產(chǎn)品

鏈接：https://console.huaweicloud.com/iotdm/?region=cn-north-4#/dm-dev/all-product?instanceId=03c5c68c-e588-458c-90c3-9e4c640be7af

（1）創(chuàng)建產(chǎn)品

（2）填寫產(chǎn)品信息

根據(jù)自己產(chǎn)品名字填寫，下面的設(shè)備類型選擇自定義類型。

（3）產(chǎn)品創(chuàng)建成功

創(chuàng)建完成之后點擊查看詳情。

（4）添加自定義模型

產(chǎn)品創(chuàng)建完成之后，點擊進(jìn)入產(chǎn)品詳情頁面，翻到最下面可以看到模型定義。

模型簡單來說： 就是存放設(shè)備上傳到云平臺的數(shù)據(jù)。

你可以根據(jù)自己的產(chǎn)品進(jìn)行創(chuàng)建。

比如：

soil_pH —— 土壤的pH值

soil_temperature —— 土壤溫度（單位：℃）

soil_humidity —— 土壤濕度（單位：%）

soil_nitrogen —— 土壤中氮元素含量（單位：ppm或mg/kg，根據(jù)傳感器規(guī)格）

soil_phosphorus —— 土壤中磷元素含量（單位：ppm或mg/kg）

soil_potassium —— 土壤中鉀元素含量（單位：ppm或mg/kg）

environment_temperature —— 環(huán)境空氣溫度（單位：℃）

environment_humidity —— 環(huán)境空氣濕度（單位：%）

light_intensity —— 環(huán)境光照強度（單位：Lux）

water_pump_status —— 自動灌溉狀態(tài)（如0表示關(guān)閉，1表示開啟）

device_id —— 設(shè)備唯一標(biāo)識，用于區(qū)分多個設(shè)備上傳的數(shù)據(jù)

先點擊自定義模型。

再創(chuàng)建一個服務(wù)ID。

接著點擊新增屬性。

3.4 添加設(shè)備

產(chǎn)品是屬于上層的抽象模型，接下來在產(chǎn)品模型下添加實際的設(shè)備。添加的設(shè)備最終需要與真實的設(shè)備關(guān)聯(lián)在一起，完成數(shù)據(jù)交互。

（1）注冊設(shè)備

（2）根據(jù)自己的設(shè)備填寫

（3）保存設(shè)備信息

創(chuàng)建完畢之后，點擊保存并關(guān)閉，得到創(chuàng)建的設(shè)備密匙信息。該信息在后續(xù)生成MQTT三元組的時候需要使用。

（4）設(shè)備創(chuàng)建完成

（5）設(shè)備詳情

3.5 MQTT協(xié)議主題訂閱與發(fā)布

（1）MQTT協(xié)議介紹

當(dāng)前的設(shè)備是采用MQTT協(xié)議與華為云平臺進(jìn)行通信。

MQTT是一個物聯(lián)網(wǎng)傳輸協(xié)議，它被設(shè)計用于輕量級的發(fā)布/訂閱式消息傳輸，旨在為低帶寬和不穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備提供可靠的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。MQTT是專門針對物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)的輕量級傳輸協(xié)議。MQTT協(xié)議針對低帶寬網(wǎng)絡(luò)，低計算能力的設(shè)備，做了特殊的優(yōu)化，使得其能適應(yīng)各種物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景。目前MQTT擁有各種平臺和設(shè)備上的客戶端，已經(jīng)形成了初步的生態(tài)系統(tǒng)。

MQTT是一種消息隊列協(xié)議，使用發(fā)布/訂閱消息模式，提供一對多的消息發(fā)布，解除應(yīng)用程序耦合，相對于其他協(xié)議，開發(fā)更簡單；MQTT協(xié)議是工作在TCP/IP協(xié)議上；由TCP/IP協(xié)議提供穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)連接；所以，只要具備TCP協(xié)議棧的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備都可以使用MQTT協(xié)議。 本次設(shè)備采用的ESP8266就具備TCP協(xié)議棧，能夠建立TCP連接，所以，配合STM32代碼里封裝的MQTT協(xié)議，就可以與華為云平臺完成通信。

華為云的MQTT協(xié)議接入幫助文檔在這里: https://support.huaweicloud.com/devg-iothub/iot_02_2200.html

業(yè)務(wù)流程：

（2）華為云平臺MQTT協(xié)議使用限制

（3）主題訂閱格式

幫助文檔地址：https://support.huaweicloud.com/devg-iothub/iot_02_2200.html

對于設(shè)備而言，一般會訂閱平臺下發(fā)消息給設(shè)備 這個主題。

設(shè)備想接收平臺下發(fā)的消息，就需要訂閱平臺下發(fā)消息給設(shè)備 的主題，訂閱后，平臺下發(fā)消息給設(shè)備，設(shè)備就會收到消息。

如果設(shè)備想要知道平臺下發(fā)的消息，需要訂閱上面圖片里標(biāo)注的主題。

以當(dāng)前設(shè)備為例，最終訂閱主題的格式如下:
$oc/devices/{device_id}/sys/messages/down
    
最終的格式:
$oc/devices/663cb18871d845632a0912e7_dev1/sys/messages/down

（4）主題發(fā)布格式

對于設(shè)備來說，主題發(fā)布表示向云平臺上傳數(shù)據(jù)，將最新的傳感器數(shù)據(jù)，設(shè)備狀態(tài)上傳到云平臺。

這個操作稱為：屬性上報。

幫助文檔地址：https://support.huaweicloud.com/usermanual-iothub/iot_06_v5_3010.html

根據(jù)幫助文檔的介紹， 當(dāng)前設(shè)備發(fā)布主題，上報屬性的格式總結(jié)如下：

發(fā)布的主題格式:
$oc/devices/{device_id}/sys/properties/report
 
最終的格式:
$oc/devices/663cb18871d845632a0912e7_dev1/sys/properties/report
發(fā)布主題時，需要上傳數(shù)據(jù)，這個數(shù)據(jù)格式是JSON格式。

上傳的JSON數(shù)據(jù)格式如下:

{
  "services": [
    {
      "service_id": <填服務(wù)ID>,
      "properties": {
        "<填屬性名稱1>": <填屬性值>,
        "<填屬性名稱2>": <填屬性值>,
        ..........
      }
    }
  ]
}
根據(jù)JSON格式，一次可以上傳多個屬性字段。 這個JSON格式里的，服務(wù)ID，屬性字段名稱，屬性值類型，在前面創(chuàng)建產(chǎn)品的時候就已經(jīng)介紹了，不記得可以翻到前面去查看。

根據(jù)這個格式，組合一次上傳的屬性數(shù)據(jù):
{"services": [{"service_id": "stm32","properties":{"你的字段名字1":30,"你的字段名字2":10,"你的字段名字3":1,"你的字段名字4":0}}]}

3.6 MQTT三元組

MQTT協(xié)議登錄需要填用戶ID，設(shè)備ID，設(shè)備密碼等信息，就像我們平時登錄QQ，微信一樣要輸入賬號密碼才能登錄。MQTT協(xié)議登錄的這3個參數(shù)，一般稱為MQTT三元組。

接下來介紹，華為云平臺的MQTT三元組參數(shù)如何得到。

（1）MQTT服務(wù)器地址

要登錄MQTT服務(wù)器，首先記得先知道服務(wù)器的地址是多少，端口是多少。

幫助文檔地址：https://console.huaweicloud.com/iotdm/?region=cn-north-4#/dm-portal/home

MQTT協(xié)議的端口支持1883和8883，它們的區(qū)別是：8883 是加密端口更加安全。但是單片機上使用比較困難，所以當(dāng)前的設(shè)備是采用1883端口進(jìn)連接的。

根據(jù)上面的域名和端口號，得到下面的IP地址和端口號信息： 如果設(shè)備支持填寫域名可以直接填域名，不支持就直接填寫IP地址。 （IP地址就是域名解析得到的）

華為云的MQTT服務(wù)器地址：117.78.5.125
華為云的MQTT端口號：1883

如何得到IP地址？如何域名轉(zhuǎn)IP？ 打開Windows的命令行輸入以下命令。

ping  ad635970a1.st1.iotda-device.cn-north-4.myhuaweicloud.com

（2）生成MQTT三元組

華為云提供了一個在線工具，用來生成MQTT鑒權(quán)三元組： https://iot-tool.obs-website.cn-north-4.myhuaweicloud.com/

打開這個工具，填入設(shè)備的信息（也就是剛才創(chuàng)建完設(shè)備之后保存的信息），點擊生成，就可以得到MQTT的登錄信息了。

下面是打開的頁面：

填入設(shè)備的信息： （上面兩行就是設(shè)備創(chuàng)建完成之后保存得到的）

直接得到三元組信息。

得到三元組之后，設(shè)備端通過MQTT協(xié)議登錄鑒權(quán)的時候，填入?yún)?shù)即可。

ClientId  663cb18871d845632a0912e7_dev1_0_0_2024050911
Username  663cb18871d845632a0912e7_dev1
Password  71b82deae83e80f04c4269b5bbce3b2fc7c13f610948fe210ce18650909ac237

3.7 模擬設(shè)備登錄測試

經(jīng)過上面的步驟介紹，已經(jīng)創(chuàng)建了產(chǎn)品，設(shè)備，數(shù)據(jù)模型，得到MQTT登錄信息。 接下來就用MQTT客戶端軟件模擬真實的設(shè)備來登錄平臺。測試與服務(wù)器通信是否正常。

MQTT軟件下載地址【免費】： https://download.csdn.net/download/xiaolong1126626497/89928772

（1）填入登錄信息

打開MQTT客戶端軟件，對號填入相關(guān)信息（就是上面的文本介紹）。然后，點擊登錄，訂閱主題，發(fā)布主題。

（2）打開網(wǎng)頁查看

完成上面的操作之后，打開華為云網(wǎng)頁后臺，可以看到設(shè)備已經(jīng)在線了。

點擊詳情頁面，可以看到上傳的數(shù)據(jù)：

到此，云平臺的部署已經(jīng)完成，設(shè)備已經(jīng)可以正常上傳數(shù)據(jù)了。

（3）MQTT登錄測試參數(shù)總結(jié)

MQTT服務(wù)器:  117.78.5.125
MQTT端口號:  183

//物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器的設(shè)備信息
#define MQTT_ClientID "663cb18871d845632a0912e7_dev1_0_0_2024050911"
#define MQTT_UserName "663cb18871d845632a0912e7_dev1"
#define MQTT_PassWord "71b82deae83e80f04c4269b5bbce3b2fc7c13f610948fe210ce18650909ac237"

//訂閱與發(fā)布的主題
#define SET_TOPIC  "$oc/devices/663cb18871d845632a0912e7_dev1/sys/messages/down"  //訂閱
#define POST_TOPIC "$oc/devices/663cb18871d845632a0912e7_dev1/sys/properties/report"  //發(fā)布


發(fā)布的數(shù)據(jù):
{"services": [{"service_id": "stm32","properties":{"你的字段名字1":30,"你的字段名字2":10,"你的字段名字3":1,"你的字段名字4":0}}]}

3.8 創(chuàng)建IAM賬戶

創(chuàng)建一個IAM賬戶，因為接下來開發(fā)上位機，需要使用云平臺的API接口，這些接口都需要token進(jìn)行鑒權(quán)。簡單來說，就是身份的認(rèn)證。 調(diào)用接口獲取Token時，就需要填寫IAM賬號信息。所以，接下來演示一下過程。

地址: https://console.huaweicloud.com/iam/?region=cn-north-4#/iam/users

**【1】獲取項目憑證 ** 點擊左上角用戶名，選擇下拉菜單里的我的憑證

項目憑證:

28add376c01e4a61ac8b621c714bf459

【2】創(chuàng)建IAM用戶

鼠標(biāo)放在左上角頭像上，在下拉菜單里選擇統(tǒng)一身份認(rèn)證。

點擊左上角創(chuàng)建用戶。

創(chuàng)建成功：

【3】創(chuàng)建完成

用戶信息如下：

主用戶名  l19504562721
IAM用戶  ds_abc
密碼     DS12345678

3.9 獲取影子數(shù)據(jù)

幫助文檔：https://support.huaweicloud.com/api-iothub/iot_06_v5_0079.html

設(shè)備影子介紹：

設(shè)備影子是一個用于存儲和檢索設(shè)備當(dāng)前狀態(tài)信息的JSON文檔。
每個設(shè)備有且只有一個設(shè)備影子，由設(shè)備ID唯一標(biāo)識
設(shè)備影子僅保存最近一次設(shè)備的上報數(shù)據(jù)和預(yù)期數(shù)據(jù)
無論該設(shè)備是否在線，都可以通過該影子獲取和設(shè)置設(shè)備的屬性

簡單來說：設(shè)備影子就是保存，設(shè)備最新上傳的一次數(shù)據(jù)。

我們設(shè)計的軟件里，如果想要獲取設(shè)備的最新狀態(tài)信息，就采用設(shè)備影子接口。

如果對接口不熟悉，可以先進(jìn)行在線調(diào)試：https://apiexplorer.developer.huaweicloud.com/apiexplorer/doc?product=IoTDA&api=ShowDeviceShadow

在線調(diào)試接口，可以請求影子接口，了解請求，與返回的數(shù)據(jù)格式。

調(diào)試完成看右下角的響應(yīng)體，就是返回的影子數(shù)據(jù)。

設(shè)備影子接口返回的數(shù)據(jù)如下：

{
 "device_id": "663cb18871d845632a0912e7_dev1",
 "shadow": [
  {
   "service_id": "stm32",
   "desired": {
    "properties": null,
    "event_time": null
   },
   "reported": {
    "properties": {
     "DHT11_T": 18,
     "DHT11_H": 90,
     "BH1750": 38,
     "MQ135": 70
    },
    "event_time": "20240509T113448Z"
   },
   "version": 3
  }
 ]
}

調(diào)試成功之后，可以得到訪問影子數(shù)據(jù)的真實鏈接，接下來的代碼開發(fā)中，就采用Qt寫代碼訪問此鏈接，獲取影子數(shù)據(jù)，完成上位機開發(fā)。

鏈接如下：

https://ad635970a1.st1.iotda-app.cn-north-4.myhuaweicloud.com:443/v5/iot/28add376c01e4a61ac8b621c714bf459/devices/663cb18871d845632a0912e7_dev1/shadow

3.10 訪問接口的代碼實現(xiàn)

（1）配置 Qt 項目

在 Qt 項目的 .pro 文件中，加入對 libcurl 的支持：

QT += core
CONFIG += console
CONFIG -= app_bundle

INCLUDEPATH += /usr/include/curl  # 根據(jù)你的系統(tǒng)設(shè)置 libcurl 的路徑
LIBS += -lcurl  # 鏈接 libcurl 庫

SOURCES += main.cpp

（2）代碼實現(xiàn)

main.cpp 文件中實現(xiàn)代碼如下：

#include <QCoreApplication>
#include <curl/curl.h>
#include <QDebug>
#include <QString>
#include <QByteArray>

// 回調(diào)函數(shù)，處理libcurl下載數(shù)據(jù)
size_t WriteCallback(void *contents, size_t size, size_t nmemb, void *userp) {
    size_t totalSize = size * nmemb;
    QByteArray *response = static_cast<QByteArray *>(userp);
    response->append(static_cast<char *>(contents), totalSize);
    return totalSize;
}

int main(int argc, char *argv[]) {
    QCoreApplication a(argc, argv);

    // 初始化libcurl
    CURL *curl;
    CURLcode res;
    QByteArray responseData;  // 用于存儲響應(yīng)數(shù)據(jù)

    curl_global_init(CURL_GLOBAL_DEFAULT);
    curl = curl_easy_init();
    if (curl) {
        // 設(shè)置訪問URL
        const QString url = "https://ad635970a1.st1.iotda-app.cn-north-4.myhuaweicloud.com:443/v5/iot/28add376c01e4a61ac8b621c714bf459/devices/663cb18871d845632a0912e7_dev1/shadow";

        // 設(shè)置HTTP請求頭
        struct curl_slist *headers = NULL;
        headers = curl_slist_append(headers, "Authorization: Bearer <Your_Access_Token>"); // 這里需要替換為你的實際 token

        curl_easy_setopt(curl, CURLOPT_URL, url.toStdString().c_str());
        curl_easy_setopt(curl, CURLOPT_HTTPHEADER, headers);
        curl_easy_setopt(curl, CURLOPT_WRITEFUNCTION, WriteCallback);
        curl_easy_setopt(curl, CURLOPT_WRITEDATA, &responseData);

        // 發(fā)起GET請求
        res = curl_easy_perform(curl);

        if (res != CURLE_OK) {
            qDebug() << "Curl request failed:" << curl_easy_strerror(res);
        } else {
            qDebug() << "Response data:" << responseData;
        }

        // 清理
        curl_easy_cleanup(curl);
        curl_slist_free_all(headers);
    }

    curl_global_cleanup();

    return a.exec();
}

3.11 數(shù)據(jù)解析代碼

在 Qt 中使用 CJSON (一個用于解析 JSON 數(shù)據(jù)的輕量級 C 庫) 來解析返回的 JSON 數(shù)據(jù)。

（1）配置 Qt 項目

在 Qt 項目的 .pro 文件中，確保包括了 CJSON 的頭文件，并鏈接 CJSON 的源代碼。

QT += core
CONFIG += console
CONFIG -= app_bundle

SOURCES += main.cpp 
           cJSON.c  # 將 cJSON.c 文件添加到你的項目中

INCLUDEPATH += path/to/cjson/  # 添加 CJSON 頭文件的路徑

LIBS += -lcurl  # 鏈接 libcurl 庫

（2）解析 JSON 數(shù)據(jù)的完整代碼

在 main.cpp 中，以下代碼展示了如何解析你提供的 JSON 數(shù)據(jù)。

#include <QCoreApplication>
#include <curl/curl.h>
#include <QDebug>
#include <QString>
#include <QByteArray>
#include "cJSON.h"

// 回調(diào)函數(shù)，處理libcurl下載數(shù)據(jù)
size_t WriteCallback(void *contents, size_t size, size_t nmemb, void *userp) {
    size_t totalSize = size * nmemb;
    QByteArray *response = static_cast<QByteArray *>(userp);
    response->append(static_cast<char *>(contents), totalSize);
    return totalSize;
}

// 解析 JSON 數(shù)據(jù)
void parseJson(const QByteArray &data) {
    // 將 QByteArray 轉(zhuǎn)換為 char*
    const char* jsonData = data.constData();

    // 解析 JSON
    cJSON *root = cJSON_Parse(jsonData);
    if (root == NULL) {
        qDebug() << "Error parsing JSON.";
        return;
    }

    // 解析 "device_id"
    cJSON *deviceId = cJSON_GetObjectItemCaseSensitive(root, "device_id");
    if (cJSON_IsString(deviceId) && (deviceId->valuestring != NULL)) {
        qDebug() << "Device ID:" << deviceId->valuestring;
    }

    // 解析 "shadow" 數(shù)組
    cJSON *shadow = cJSON_GetObjectItemCaseSensitive(root, "shadow");
    if (cJSON_IsArray(shadow)) {
        cJSON *shadowItem = NULL;
        cJSON_ArrayForEach(shadowItem, shadow) {
            // 解析每個 shadow 項目
            cJSON *serviceId = cJSON_GetObjectItemCaseSensitive(shadowItem, "service_id");
            if (cJSON_IsString(serviceId) && (serviceId->valuestring != NULL)) {
                qDebug() << "Service ID:" << serviceId->valuestring;
            }

            // 解析 "reported" 對象
            cJSON *reported = cJSON_GetObjectItemCaseSensitive(shadowItem, "reported");
            if (cJSON_IsObject(reported)) {
                // 解析 "properties" 對象
                cJSON *properties = cJSON_GetObjectItemCaseSensitive(reported, "properties");
                if (cJSON_IsObject(properties)) {
                    cJSON *data1 = cJSON_GetObjectItemCaseSensitive(properties, "data1");
                    if (cJSON_IsNumber(data1)) {
                        qDebug() << "data1:" << data1->valueint;
                    }
                    cJSON *data2 = cJSON_GetObjectItemCaseSensitive(properties, "data2");
                    if (cJSON_IsNumber(data2)) {
                        qDebug() << "data2:" << data2->valueint;
                    }
                    cJSON *data3 = cJSON_GetObjectItemCaseSensitive(properties, "data3");
                    if (cJSON_IsNumber(data3)) {
                        qDebug() << "data3:" << data3->valueint;
                    }
                    cJSON *data4 = cJSON_GetObjectItemCaseSensitive(properties, "data4");
                    if (cJSON_IsNumber(data4)) {
                        qDebug() << "data4:" << data4->valueint;
                    }
                }

                // 解析 "event_time"
                cJSON *eventTime = cJSON_GetObjectItemCaseSensitive(reported, "event_time");
                if (cJSON_IsString(eventTime) && (eventTime->valuestring != NULL)) {
                    qDebug() << "Event Time:" << eventTime->valuestring;
                }
            }

            // 解析 version
            cJSON *version = cJSON_GetObjectItemCaseSensitive(shadowItem, "version");
            if (cJSON_IsNumber(version)) {
                qDebug() << "Version:" << version->valueint;
            }
        }
    }

    // 釋放 JSON 對象
    cJSON_Delete(root);
}

int main(int argc, char *argv[]) {
    QCoreApplication a(argc, argv);

    // 模擬獲取到的 JSON 數(shù)據(jù)
    QByteArray jsonData = R"(
    {
        "device_id": "663cb18871d845632a0912e7_dev1",
        "shadow": [
            {
                "service_id": "stm32",
                "desired": {
                    "properties": null,
                    "event_time": null
                },
                "reported": {
                    "properties": {
                        "data1": 18,
                        "data2": 90,
                        "data3": 38,
                        "data4": 70
                    },
                    "event_time": "20240509T113448Z"
                },
                "version": 3
            }
        ]
    })";

    // 調(diào)用解析函數(shù)
    parseJson(jsonData);

    return a.exec();
}

四、STM32設(shè)備端代碼設(shè)計

設(shè)計思路概述

系統(tǒng)啟動后，先初始化各個硬件模塊（OLED、傳感器接口、4G模塊、繼電器、蜂鳴器等）。主循環(huán)中周期性讀取各傳感器數(shù)據(jù)：土壤PH、溫濕度、氮磷鉀含量、環(huán)境溫濕度、光照強度。

根據(jù)讀取的土壤濕度，判斷是否啟動灌溉繼電器進(jìn)行補水。同時檢測數(shù)據(jù)是否超出異常閾值，異常時觸發(fā)蜂鳴器報警。

實時數(shù)據(jù)在OLED屏上顯示，并將數(shù)據(jù)組包，通過MQTT協(xié)議經(jīng)Air780e 4G模塊上傳至華為云IoT平臺。

系統(tǒng)支持多設(shè)備獨立運行，設(shè)備ID需唯一。

main.c示例代碼

#include "stm32f10x.h"
#include "oled.h"
#include "bh1750.h"
#include "dht11.h"
#include "soil_sensor.h"      // 土壤485傳感器讀取相關(guān)函數(shù)
#include "air780e_mqtt.h"     // 4G模塊MQTT通信函數(shù)
#include "relay.h"
#include "buzzer.h"
#include "delay.h"
#include <stdio.h>

// 設(shè)備ID定義
#define DEVICE_ID "soil_monitor_001"

// 土壤濕度閾值，低于該值啟動灌溉
#define SOIL_HUMIDITY_THRESHOLD 40  

// 報警閾值（示例，實際需調(diào)試確認(rèn)）
#define PH_LOW_THRESHOLD 5.5
#define PH_HIGH_THRESHOLD 7.5
#define NITROGEN_HIGH_THRESHOLD 1500
#define PHOSPHORUS_HIGH_THRESHOLD 1000
#define POTASSIUM_HIGH_THRESHOLD 1200

// 定時讀取間隔（ms）
#define READ_INTERVAL 5000  

// 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
typedef struct {
    float soil_pH;
    float soil_temperature;
    float soil_humidity;
    float soil_nitrogen;
    float soil_phosphorus;
    float soil_potassium;
    float env_temperature;
    float env_humidity;
    uint16_t light_intensity;
} SoilData;

SoilData soilData;

// 函數(shù)聲明
void System_Init(void);
void Read_Sensors(SoilData* data);
void Display_Data(const SoilData* data);
void Control_Watering(float soil_humidity);
void Check_Alarm(const SoilData* data);
void Upload_Data_MQTT(const SoilData* data);

int main(void)
{
    System_Init();

    while(1)
    {
        Read_Sensors(&soilData);

        Display_Data(&soilData);

        Control_Watering(soilData.soil_humidity);

        Check_Alarm(&soilData);

        Upload_Data_MQTT(&soilData);

        Delay_ms(READ_INTERVAL);
    }
}

// 系統(tǒng)初始化
void System_Init(void)
{
    // 初始化時鐘系統(tǒng)
    SystemInit();

    // 初始化延時函數(shù)
    Delay_Init();

    // 初始化OLED顯示
    OLED_Init();

    // 初始化土壤傳感器485接口
    SoilSensor_Init();

    // 初始化DHT11環(huán)境溫濕度傳感器
    DHT11_Init();

    // 初始化BH1750光照傳感器
    BH1750_Init();

    // 初始化繼電器（控制水泵）
    Relay_Init();

    // 初始化蜂鳴器
    Buzzer_Init();

    // 初始化4G模塊MQTT
    Air780e_MQTT_Init(DEVICE_ID);

    OLED_Clear();
    OLED_ShowString(0,0,(uint8_t *)"Soil Monitor Init",16);
    Delay_ms(1000);
}

// 讀取所有傳感器數(shù)據(jù)
void Read_Sensors(SoilData* data)
{
    // 讀取土壤485傳感器，獲取PH、溫度、濕度、氮磷鉀
    SoilSensor_Read(&data->soil_pH, &data->soil_temperature, &data->soil_humidity,
                    &data->soil_nitrogen, &data->soil_phosphorus, &data->soil_potassium);

    // 讀取環(huán)境溫濕度DHT11
    DHT11_Read(&data->env_temperature, &data->env_humidity);

    // 讀取光照強度BH1750
    data->light_intensity = BH1750_ReadLightIntensity();
}

// OLED顯示數(shù)據(jù)
void Display_Data(const SoilData* data)
{
    char buf[32];

    OLED_Clear();
    sprintf(buf, "pH: %.2f", data->soil_pH);
    OLED_ShowString(0,0,(uint8_t*)buf,16);

    sprintf(buf, "Soil T: %.1fC", data->soil_temperature);
    OLED_ShowString(0,16,(uint8_t*)buf,16);

    sprintf(buf, "Soil H: %.1f%%", data->soil_humidity);
    OLED_ShowString(0,32,(uint8_t*)buf,16);

    sprintf(buf, "N:%d P:%d K:%d", (int)data->soil_nitrogen, (int)data->soil_phosphorus, (int)data->soil_potassium);
    OLED_ShowString(0,48,(uint8_t*)buf,16);

    // 根據(jù)需要，循環(huán)顯示環(huán)境數(shù)據(jù)等
}

// 根據(jù)土壤濕度控制灌溉繼電器
void Control_Watering(float soil_humidity)
{
    if(soil_humidity < SOIL_HUMIDITY_THRESHOLD)
    {
        Relay_On();  // 打開水泵灌溉
    }
    else
    {
        Relay_Off(); // 關(guān)閉水泵
    }
}

// 異常情況報警檢測
void Check_Alarm(const SoilData* data)
{
    uint8_t alarm_flag = 0;

    if(data->soil_pH < PH_LOW_THRESHOLD || data->soil_pH > PH_HIGH_THRESHOLD)
        alarm_flag = 1;
    if(data->soil_nitrogen > NITROGEN_HIGH_THRESHOLD)
        alarm_flag = 1;
    if(data->soil_phosphorus > PHOSPHORUS_HIGH_THRESHOLD)
        alarm_flag = 1;
    if(data->soil_potassium > POTASSIUM_HIGH_THRESHOLD)
        alarm_flag = 1;

    if(alarm_flag)
    {
        Buzzer_On();
    }
    else
    {
        Buzzer_Off();
    }
}

// 數(shù)據(jù)上傳至云端（通過MQTT協(xié)議）
void Upload_Data_MQTT(const SoilData* data)
{
    // 構(gòu)造JSON格式字符串上傳
    char json_data[256];
    sprintf(json_data,
            "{"device_id":"%s","
            ""soil_pH":%.2f,"
            ""soil_temperature":%.2f,"
            ""soil_humidity":%.2f,"
            ""soil_nitrogen":%.2f,"
            ""soil_phosphorus":%.2f,"
            ""soil_potassium":%.2f,"
            ""environment_temperature":%.2f,"
            ""environment_humidity":%.2f,"
            ""light_intensity":%d}",
            DEVICE_ID,
            data->soil_pH,
            data->soil_temperature,
            data->soil_humidity,
            data->soil_nitrogen,
            data->soil_phosphorus,
            data->soil_potassium,
            data->env_temperature,
            data->env_humidity,
            data->light_intensity);

    Air780e_MQTT_Publish("soil_monitor/topic", json_data);
}

代碼說明

• System_Init()函數(shù)負(fù)責(zé)初始化所有硬件模塊。
• Read_Sensors()周期性讀取土壤傳感器、DHT11和BH1750數(shù)據(jù)。
• Display_Data()負(fù)責(zé)在OLED屏幕上實時顯示關(guān)鍵數(shù)據(jù)。
• Control_Watering()根據(jù)土壤濕度自動控制繼電器驅(qū)動抽水電機灌溉。
• Check_Alarm()根據(jù)預(yù)設(shè)閾值判斷是否異常，觸發(fā)蜂鳴器報警。
• Upload_Data_MQTT()將傳感器數(shù)據(jù)封裝成JSON字符串，通過Air780e的MQTT協(xié)議上傳至華為云IoT平臺。

這個main.c結(jié)構(gòu)清晰，模塊職責(zé)分明，方便維護(hù)和擴展。大家可根據(jù)實際驅(qū)動庫函數(shù)名和具體硬件接口，調(diào)整調(diào)用細(xì)節(jié)。這樣可以保證整體系統(tǒng)邏輯完整、數(shù)據(jù)及時準(zhǔn)確上傳，并且本地交互友好。

五、上位機開發(fā)

為了方便查看設(shè)備上傳的數(shù)據(jù)，接下來利用Qt開發(fā)一款A(yù)ndroid手機APP 和 Windows上位機。

使用華為云平臺提供的API接口獲取設(shè)備上傳的數(shù)據(jù)，進(jìn)行可視化顯示，以及遠(yuǎn)程控制設(shè)備。

5.1 Qt開發(fā)環(huán)境安裝

Qt的中文官網(wǎng)： https://www.qt.io/zh-cn/

QT5.12.6的下載地址：https://download.qt.io/archive/qt/5.12/5.12.6

打開下載鏈接后選擇下面的版本進(jìn)行下載：

如果下載不了，可以在網(wǎng)盤里找到安裝包下載： https://ccnr8sukk85n.feishu.cn/wiki/QjY8weDYHibqRYkFP2qcA9aGnvb?from=from_copylink

軟件安裝時斷網(wǎng)安裝，否則會提示輸入賬戶。

安裝的時候，第一個復(fù)選框里的編譯器可以全選，直接點擊下一步繼續(xù)安裝。

選擇編譯器： （一定要看清楚了）

前面2講解了需要用的API接口，接下來就使用Qt設(shè)計上位機，設(shè)計界面，完成整體上位機的邏輯設(shè)計。

【1】新建工程

【2】設(shè)置項目的名稱。

【3】選擇編譯系統(tǒng)

【4】選擇默認(rèn)繼承的類

【5】選擇編譯器

【6】點擊完成

【7】工程創(chuàng)建完成

5.3 切換編譯器

在左下角是可以切換編譯器的。 可以選擇用什么樣的編譯器編譯程序。

目前新建工程的時候選擇了2種編譯器。 一種是mingw32這個編譯Windows下運行的程序。 一種是Android編譯器，可以生成Android手機APP。

不過要注意：Android的編譯器需要配置一些環(huán)境才可以正常使用，這個大家可以看下面的教程配置一下就行了。

Android環(huán)境搭建的博客鏈接： https://blog.csdn.net/xiaolong1126626497/article/details/117254453

windows的編譯器就沒有這么麻煩，安裝好Qt就可以編譯使用。

下面我這里就選擇的 mingw32這個編譯器，編譯Windows下運行的程序。

5.4 編譯測試功能

創(chuàng)建完畢之后，編譯測試一下功能是否OK。

點擊左下角的綠色三角形按鈕。

正常運行就可以看到彈出一個白色的框框。這就表示工程環(huán)境沒有問題了。 接下來就可以放心的設(shè)計界面了。

5.5 設(shè)計UI界面與工程配置

【1】打開UI文件

打開默認(rèn)的界面如下：

【2】開始設(shè)計界面

根據(jù)自己需求設(shè)計界面。

5.5 編譯Windows上位機

點擊軟件左下角的綠色三角形按鈕進(jìn)行編譯運行。

5.6 配置Android環(huán)境

如果想編譯Android手機APP，必須要先自己配置好自己的Android環(huán)境。（搭建環(huán)境的過程可以自行百度搜索學(xué)習(xí)）

然后才可以進(jìn)行下面的步驟。

【1】選擇Android編譯器

選擇編譯器。

切換編譯器。

【2】創(chuàng)建Android配置文件

創(chuàng)建完成。

【3】配置Android圖標(biāo)與名稱

【3】編譯Android上位機

Qt本身是跨平臺的，直接選擇Android的編譯器，就可以將程序編譯到Android平臺。

然后點擊構(gòu)建。

成功之后，在目錄下可以看到生成的apk文件，也就是Android手機的安裝包，電腦端使用QQ發(fā)送給手機QQ,手機登錄QQ接收，就能直接安裝。

生成的apk的目錄在哪里呢？ 編譯完成之后，在控制臺會輸出APK文件的路徑。

知道目錄在哪里之后，在Windows的文件資源管理器里，找到路徑，具體看下圖，找到生成的apk文件。

  -- File: D:/QtProject/build-265_AgritechIoTManager-Android_for_arm64_v8a_Clang_Qt_5_12_6_for_Android_ARM64_v8a-Release/android-build//build/outputs/apk/debug/android-build-debug.apk

六、總結(jié)

本文介紹了基于STM32單片機的土壤質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)。系統(tǒng)通過多種傳感器對土壤的PH值、溫濕度、氮磷鉀含量以及環(huán)境的溫濕度和光照強度進(jìn)行實時監(jiān)測，并結(jié)合自動灌溉功能，有效提升了土壤管理的智能化水平。采用Air780e 4G模塊實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程上傳與云端管理，配合OLED本地顯示和蜂鳴器報警，確保系統(tǒng)具備良好的交互性和實時響應(yīng)能力。此外，系統(tǒng)支持太陽能供電，提升了設(shè)備的適用環(huán)境范圍和續(xù)航能力。通過本項目的開發(fā)，驗證了嵌入式技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用價值，為智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展提供了有力的技術(shù)支持和實踐參考。