基于STM32設計的水資源監(jiān)測系統(tǒng)

一、前言

1.1 項目開發(fā)背景

水資源作為人類賴以生存和發(fā)展的基礎性自然資源，其質量直接關系到生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展和人民群眾的生命健康。隨著工業(yè)化與城鎮(zhèn)化的快速推進，水體污染問題日益嚴重，水資源的保護與科學管理已成為全球關注的重要議題。為了實現(xiàn)對水環(huán)境的高效監(jiān)測與管理，亟需構建一套集成化、智能化的水資源環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)水質數(shù)據的實時采集、分析、傳輸與展示，為環(huán)境治理提供數(shù)據支撐與決策依據。

傳統(tǒng)的水質監(jiān)測方法多以人工采樣與實驗室分析為主，周期長、效率低，難以及時反映動態(tài)變化的水質狀況，無法滿足當前水環(huán)境實時監(jiān)控的需求。借助嵌入式技術、物聯(lián)網通信技術及傳感器技術的發(fā)展，構建基于STM32嵌入式平臺的智能水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)成為一種可行而有效的方案。該系統(tǒng)通過多種水質傳感器實現(xiàn)對水溫、pH值、溶解氧、電導率、水位等參數(shù)的連續(xù)自動監(jiān)測，并通過無線通信方式將數(shù)據實時上傳至物聯(lián)網平臺，實現(xiàn)遠程監(jiān)控與報警。

本項目基于STM32F103C8T6單片機作為主控核心，結合DS18B20、pH傳感器、溶解氧傳感器、TDS電導率傳感器、水位傳感器等多種模塊構建多參數(shù)水質檢測系統(tǒng)，通過IIC接口實現(xiàn)本地OLED顯示，結合Air780E 4G通信模塊實現(xiàn)遠程數(shù)據上傳。項目采用MQTT協(xié)議接入華為云物聯(lián)網平臺，同時配套開發(fā)基于Qt(C++)的Android手機APP和Windows上位機，用于數(shù)據可視化展示和歷史數(shù)據分析，提升系統(tǒng)的可用性與智能化水平。

系統(tǒng)還集成了高電平觸發(fā)蜂鳴器，在監(jiān)測數(shù)據出現(xiàn)異常時可實現(xiàn)現(xiàn)場聲光報警，有效提升應急響應能力。該系統(tǒng)具有部署靈活、運行穩(wěn)定、實時性強等優(yōu)點，廣泛適用于河流、湖泊、水庫、水產養(yǎng)殖、污水處理等多種場景，對于推動水環(huán)境保護信息化、智能化具有重要現(xiàn)實意義和應用價值。

1.2 設計實現(xiàn)的功能

（1）水溫檢測功能：通過DS18B20防水溫度傳感器對水體溫度進行實時監(jiān)測，并將數(shù)據傳送至主控芯片處理。

（2）pH值檢測功能：采用模擬量輸出的pH傳感器對水體酸堿度進行檢測，經ADC采集并通過算法轉換為實際pH值。

（3）溶解氧檢測功能：采用485接口輸出的溶解氧傳感器，通過485轉串口模塊與STM32通信，實時獲取水中溶解氧濃度。

（4）水位檢測功能：使用電阻式模擬量輸出的水位傳感器，實現(xiàn)水體液位的實時監(jiān)測，并通過ADC接口采集。

（5）TDS電導率檢測功能：通過TDS傳感器采集水體的電導率信息，反映水中溶解固體物的含量。

（6）OLED本地顯示功能：通過0.96寸IIC接口OLED屏，實時顯示采集的水溫、pH值、溶解氧、水位、電導率等關鍵參數(shù)，便于現(xiàn)場查看。

（7）數(shù)據上云功能：利用Air780E 4G模塊，通過MQTT協(xié)議將采集的所有水質參數(shù)上傳至華為云IoT物聯(lián)網平臺，實現(xiàn)遠程數(shù)據可視化管理。

（8）遠程APP與上位機顯示功能：基于Qt(C++)開發(fā)Android手機APP與Windows上位機，接收云端數(shù)據并以圖表方式進行可視化展示，支持實時查看與歷史數(shù)據查詢。

（9）歷史數(shù)據記錄與折線圖查看功能：Android APP端支持每日歷史數(shù)據的存儲和查詢功能，用戶可通過折線圖形式查看各項水質指標的變化趨勢。

（10）異常報警功能：當系統(tǒng)監(jiān)測到水質參數(shù)異常（如超出設定閾值）時，觸發(fā)高電平蜂鳴器進行現(xiàn)場聲響報警，提示相關人員及時處理。

1.3 項目硬件模塊組成

（1）STM32F103C8T6主控模塊：作為系統(tǒng)的核心控制單元，負責采集傳感器數(shù)據、數(shù)據處理、本地顯示和數(shù)據上傳等任務。

（2）DS18B20水溫傳感器模塊：用于實時采集水體溫度數(shù)據，具有防水封裝，通信方式為單總線接口。

（3）pH值檢測傳感器模塊：輸出模擬電壓信號，通過STM32的ADC采樣接口讀取，結合公式算法換算出實際pH值。

（4）溶解氧傳感器模塊：采用RS485接口輸出，通過485轉TTL串口模塊連接STM32，實現(xiàn)對水體溶解氧濃度的讀取。

（5）水位檢測模塊：使用電阻式模擬量輸出的水位傳感器，通過STM32的ADC接口獲取水位高度信息。

（6）TDS電導率傳感器模塊：模擬量輸出，檢測水中溶解固體的電導率值，通過ADC采集處理。

（7）OLED顯示模塊：采用0.96寸IIC通信接口，用于實時顯示采集到的水溫、pH值、溶解氧、水位、電導率等數(shù)據。

（8）Air780E 4G通信模塊：負責將處理后的水質數(shù)據通過MQTT協(xié)議上傳至華為云IoT物聯(lián)網平臺，實現(xiàn)遠程數(shù)據通信。

（9）蜂鳴器模塊：采用高電平觸發(fā)方式，在檢測數(shù)據異常時發(fā)出聲響警報，用于本地故障提示。

（10）485轉串口通信模塊：用于將溶解氧傳感器的RS485信號轉換為STM32可識別的TTL串口信號，實現(xiàn)串口數(shù)據通信。

1.4 設計思路

本項目設計一套基于STM32的水資源環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)多項水質參數(shù)的實時監(jiān)測、本地顯示、遠程上傳和異常報警等功能。系統(tǒng)整體設計思路遵循“模塊化、集成化、智能化”的原則，圍繞數(shù)據采集、數(shù)據處理、數(shù)據傳輸與數(shù)據展示四個核心環(huán)節(jié)進行系統(tǒng)開發(fā)。

在數(shù)據采集部分，系統(tǒng)選用多種水質傳感器模塊，分別用于采集水溫、pH值、溶解氧、水位和電導率等核心水質指標。其中，溫度傳感器DS18B20通過單總線通信方式獲取數(shù)據；pH值和TDS電導率采用模擬量輸出方式，STM32通過ADC模塊進行電壓采樣并結合算法轉換為實際值；水位傳感器同樣輸出模擬信號，方便讀取液位變化；溶解氧傳感器則通過RS485通信輸出，經過485轉串口模塊后接入STM32的串口讀取。通過合理搭配通信協(xié)議和接口資源，實現(xiàn)了多參數(shù)、多通道的水質數(shù)據采集。

在數(shù)據處理與顯示方面，STM32F103C8T6主控芯片作為系統(tǒng)核心，負責各項傳感器數(shù)據的采集調度與數(shù)值處理。處理后的數(shù)據通過IIC接口發(fā)送至0.96寸OLED顯示屏，便于現(xiàn)場查看當前水質狀態(tài)。系統(tǒng)設計時充分考慮資源優(yōu)化，確保多個模塊協(xié)同工作，避免通信沖突和資源浪費。

在數(shù)據傳輸部分，系統(tǒng)集成了Air780E 4G模塊，實現(xiàn)遠程無線通信。選用輕量級的MQTT協(xié)議，將處理后的數(shù)據通過4G網絡上傳至華為云物聯(lián)網平臺，確保數(shù)據上傳的穩(wěn)定性和實時性。MQTT協(xié)議具有發(fā)布/訂閱機制，能夠降低網絡帶寬消耗，提高通信效率，特別適合物聯(lián)網設備的低功耗、低帶寬應用場景。

為實現(xiàn)遠程數(shù)據展示與分析，系統(tǒng)配套開發(fā)Android手機APP與Windows上位機軟件，采用Qt(C++)設計，支持從華為云物聯(lián)網平臺接收數(shù)據并進行可視化展示。APP端還支持歷史數(shù)據存儲與查看功能，用戶可按日期查詢歷史記錄，并以折線圖形式分析水質變化趨勢。通過跨平臺設計，實現(xiàn)了移動端與PC端的無縫對接。

系統(tǒng)具備異常報警功能，當監(jiān)測到某項參數(shù)超過預設閾值時，STM32將自動驅動蜂鳴器報警，實現(xiàn)現(xiàn)場預警，增強系統(tǒng)的安全性和響應能力。整體系統(tǒng)硬件采用模塊化結構設計，便于后期擴展與維護，同時提升了項目的穩(wěn)定性和實用性。

1.5 系統(tǒng)功能總結

功能模塊	實現(xiàn)內容	硬件支持	通信方式
水溫檢測	實時監(jiān)測水體溫度	DS18B20溫度傳感器	單總線
pH值檢測	檢測水體酸堿度，轉換為實際pH值顯示	模擬pH傳感器	模擬量 → ADC
溶解氧檢測	檢測水中溶解氧濃度	溶解氧傳感器 + 485轉串口模塊	RS485 → TTL串口
水位檢測	實時監(jiān)測水位高度	電阻式水位傳感器	模擬量 → ADC
TDS電導率檢測	檢測水體中溶解固體含量的電導率	TDS電導率傳感器	模擬量 → ADC
本地顯示	實時顯示各項水質數(shù)據（溫度、pH、溶解氧、水位、電導率）	0.96寸OLED顯示屏（IIC接口）	IIC通信
數(shù)據上傳	將采集數(shù)據上傳至華為云IoT平臺	Air780E 4G模塊	MQTT協(xié)議（4G網絡）
遠程數(shù)據顯示	在Android APP和Windows上位機端查看實時及歷史數(shù)據，支持折線圖顯示	Qt開發(fā)APP與上位機	MQTT訂閱（云端同步）
歷史數(shù)據管理	APP端支持每日數(shù)據存儲與查詢，圖形化展示水質變化	Android手機APP	本地+云端數(shù)據同步
異常報警	當數(shù)據異常超閾值，蜂鳴器報警提醒	高電平觸發(fā)蜂鳴器	IO控制

1.6 開發(fā)工具的選擇

【1】設備端開發(fā)

STM32的編程語言選擇C語言，C語言執(zhí)行效率高，大學里主學的C語言，C語言編譯出來的可執(zhí)行文件最接近于機器碼，匯編語言執(zhí)行效率最高，但是匯編的移植性比較差，目前在一些操作系統(tǒng)內核里還有一些低配的單片機使用的較多，平常的單片機編程還是以C語言為主。C語言的執(zhí)行效率僅次于匯編，語法理解、代碼通用性強，也支持跨平臺，在嵌入式底層、單片機編程里用的非常多，當前的設計就是采用C語言開發(fā)。

開發(fā)工具選擇Keil，keil是一家世界領先的嵌入式微控制器軟件開發(fā)商，在2015年，keil被ARM公司收購。因為當前芯片選擇的是STM32F103系列，STMF103是屬于ARM公司的芯片構架、Cortex-M3內核系列的芯片，所以使用Kile來開發(fā)STM32是有先天優(yōu)勢的，而keil在各大高校使用的也非常多，很多教科書里都是以keil來教學，開發(fā)51單片機、STM32單片機等等。目前作為MCU芯片開發(fā)的軟件也不只是keil一家獨大，IAR在MCU微處理器開發(fā)領域里也使用的非常多，IAR擴展性更強，也支持STM32開發(fā)，也支持其他芯片，比如：CC2530,51單片機的開發(fā)。從軟件的使用上來講，IAR比keil更加簡潔，功能相對少一些。如果之前使用過keil，而且使用頻率較多，已經習慣再使用IAR是有點不適應界面的。

【2】上位機開發(fā)

上位機的開發(fā)選擇Qt框架，編程語言采用C++；Qt是一個1991年由Qt Company開發(fā)的跨平臺C++圖形用戶界面應用程序開發(fā)框架。它既可以開發(fā)GUI程序，也可用于開發(fā)非GUI程序，比如控制臺工具和服務器。Qt是面向對象的框架，使用特殊的代碼生成擴展（稱為元對象編譯器(Meta Object Compiler, moc)）以及一些宏，Qt很容易擴展，并且允許真正地組件編程。Qt能輕松創(chuàng)建具有原生C++性能的連接設備、用戶界面（UI）和應用程序。它功能強大且結構緊湊，擁有直觀的工具和庫。

1.7 數(shù)據交互字段

在將本項目采集的數(shù)據上傳至 華為云 IoT 物聯(lián)網平臺 時，需要為設備模型（即產品模型）定義一組字段屬性（屬性服務），用于描述設備采集到的各種數(shù)據。這些屬性應能完整表達你系統(tǒng)的功能。

在華為云 IoT 平臺定義以下字段屬性：

字段名稱（標識符）	數(shù)據類型	單位	描述	示例值
waterTemp	float	℃	水溫	22.5
phValue	float	無	PH值	7.21
dissolvedOxygen	float	mg/L	溶解氧濃度	6.85
waterLevel	float	cm	當前水位高度	13.2
tdsValue	float	ppm	TDS電導率（溶解性總固體）	580
uploadTime	string	時間戳	數(shù)據上傳時間	2025-06-05T12:30:00
alarmStatus	int	無	異常報警狀態(tài)（0正常，1異常）	0

說明：

• 數(shù)據類型需與華為云平臺支持的類型一致，如 int、float、string、boolean。
• alarmStatus 可用于報警提示功能，如當PH超標、TDS過高等時上傳 1。
• uploadTime 可以作為歷史數(shù)據存儲和查詢依據。

MQTT 上傳格式（JSON 結構）：

{
  "waterTemp": 22.5,
  "phValue": 7.21,
  "dissolvedOxygen": 6.85,
  "waterLevel": 13.2,
  "tdsValue": 580,
  "alarmStatus": 0,
  "uploadTime": "2025-06-05T12:30:00"
}

二、硬件介紹

當前項目使用的相關軟件工具、模塊源碼已經上傳到網盤：https://ccnr8sukk85n.feishu.cn/wiki/QjY8weDYHibqRYkFP2qcA9aGnvb?from=from_copylink

2.1 STM32F102C8T6

STM32F103C8T6 是 STMicroelectronics 公司推出的一款基于 ARM Cortex-M3 內核的 32 位高性能低功耗微控制器，屬于 STM32F1 系列中的主流型產品。該芯片具有較高的性價比和穩(wěn)定的性能，被廣泛應用于嵌入式控制系統(tǒng)、物聯(lián)網設備、傳感器采集、工業(yè)自動化等領域。

STM32F103C8T6 運行主頻為 72MHz，具有 64KB 的 Flash 程序存儲器和 20KB 的 SRAM，滿足中小型嵌入式項目的代碼和數(shù)據存儲需求。它集成豐富的外設接口，包括多達 37 個通用 I/O 端口、3 個通用定時器、1 個高級定時器、多個串口（USART）、SPI 接口、I2C 接口以及 12 位 ADC 模塊（多達 10 個通道），能夠支持多種模擬和數(shù)字信號輸入輸出。

該芯片封裝為 LQFP-48（48 引腳封裝），方便用戶在 PCB 設計和元件焊接過程中操作。它支持 2.0V~3.6V 的供電電壓，具有較強的抗干擾能力和低功耗特性，適合在復雜或要求較高的工作環(huán)境中運行。

在開發(fā)方面，STM32F103C8T6 支持多種開發(fā)工具，如 Keil、IAR、STM32CubeIDE 等，開發(fā)者既可以使用標準外設庫（SPL）或硬件抽象庫（HAL）開發(fā)，也可以直接基于寄存器編程方式進行底層控制，便于系統(tǒng)的精細調試與資源優(yōu)化。芯片支持通過 ISP 方式（串口）下載程序，用戶可以方便地進行程序更新和調試。

STM32F103C8T6 是一款性能穩(wěn)定、資源豐富、接口齊全的通用型微控制器，非常適合應用在多傳感器數(shù)據采集、通信控制和實時處理等嵌入式系統(tǒng)設計中，如本項目中的水資源環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。

2.2 Air780e

Air780E 是移遠通信（Quectel）推出的一款高性能、低功耗、功能豐富的 4G 全網通通信模塊，適用于物聯(lián)網領域中對數(shù)據傳輸速率、可靠性和遠程接入能力有較高要求的應用場景。該模塊支持 LTE CAT1 通信標準，可實現(xiàn)較快的數(shù)據傳輸速度與穩(wěn)定的網絡連接能力，廣泛應用于智能終端、遠程監(jiān)控、工業(yè)物聯(lián)、智慧農業(yè)等系統(tǒng)中。

Air780E 支持中國三大運營商（移動、聯(lián)通、電信）的 4G 網絡，具備良好的網絡兼容性和通信覆蓋能力。模塊內部集成了 TCP/IP 協(xié)議棧，并支持常用的通信協(xié)議如 MQTT、HTTP、FTP、UDP、TCP 等，用戶可以通過串口 AT 指令方式快速配置模塊，實現(xiàn)云平臺的數(shù)據上傳與下發(fā)控制。對于本項目，Air780E 通過 MQTT 協(xié)議將采集的水質數(shù)據上傳到華為云物聯(lián)網平臺，起到了關鍵的數(shù)據傳輸橋梁作用。

硬件接口方面，Air780E 模塊提供標準的 UART 接口，方便與主控芯片（如 STM32）通信，支持常見的波特率配置，并且具有多路 GPIO、SIM 卡接口、天線接口、電源管理等功能。模塊支持主控通過串口發(fā)送 AT 指令來進行撥號上網、參數(shù)設置、數(shù)據發(fā)送、斷線重連等操作，操作、上手快速，能夠顯著降低開發(fā)難度。

在功耗控制方面，Air780E 具備多種省電模式，如飛行模式、睡眠模式和掉電模式，特別適合電池供電類的嵌入式應用場景。模塊體積小巧，集成度高，封裝方式適合貼片安裝，可方便集成在各種尺寸受限的設備中。

Air780E 是一款集高可靠性、易用性和網絡兼容性于一體的 4G 通信模塊，特別適合用于需要遠程數(shù)據傳輸、接入云平臺的嵌入式系統(tǒng)。在本水資源環(huán)境監(jiān)測項目中，它有效實現(xiàn)了傳感器數(shù)據從本地終端到云端的遠距離傳輸，是系統(tǒng)遠程監(jiān)控功能實現(xiàn)的關鍵組成部分。

2.3 TDS傳感器

TDS電導率檢測傳感器是一種用于檢測水中溶解性總固體（Total Dissolved Solids）含量的傳感器，廣泛應用于水質檢測、飲用水處理、水產養(yǎng)殖、農業(yè)灌溉等場景。TDS 的單位通常為 ppm（每百萬分之一），代表每升水中含有多少毫克的可溶性物質，如礦物質、鹽類、金屬離子等。

該傳感器的工作原理基于電導率的測量，即通過檢測水體對電流的導通能力，間接判斷水中溶解固體的濃度。水中含有的離子越多，導電能力越強，對應的TDS值也越高。傳感器內部通常包含兩個電極，當電極浸入水中后，電解質會使電流形成通路，控制模塊通過測量電導值并結合算法，將其轉換為實際的TDS數(shù)值。

TDS傳感器通常輸出為模擬電壓信號，便于與單片機的ADC模塊（如STM32的ADC）進行對接。傳感器輸出的電壓與TDS值成正比，經過采樣與算法換算后即可獲得相應的ppm濃度值。在應用中，為了獲得更準確的測量結果，常配合溫度傳感器（如DS18B20）進行溫度補償，以消除不同水溫對電導率造成的影響。

TDS傳感器一般采用防水探頭，外殼材質耐腐蝕，適合長期浸入水中使用。控制模塊則具備電壓調節(jié)、濾波放大、信號校準等功能，提高輸出信號的穩(wěn)定性和抗干擾能力。

在本水資源環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中，TDS電導率傳感器用于實時監(jiān)測水體中溶解物的濃度，反映水質純凈程度，為判斷水質優(yōu)劣提供關鍵依據。通過STM32的ADC接口讀取其輸出的模擬信號，并結合補償算法計算出當前水體的TDS值，再通過OLED本地顯示及4G模塊上傳至物聯(lián)網平臺，為遠程水質管理與預警提供數(shù)據支持。

2.4 溶解氧傳感器

溶解氧檢測傳感器是一種用于測量水體中溶解氧（Dissolved Oxygen, DO）濃度的傳感器，廣泛應用于水質監(jiān)測、水產養(yǎng)殖、環(huán)保工程、污水處理等領域。溶解氧是水中生物呼吸和水體自凈能力的重要指標，過高或過低都會影響水體生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

常見的溶解氧傳感器類型主要包括電化學式（極譜型、蓋爾文型）和光學式。電化學式傳感器工作原理基于氧分子通過膜擴散進入電極系統(tǒng)發(fā)生還原反應，產生電流信號，該信號與溶解氧濃度成正比。光學式則通過熒光猝滅原理測量氧氣濃度，具有更高的穩(wěn)定性和更長的使用壽命，但成本相對較高。

在本系統(tǒng)中使用的溶解氧傳感器為 RS-485 接口輸出型，具有抗干擾能力強、傳輸距離遠、通信穩(wěn)定等優(yōu)點。通過與485轉串口模塊配合，STM32單片機可以通過串口協(xié)議（如Modbus-RTU）與傳感器進行通信，實時讀取水中溶解氧的數(shù)值。該傳感器通常支持標準指令查詢，返回的數(shù)據格式規(guī)范，便于主控程序解析。

傳感器通常采用防水封裝，能夠長期浸入水中運行，且部分型號支持自動溫度補償，進一步提高測量的準確性。部分高端型號還具備校準功能，用戶可以根據實際水質環(huán)境定期校準以保持精度。

在本水資源環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中，溶解氧傳感器的作用是監(jiān)控水體中氧含量水平，從而判斷是否存在水質惡化、生物缺氧等異常情況。通過 STM32 讀取溶解氧值后，不僅可在 OLED 顯示屏上實時查看，還可以通過 4G 模塊上傳至云平臺，便于遠程監(jiān)測和歷史數(shù)據分析，為水質保護和應急響應提供依據。

三、部署華為云物聯(lián)網平臺

華為云官網: https://www.huaweicloud.com/

打開官網，搜索物聯(lián)網，就能快速找到 設備接入IoTDA。

3.1 物聯(lián)網平臺介紹

華為云物聯(lián)網平臺（IoT 設備接入云服務）提供海量設備的接入和管理能力，將物理設備聯(lián)接到云，支撐設備數(shù)據采集上云和云端下發(fā)命令給設備進行遠程控制，配合華為云其他產品，幫助我們快速構筑物聯(lián)網解決方案。

使用物聯(lián)網平臺構建一個完整的物聯(lián)網解決方案主要包括3部分：物聯(lián)網平臺、業(yè)務應用和設備。

物聯(lián)網平臺作為連接業(yè)務應用和設備的中間層，屏蔽了各種復雜的設備接口，實現(xiàn)設備的快速接入；同時提供強大的開放能力，支撐行業(yè)用戶構建各種物聯(lián)網解決方案。

設備可以通過固網、2G/3G/4G/5G、NB-IoT、Wifi等多種網絡接入物聯(lián)網平臺，并使用LWM2M/CoAP、MQTT、HTTPS協(xié)議將業(yè)務數(shù)據上報到平臺，平臺也可以將控制命令下發(fā)給設備。

業(yè)務應用通過調用物聯(lián)網平臺提供的API，實現(xiàn)設備數(shù)據采集、命令下發(fā)、設備管理等業(yè)務場景。

3.2 開通物聯(lián)網服務

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)建標準版實例，需要等待片刻。

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

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。 我們當前設備準備采用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:

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

根據域名地址得到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:
來自 117.78.5.125 的回復: 字節(jié)=32 時間=37ms TTL=44
來自 117.78.5.125 的回復: 字節(jié)=32 時間=37ms TTL=44
來自 117.78.5.125 的回復: 字節(jié)=32 時間=37ms TTL=44
來自 117.78.5.125 的回復: 字節(jié)=32 時間=37ms TTL=44

117.78.5.125 的 Ping 統(tǒng)計信息:
    數(shù)據包: 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)建產品

（2）填寫產品信息

根據自己產品名字填寫，下面的設備類型選擇自定義類型。

（3）產品創(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

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

模型來說： 就是存放設備上傳到云平臺的數(shù)據。

你可以根據自己的產品進行創(chuàng)建。

比如：

在將本項目采集的數(shù)據上傳至 華為云 IoT 物聯(lián)網平臺 時，需要為設備模型（即產品模型）定義一組字段屬性（屬性服務），用于描述設備采集到的各種數(shù)據。這些屬性應能完整表達你系統(tǒng)的功能。

根據項目功能，在華為云 IoT 平臺定義以下字段屬性：

字段名稱（標識符）	數(shù)據類型	單位	描述	示例值
waterTemp	float	℃	水溫	22.5
phValue	float	無	PH值	7.21
dissolvedOxygen	float	mg/L	溶解氧濃度	6.85
waterLevel	float	cm	當前水位高度	13.2
tdsValue	float	ppm	TDS電導率（溶解性總固體）	580
uploadTime	string	時間戳	數(shù)據上傳時間	2025-06-05T12:30:00
alarmStatus	int	無	異常報警狀態(tài)（0正常，1異常）	0

說明：

• 數(shù)據類型需與華為云平臺支持的類型一致，如 int、float、string、boolean。
• alarmStatus 可用于報警提示功能，如當PH超標、TDS過高等時上傳 1。
• uploadTime 可以作為歷史數(shù)據存儲和查詢依據。

MQTT 上傳格式（JSON 結構）：

{
  "waterTemp": 22.5,
  "phValue": 7.21,
  "dissolvedOxygen": 6.85,
  "waterLevel": 13.2,
  "tdsValue": 580,
  "alarmStatus": 0,
  "uploadTime": "2025-06-05T12:30:00"
}

在華為云 IoT 平臺創(chuàng)建產品后，可以在 產品模型 > 服務 > 屬性 中添加上述字段，并配置設備上傳的 Topic。STM32 端通過 AT 指令控制 4G 模塊（Air780E）連接 MQTT Broker，將這些字段打包為 JSON 并上報即可。

先點擊自定義模型。

再創(chuàng)建一個服務ID。

接著點擊新增屬性。

3.4 添加設備

產品是屬于上層的抽象模型，接下來在產品模型下添加實際的設備。添加的設備最終需要與真實的設備關聯(lián)在一起，完成數(shù)據交互。

（1）注冊設備

（2）根據自己的設備填寫

（3）保存設備信息

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

（4）設備創(chuàng)建完成

（5）設備詳情

3.5 MQTT協(xié)議主題訂閱與發(fā)布

（1）MQTT協(xié)議介紹

當前的設備是采用MQTT協(xié)議與華為云平臺進行通信。

MQTT是一個物聯(lián)網傳輸協(xié)議，它被設計用于輕量級的發(fā)布/訂閱式消息傳輸，旨在為低帶寬和不穩(wěn)定的網絡環(huán)境中的物聯(lián)網設備提供可靠的網絡服務。MQTT是專門針對物聯(lián)網開發(fā)的輕量級傳輸協(xié)議。MQTT協(xié)議針對低帶寬網絡，低計算能力的設備，做了特殊的優(yōu)化，使得其能適應各種物聯(lián)網應用場景。目前MQTT擁有各種平臺和設備上的客戶端，已經形成了初步的生態(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，解除應用程序耦合，相對于其他協(xié)議，開發(fā)更；MQTT協(xié)議是工作在TCP/IP協(xié)議上；由TCP/IP協(xié)議提供穩(wěn)定的網絡連接；所以，只要具備TCP協(xié)議棧的網絡設備都可以使用MQTT協(xié)議。 本次設備采用的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)務流程：

（2）華為云平臺MQTT協(xié)議使用限制

描述	限制
支持的MQTT協(xié)議版本	3.1.1
與標準MQTT協(xié)議的區(qū)別	支持Qos 0和Qos 1支持Topic自定義不支持QoS2不支持will、retain msg
MQTTS支持的安全等級	采用TCP通道基礎 + TLS協(xié)議（最高TLSv1.3版本）
單帳號每秒最大MQTT連接請求數(shù)	無限制
單個設備每分鐘支持的最大MQTT連接數(shù)	1
單個MQTT連接每秒的吞吐量，即帶寬，包含直連設備和網關	3KB/s
MQTT單個發(fā)布消息最大長度，超過此大小的發(fā)布請求將被直接拒絕	1MB
MQTT連接心跳時間建議值	心跳時間限定為30至1200秒，推薦設置為120秒
產品是否支持自定義Topic	支持
消息發(fā)布與訂閱	設備只能對自己的Topic進行消息發(fā)布與訂閱
每個訂閱請求的最大訂閱數(shù)	無限制

（3）主題訂閱格式

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

對于設備而言，一般會訂閱平臺下發(fā)消息給設備 這個主題。

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

如果設備想要知道平臺下發(fā)的消息，需要訂閱上面圖片里標注的主題。

以當前設備為例，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

對于設備來說，主題發(fā)布表示向云平臺上傳數(shù)據，將最新的傳感器數(shù)據，設備狀態(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

根據幫助文檔的介紹， 當前設備發(fā)布主題，上報屬性的格式總結如下：

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，這個數(shù)據格式是JSON格式。

上傳的JSON數(shù)據格式如下:

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

根據這個格式，組合一次上傳的屬性數(shù)據:
{"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，設備ID，設備密碼等信息，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服務器地址

要登錄MQTT服務器，首先記得先知道服務器的地址是多少，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，所以當前的設備是采用1883端口進連接的。

根據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鑒權三元組： https://iot-tool.obs-website.cn-north-4.myhuaweicloud.com/

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

下面是打開的頁面：

填入設備的信息： （上面兩行就是設備創(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，設備端通過MQTT協(xié)議登錄鑒權的時候，填入參數(shù)即可。

ClientId  663cb18871d845632a0912e7_dev1_0_0_2024050911
Username  663cb18871d845632a0912e7_dev1
Password  71b82deae83e80f04c4269b5bbce3b2fc7c13f610948fe210ce18650909ac237

3.7 模擬設備登錄測試

經過上面的步驟介紹，已經創(chuàng)建了產品，設備，數(shù)據模型，得到MQTT登錄信息。 接下來就用MQTT客戶端軟件模擬真實的設備來登錄平臺。測試與服務器通信是否正常。

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）打開網頁查看

完成上面的操作之后，打開華為云網頁后臺，可以看到設備已經在線了。

點擊詳情頁面，可以看到上傳的數(shù)據：

到此，云平臺的部署已經完成，設備已經可以正常上傳數(shù)據了。

（3）MQTT登錄測試參數(shù)總結

MQTT服務器:  117.78.5.125
MQTT端口號:  183

//物聯(lián)網服務器的設備信息
#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:
{"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進行鑒權。來說，就是身份的認證。 調用接口獲取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

鼠標放在左上角頭像上，在下拉菜單里選擇統(tǒng)一身份認證。

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

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

設備影子介紹：

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

來說：設備影子就是保存，設備最新上傳的一次數(shù)據。

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

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

在線調試接口，可以請求影子接口，了解請求，與返回的數(shù)據格式。

調試完成看右下角的響應體，就是返回的影子數(shù)據。

設備影子接口返回的數(shù)據如下：

{
 "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
  }
 ]
}

調試成功之后，可以得到訪問影子數(shù)據的真實鏈接，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，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  # 根據你的系統(tǒng)設置 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>

// 回調函數(shù)，處理libcurl下載數(shù)據
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;  // 用于存儲響應數(shù)據

    curl_global_init(CURL_GLOBAL_DEFAULT);
    curl = curl_easy_init();
    if (curl) {
        // 設置訪問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)據解析代碼

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

（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。

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

// 回調函數(shù)，處理libcurl下載數(shù)據
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
void parseJson(const QByteArray &data) {
    // 將 QByteArray 轉換為 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
    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
            }
        ]
    })";

    // 調用解析函數(shù)
    parseJson(jsonData);

    return a.exec();
}

四、STM32設備端代碼設計

下面給出的 STM32F103C8T6 主控的 main.c 代碼框架，各子模塊（PH傳感器采集、DS18B20水溫讀取、485串口溶解氧讀取、水位傳感器ADC采集、TDS傳感器ADC采集、OLED顯示、4G模塊MQTT通信、蜂鳴器報警）均有對應的驅動和接口函數(shù)。

源碼下載：
https://mp.weixin.qq.com/mp/appmsgalbum?__biz=MzU5Mjg3NTMxOQ==&action=getalbum&album_id=3230261637572755458#wechat_redirect

設計思路（整體代碼）

STM32主程序設計采用基于寄存器的編程方式，代碼結構清晰，模塊化管理。系統(tǒng)啟動后，初始化所有硬件外設和通信接口（ADC、UART、I2C、GPIO等），然后進入主循環(huán)。

主循環(huán)中依次進行各傳感器數(shù)據采集，通過ADC讀取模擬傳感器電壓，串口通信讀取溶解氧傳感器數(shù)據，數(shù)字接口讀取DS18B20溫度數(shù)據。采集到的原始數(shù)據經過校準和算法轉換，得到實際物理值。

隨后將所有傳感器數(shù)據更新到OLED屏幕，實現(xiàn)本地實時顯示。同時，系統(tǒng)根據預設閾值判斷是否產生報警，控制蜂鳴器提示。周期性地將完整數(shù)據打包成JSON格式，通過UART驅動的4G模塊發(fā)送MQTT消息上傳到華為云物聯(lián)網平臺。

系統(tǒng)通過定時器或延時函數(shù)控制采樣和上傳頻率，確保實時性和穩(wěn)定性。異常處理包括傳感器故障檢測和通信錯誤重試機制，保障系統(tǒng)可靠運行。

---

main.c 示例代碼

#include "stm32f10x.h"
#include "adc.h"
#include "usart.h"
#include "i2c.h"
#include "oled.h"
#include "ds18b20.h"
#include "ph_sensor.h"
#include "do_sensor.h"
#include "tds_sensor.h"
#include "water_level_sensor.h"
#include "buzzer.h"
#include "mqtt_4g.h"
#include "json_utils.h"  // 自定義JSON封裝函數(shù)

// 采樣與上傳周期 (單位: ms)
#define SAMPLE_INTERVAL 5000
#define UPLOAD_INTERVAL 60000

// 傳感器數(shù)據結構體
typedef struct {
    float waterTemp;
    float phValue;
    float dissolvedOxygen;
    float waterLevel;
    float tdsValue;
    uint8_t alarmStatus;
} WaterData_t;

static WaterData_t g_waterData;

void SystemClock_Config(void);
void Periph_Init(void);
void Delay_ms(uint32_t ms);
uint8_t Check_Alarm(const WaterData_t *data);

int main(void)
{
    SystemClock_Config();
    Periph_Init();

    uint32_t lastSampleTime = 0;
    uint32_t lastUploadTime = 0;

    while(1)
    {
        uint32_t currentTime = GetSysTick_ms();

        // 定時采樣
        if(currentTime - lastSampleTime >= SAMPLE_INTERVAL)
        {
            lastSampleTime = currentTime;

            // 讀取各傳感器數(shù)據
            g_waterData.waterTemp = DS18B20_ReadTemperature();
            g_waterData.phValue = PH_GetValue();          // 模擬量轉換并校準
            g_waterData.dissolvedOxygen = DO_ReadValue(); // 485串口讀取
            g_waterData.waterLevel = WaterLevel_ReadADC();// ADC讀取
            g_waterData.tdsValue = TDS_ReadValue();       // ADC讀取并算法轉換

            // 判斷報警狀態(tài)
            g_waterData.alarmStatus = Check_Alarm(&g_waterData);

            // OLED顯示更新
            OLED_Clear();
            OLED_ShowString(0, 0, "Water Temp:");
            OLED_ShowFloat(80, 0, g_waterData.waterTemp, 1);
            OLED_ShowString(0, 2, "PH Value:");
            OLED_ShowFloat(80, 2, g_waterData.phValue, 2);
            OLED_ShowString(0, 4, "DO mg/L:");
            OLED_ShowFloat(80, 4, g_waterData.dissolvedOxygen, 2);
            OLED_ShowString(0, 6, "Water Level:");
            OLED_ShowFloat(80, 6, g_waterData.waterLevel, 1);
            OLED_ShowString(0, 8, "TDS ppm:");
            OLED_ShowFloat(80, 8, g_waterData.tdsValue, 0);

            if(g_waterData.alarmStatus)
            {
                Buzzer_On();
            }
            else
            {
                Buzzer_Off();
            }
        }

        // 定時上傳
        if(currentTime - lastUploadTime >= UPLOAD_INTERVAL)
        {
            lastUploadTime = currentTime;

            // 組裝JSON數(shù)據
            char jsonData[256];
            Json_CreateWaterDataJson(&g_waterData, jsonData, sizeof(jsonData));

            // 通過4G模塊上傳
            MQTT_4G_Publish(jsonData);
        }
    }
}

// 報警判斷邏輯示例
uint8_t Check_Alarm(const WaterData_t *data)
{
    if(data->phValue < 6.5f || data->phValue > 8.5f)
        return 1;
    if(data->dissolvedOxygen < 4.0f)
        return 1;
    if(data->tdsValue > 1000)
        return 1;
    // 根據需要擴展報警條件
    return 0;
}

// 初始化所有外設
void Periph_Init(void)
{
    ADC_Init_Config();
    USART1_Init(115200); // 4G模塊串口
    USART2_Init(9600);   // 485串口（溶解氧）
    I2C_Init();
    OLED_Init();
    DS18B20_Init();
    PH_Sensor_Init();
    DO_Sensor_Init();
    TDS_Sensor_Init();
    WaterLevel_Sensor_Init();
    Buzzer_Init();
    MQTT_4G_Init();
}

// 系統(tǒng)時鐘配置及systick定時器配置，具體由你實現(xiàn)
void SystemClock_Config(void)
{
    // 省略具體時鐘初始化代碼
}

// 獲取系統(tǒng)運行時間（毫秒）
uint32_t GetSysTick_ms(void)
{
    // systick中斷已配置，每1ms遞增一個計數(shù)
    extern volatile uint32_t sysTickCounter;
    return sysTickCounter;
}

五、上位機開發(fā)

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

使用華為云平臺提供的API接口獲取設備上傳的數(shù)據，進行可視化顯示，以及遠程控制設備。

5.1 Qt開發(fā)環(huán)境安裝

Qt的中文官網： 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行下載：

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

軟件安裝時斷網安裝，否則會提示輸入賬戶。

安裝的時候，第一個復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設計上位機，設計界面，完成整體上位機的邏輯設計。

【1】新建工程

【2】設置項目的名稱。

【3】選擇編譯系統(tǒng)

【4】選擇默認繼承的類

【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計界面了。

5.5 設計UI界面與工程配置

【1】打開UI文件

打開默認的界面如下：

【2】開始設計界面

根據自己需求設計界面。

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習）

然后才可以進行下面的步驟。

【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

本項目基于STM32F103C8T6主控芯片，設計實現(xiàn)了一個集水溫、PH值、溶解氧、水位和TDS電導率多參數(shù)檢測于一體的水資源環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)通過高精度傳感器采集關鍵水質指標，利用OLED顯示屏實現(xiàn)本地數(shù)據實時展示，保證現(xiàn)場監(jiān)測的直觀性與便捷性。結合Air780E 4G模塊和MQTT協(xié)議，系統(tǒng)將采集的數(shù)據穩(wěn)定可靠地上傳至華為云物聯(lián)網平臺，支持遠程監(jiān)控與歷史數(shù)據查詢，極大提升了數(shù)據管理的智能化和自動化水平。

此外，系統(tǒng)設計中充分考慮了異常報警功能，能夠及時發(fā)現(xiàn)并反饋水質異常，保障環(huán)境安全。Android手機APP和Windows上位機軟件的雙平臺設計，實現(xiàn)了多終端的遠程數(shù)據訪問與管理，滿足不同用戶的使用需求。整體方案采用寄存器級STM32編程，提升了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和響應速度，兼顧硬件性能與軟件效率。

本項目的完成不僅驗證了基于STM32的多參數(shù)水質監(jiān)測系統(tǒng)的可行性和實用性，也為后續(xù)環(huán)境監(jiān)測設備的智能化升級提供了可靠的技術參考，具有較高的應用推廣價值和社會意義。