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一、環境介紹

MCU: 采用意法半導體低功耗芯片 STM32L431RCT6

編譯軟件: Keil5 +CubeMX

云平臺: 采用騰訊物聯網云平臺

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二、功能與硬件介紹

2.1 功能介紹

這是采用STM32L431 + ES8266設計的云端綠化管理系統，可以通過ESP8266 WIFI連接騰訊云物聯網平臺，使用微信小程序遠程進行綠化管理，比如：實時獲取光照強度、溫度、濕度、遠程控制水泵進行澆水灌溉，在任何地方都可以給自己種的花花草草澆水，了解周邊環境情況。

騰訊物聯網平臺支持微信小程序+WIFI一鍵配網，想學習如何配網的請看這里：基于STM32+ESP8266設計物聯網產品(重點:支持微信小程序一鍵配網連接騰訊云平臺)_DS小龍哥的博客-CSDN博客_基于esp8266設計

2.2 硬件介紹

開發板采用的是小熊開發板，包括完成綠化管理系統的所有功能都是采用小熊派開發板的配套套件完成。

小熊開發板板載了一個stlink調試器(就是STM32F103C8T6實現的)，程序下載非常方便。串口1用來調試打印數據，ESP8266是接在串口LPUART1上的。

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小熊派開發板本身自帶的例子程序也比較豐富，自帶例子里采用的云平臺是華為的物聯網云平臺，工程比較龐大使用了LiteOS操作系統。本文里的工程是重新編寫的代碼，使用裸機完成項目功能，沒有跑操作系統，MQTT協議和ESP8266驅動代碼都是重新編寫，框架、邏輯比較清晰，代碼量也較少，適合初學者入門學習。

相關傳感器模塊型號：（采用的是小熊開發板配套的E53_IA1擴展板）

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WIFI采用：ESP8266

溫濕度檢測傳感器采用：SHT30

光照強度檢測傳感器采用：BH1750

電機采用：微型直流電機

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三、騰訊物聯網云平臺

關于騰訊物聯網平臺的創建已經介紹很多篇了，如果之前沒有使用過騰訊物聯網云平臺，先參考這里學習了解一下：STM32+ESP8266+MQTT協議連接騰訊物聯網開發平臺_DS小龍哥的博客-CSDN博客_esp8266mqtt協議

下面就截圖介紹一下云端綠化管理系統用到的產品功能。

用到的功能屬性：

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小程序面板配置：

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手機微信小程序運行效果：

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串口打印的提示：

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四、STM32源代碼

STM32的代碼主要分為以下幾個部分：

1. ESP8266底層驅動代碼: 完成ESP8266模式配置、數據發送，應答檢測等底層網絡接口。

2. MQTT協議代碼：這是參考標準MQTT編寫C語言版本MQTT協議框架代碼，實現了重要的幾個接口(主題訂閱、主題發布、心跳包、登錄MQTT服務器)，底層采用ESP8266發送數據。 這個MQTT協議不是使用ESP8266本身的SDK，是根據MQTT協議自己實現的，所以如果使用其他的網卡，移植也很方便，不挑網卡設備。

3. 傳感器初始化代碼： 完成溫濕度傳感器、光照強度傳感器的驅動代碼編寫。

4. LCD屏代碼: LCD是SPI接口的，可以顯示溫濕度、光照強度數據。

5. main函數: 完成整個邏輯代碼編寫，檢測微信小程序是否有下發的指令，進行分析，完成水泵的開關控制；當溫室和濕度到達某個閥值，自動控制水泵澆水，并上報給微信小程序；主程序里1秒檢測一次溫濕度、光照強度、電機狀態主動上報給微信小程序；在設備端按下按鍵(模擬現場實體開關)也可以控制水泵澆水或者關閉，這些狀態都會實時上報給云平臺，微信小程序。

工程的get地址：https://download.csdn.net/download/xiaolong1126626497/19246016

程序的模板是使用CubeMX生成的。

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4.1 main.c代碼: 邏輯代碼

/**
  ******************************************************************************
  * @file           : main.c
  * @brief          : Main program body
  ******************************************************************************
  ** This notice applies to any and all portions of this file
  * that are not between comment pairs USER CODE BEGIN and
  * USER CODE END. Other portions of this file, whether 
  * inserted by the user or by software development tools
  * are owned by their respective copyright owners.
  *
  * COPYRIGHT(c) 2019 STMicroelectronics
  *
  * Redistribution and use in source and binary forms, with or without modification,
  * are permitted provided that the following conditions are met:
  *   1. Redistributions of source code must retain the above copyright notice,
  *      this list of conditions and the following disclaimer.
  *   2. Redistributions in binary form must reproduce the above copyright notice,
  *      this list of conditions and the following disclaimer in the documentation
  *      and/or other materials provided with the distribution.
  *   3. Neither the name of STMicroelectronics nor the names of its contributors
  *      may be used to endorse or promote products derived from this software
  *      without specific prior written permission.
  *
  * THIS SOFTWARE IS PROVIDED BY THE COPYRIGHT HOLDERS AND CONTRIBUTORS "AS IS"
  * AND ANY EXPRESS OR IMPLIED WARRANTIES, INCLUDING, BUT NOT LIMITED TO, THE
  * IMPLIED WARRANTIES OF MERCHANTABILITY AND FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE ARE
  * DISCLAIMED. IN NO EVENT SHALL THE COPYRIGHT HOLDER OR CONTRIBUTORS BE LIABLE
  * FOR ANY DIRECT, INDIRECT, INCIDENTAL, SPECIAL, EXEMPLARY, OR CONSEQUENTIAL
  * DAMAGES (INCLUDING, BUT NOT LIMITED TO, PROCUREMENT OF SUBSTITUTE GOODS OR
  * SERVICES; LOSS OF USE, DATA, OR PROFITS; OR BUSINESS INTERRUPTION) HOWEVER
  * CAUSED AND ON ANY THEORY OF LIABILITY, WHETHER IN CONTRACT, STRICT LIABILITY,
  * OR TORT (INCLUDING NEGLIGENCE OR OTHERWISE) ARISING IN ANY WAY OUT OF THE USE
  * OF THIS SOFTWARE, EVEN IF ADVISED OF THE POSSIBILITY OF SUCH DAMAGE.
  *
  ******************************************************************************
  */
/* Includes ------------------------------------------------------------------*/
#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


//騰訊物聯網服務器的設備信息
#define MQTT_ClientID "6142CX41XESmartAgriculture"
#define MQTT_UserName "6142CX41XESmartAgriculture;12010126;HUA2G;1624271589"
#define MQTT_PassWord "a8aadebe9721f70e6f9e14fe56ff1d2b5cac9625fa1f96af2f0e0098597fe78b;hmacsha256"
 
//訂閱與發布的主題
#define SET_TOPIC  "$thing/down/property/6142CX41XE/SmartAgriculture"  //訂閱
#define POST_TOPIC "$thing/up/property/6142CX41XE/SmartAgriculture"  //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_cntRDR & 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;iISR & 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 STM32L431RC_BearPiBH1750_I2C1\STM32L431RC_BearPiBH1750_I2C1.axf: Error: L6218E: Undefined symbol printf (referred from main.o).
    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:%d\r\n",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. 連接騰訊云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 %%\r\n", (int)E53_IA1_Data.Lux);
            printf("濕度:%d %%\r\n",(int)E53_IA1_Data.Humidity);
            printf("溫度:%d ℃\r\n", (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,"{"method":"report","clientToken":"123","params":{"temperature":%d,"humidity":%d,"machine":%d,"illumination":%d}}",
            (int)E53_IA1_Data.Temperature,(int)E53_IA1_Data.Humidity,motor_state,(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]='\0';
             
                    //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;i++)printf("%c",esp8266_recvbuf[i]);>;i++)>)>

4.2 mqtt.c : MQTT協議代碼

#include "mqtt.h"

u8 *mqtt_rxbuf;
u8 *mqtt_txbuf;
u16 mqtt_rxlen;
u16 mqtt_txlen;
u8 _mqtt_txbuf[256];//發送數據緩存區
u8 _mqtt_rxbuf[256];//接收數據緩存區

typedef enum
{
	//名字 	    值 			報文流動方向 	描述
	M_RESERVED1	=0	,	//	禁止	保留
	M_CONNECT		,	//	客戶端到服務端	客戶端請求連接服務端
	M_CONNACK		,	//	服務端到客戶端	連接報文確認
	M_PUBLISH		,	//	兩個方向都允許	發布消息
	M_PUBACK		,	//	兩個方向都允許	QoS 1消息發布收到確認
	M_PUBREC		,	//	兩個方向都允許	發布收到（保證交付第一步）
	M_PUBREL		,	//	兩個方向都允許	發布釋放（保證交付第二步）
	M_PUBCOMP		,	//	兩個方向都允許	QoS 2消息發布完成（保證交互第三步）
	M_SUBSCRIBE		,	//	客戶端到服務端	客戶端訂閱請求
	M_SUBACK		,	//	服務端到客戶端	訂閱請求報文確認
	M_UNSUBSCRIBE	,	//	客戶端到服務端	客戶端取消訂閱請求
	M_UNSUBACK		,	//	服務端到客戶端	取消訂閱報文確認
	M_PINGREQ		,	//	客戶端到服務端	心跳請求
	M_PINGRESP		,	//	服務端到客戶端	心跳響應
	M_DISCONNECT	,	//	客戶端到服務端	客戶端斷開連接
	M_RESERVED2		,	//	禁止	保留
}_typdef_mqtt_message;

//連接成功服務器回應 20 02 00 00
//客戶端主動斷開連接 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)
{
    //緩沖區賦值
	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);
	
//	//無條件先主動斷開
//	MQTT_Disconnect();
//    HAL_Delay(100);
//	MQTT_Disconnect();
//    HAL_Delay(100);
}

/*
函數功能: 登錄服務器
函數返回值: 0表示成功 1表示失敗
*/
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;
	//可變報頭+Payload  每個字段包含兩個字節的長度標識
    DataLen = 10 + (ClientIDLen+2) + (UsernameLen+2) + (PasswordLen+2);
	
	//固定報頭
	//控制報文類型
    mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = 0x10;		//MQTT Message Type CONNECT
	//剩余長度(不包括固定頭部)
	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 );
    	
	//可變報頭
	//協議名
    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    
	//協議級別
    mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = 4;        		// MQTT Protocol version = 4   對于 3.1.1 版協議，協議級別字段的值是 4(0x04)   
	//連接標志
    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    保活時間
	
    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);
    
    ESP8266_Recv_flag=0;
    ESP8266_Recv_cnt=0;
    MQTT_SendBuf(mqtt_txbuf,mqtt_txlen);
    HAL_Delay(200);
    
    memcpy((char *)mqtt_rxbuf,ESP8266_RecvBuf,ESP8266_Recv_cnt);
    for(i=0;i;i++)printf("%#x>

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