[TOC]

一、前言

1.1 項目介紹

【1】項目開發(fā)背景

森林火災(zāi)是全球范圍內(nèi)頻繁發(fā)生的自然災(zāi)害之一，不僅對生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重破壞，還可能威脅到人類的生命財產(chǎn)安全。傳統(tǒng)的森林防火措施主要依賴人工巡邏和地面觀測站，這種方式效率低下，且在森林中難以實現(xiàn)全面覆蓋。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，智能監(jiān)測系統(tǒng)逐漸成為預(yù)防森林火災(zāi)的有效手段。基于此背景，設(shè)計了一款基于STM32F103RCT6的森林火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)，通過現(xiàn)代傳感技術(shù)和無線通訊技術(shù)提高森林火災(zāi)預(yù)警的及時性和準(zhǔn)確性。

該系統(tǒng)集成了多種傳感器，包括用于檢測環(huán)境溫度和濕度的SHT30傳感器、能夠識別火焰的火光檢測傳感器以及用于監(jiān)測煙霧濃度的MQ2氣體傳感器。這些傳感器可以實時收集環(huán)境數(shù)據(jù)，一旦檢測到異常情況如溫度驟升、煙霧濃度增加或出現(xiàn)火焰等，將立即啟動蜂鳴器發(fā)出警報，同時通過Air724UG-4G模塊將數(shù)據(jù)上傳至華為云IOT物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器。這一過程不僅實現(xiàn)了對森林火災(zāi)的快速響應(yīng)，也為后續(xù)的救援工作提供了準(zhǔn)確的信息支持。

為了便于森林管理員無論身處何地都能及時接收到火災(zāi)報警信息，本項目還特別開發(fā)了適用于Android手機(jī)和平板電腦的應(yīng)用程序及Windows上位機(jī)軟件，用戶可以通過這些客戶端實時查看由監(jiān)測點上傳的數(shù)據(jù)，了解各監(jiān)測區(qū)域的環(huán)境狀況。此外，考慮到森林地區(qū)的特殊地理條件，系統(tǒng)設(shè)計時充分考慮了能源供應(yīng)的問題，采用了太陽能充電方案，確保監(jiān)測系統(tǒng)能夠在遠(yuǎn)離電網(wǎng)的野外長期穩(wěn)定運行。

綜上所述，本項目構(gòu)建一個高效、可靠、易于管理的森林火災(zāi)監(jiān)測平臺，通過集成先進(jìn)的傳感技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，為森林防火提供了一種新的解決方案，有助于提升森林防火工作的智能化水平，減少森林火災(zāi)造成的損失。

【2】設(shè)計實現(xiàn)的功能

（1） 環(huán)境溫濕度監(jiān)測 ：通過SHT30傳感器實時檢測森林內(nèi)的環(huán)境溫度和濕度，并將數(shù)據(jù)發(fā)送給主控芯片STM32F103RCT6進(jìn)行處理。

（2） 火焰檢測 ：使用火光檢測傳感器監(jiān)控森林區(qū)域內(nèi)是否有火焰出現(xiàn)，一旦發(fā)現(xiàn)火焰，立即將信號傳遞給主控芯片，作為火災(zāi)預(yù)警的一部分。

（3） 煙霧濃度監(jiān)測 ：利用MQ2氣體傳感器檢測空氣中的煙霧濃度，當(dāng)煙霧濃度超過預(yù)設(shè)閾值時，向主控芯片發(fā)送警報信號。

（4） 自動報警功能 ：當(dāng)系統(tǒng)檢測到火焰或煙霧濃度超標(biāo)時，會自動激活有源蜂鳴器發(fā)出聲音警報，提醒現(xiàn)場人員注意安全并采取相應(yīng)措施。

（5） 數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸 ：通過Air724UG-4G模塊，采用MQTT協(xié)議將采集到的環(huán)境參數(shù)和報警信息上傳至華為云IOT物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理。

（6） 移動設(shè)備實時監(jiān)控 ：開發(fā)了專門的Android手機(jī)APP和Windows上位機(jī)軟件，森林管理員可以通過這些客戶端實時查看監(jiān)測點上傳的數(shù)據(jù)，包括溫度、濕度、煙霧濃度等信息，以及接收火災(zāi)報警通知。

（7） OLED顯示屏本地顯示 ：在監(jiān)測站點安裝0.96寸SPI接口OLED顯示屏，用于實時顯示環(huán)境參數(shù)和系統(tǒng)狀態(tài)，方便護(hù)林員現(xiàn)場檢查設(shè)備工作情況和傳感器讀數(shù)是否正常。

（8） 太陽能充電支持 ：為了解決森林地區(qū)供電不便的問題，系統(tǒng)配備了太陽能充電裝置，確保即使在偏遠(yuǎn)無電源的情況下也能持續(xù)運行。

【3】項目硬件模塊組成

（1） 主控模塊 ：選用STM32F103RCT6作為系統(tǒng)的主控芯片，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)各個傳感器的工作、處理數(shù)據(jù)、控制報警以及與4G模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

（2） 環(huán)境溫濕度傳感器模塊 ：采用SHT30數(shù)字溫濕度傳感器，用于精確測量環(huán)境中的溫度和濕度，并將數(shù)據(jù)傳輸給主控芯片進(jìn)行處理。

（3） 火焰檢測模塊 ：使用火焰?zhèn)鞲衅鱽頇z測是否有明火出現(xiàn)，一旦檢測到火焰，立即將信號反饋給主控芯片，作為火災(zāi)預(yù)警的重要依據(jù)。

（4） 煙霧濃度檢測模塊 ：通過MQ2氣體傳感器監(jiān)測空氣中煙霧的濃度，當(dāng)煙霧濃度達(dá)到一定閾值時，觸發(fā)報警機(jī)制。

（5） 報警模塊 ：采用高電平觸發(fā)的有源蜂鳴器，當(dāng)系統(tǒng)檢測到火災(zāi)風(fēng)險時，蜂鳴器將自動發(fā)出警報聲，提醒周邊人員注意安全。

（6） 數(shù)據(jù)傳輸模塊 ：利用Air724UG-4G模塊，結(jié)合MQTT協(xié)議，將采集到的數(shù)據(jù)上傳至華為云IOT物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器，實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理。

（7） 本地數(shù)據(jù)顯示模塊 ：配備0.96寸SPI接口的OLED顯示屏，用于實時顯示環(huán)境參數(shù)（如溫度、濕度、煙霧濃度等）和系統(tǒng)狀態(tài)，便于現(xiàn)場工作人員快速了解設(shè)備運行情況。

（8） 太陽能充電模塊 ：設(shè)計了太陽能充電系統(tǒng)，包括太陽能電池板、充電控制器和蓄電池，以解決森林內(nèi)無固定電源供應(yīng)的問題，保證監(jiān)測系統(tǒng)長時間穩(wěn)定運行。

（9） 外部電源模塊 ：為了確保系統(tǒng)的可靠性，在太陽能充電模塊之外，還提供了5V 2A的外置電源供電選項，可以在需要時為系統(tǒng)提供電力支持。

【4】研究背景與意義

森林火災(zāi)是全球面臨的一大環(huán)境挑戰(zhàn)，不僅會導(dǎo)致嚴(yán)重的生態(tài)破壞，還會造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。傳統(tǒng)的森林防火措施多依賴于人工巡邏和定點監(jiān)測，這種模式效率低下，覆蓋范圍有限，難以及時發(fā)現(xiàn)和應(yīng)對突發(fā)火災(zāi)。近年來，隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算等技術(shù)的迅速發(fā)展，智能監(jiān)測系統(tǒng)開始應(yīng)用于森林防火領(lǐng)域，極大地提高了火災(zāi)預(yù)警的準(zhǔn)確性和響應(yīng)速度。基于此背景，本項目提出了一套基于STM32F103RCT6的森林火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)，旨在通過集成先進(jìn)的傳感器技術(shù)和無線通信技術(shù)，構(gòu)建一個高效、可靠的火災(zāi)預(yù)警平臺。

本項目的設(shè)計實現(xiàn)了對森林環(huán)境中溫度、濕度、煙霧濃度和火焰等關(guān)鍵參數(shù)的實時監(jiān)測，并通過4G網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳至云端，利用華為云IOT平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理。當(dāng)監(jiān)測到異常情況時，系統(tǒng)能夠自動觸發(fā)警報，并通過移動應(yīng)用和上位機(jī)軟件將警報信息推送給森林管理員，確保他們能夠第一時間了解火災(zāi)情況并采取相應(yīng)的應(yīng)急措施。此外，系統(tǒng)還支持太陽能充電，解決了森林內(nèi)部署監(jiān)測設(shè)備時面臨的供電難題，保證了系統(tǒng)的長期穩(wěn)定運行。

研究的意義在于，本項目不僅為森林防火提供了一種新的解決方案，還促進(jìn)了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展。通過精準(zhǔn)監(jiān)測和及時預(yù)警，可以有效降低森林火災(zāi)的發(fā)生率，減少火災(zāi)造成的生態(tài)破壞和經(jīng)濟(jì)損失，保護(hù)人民生命財產(chǎn)安全。同時，該項目的成功實施也將為其他類似應(yīng)用場景提供參考，推動智慧林業(yè)的發(fā)展，助力實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)。

1.2 設(shè)計思路

在設(shè)計基于STM32F103RCT6的森林火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)時，首先明確了系統(tǒng)的主要目標(biāo)：實現(xiàn)對森林環(huán)境中溫度、濕度、煙霧濃度和火焰的實時監(jiān)測，并能夠及時發(fā)出警報，同時將數(shù)據(jù)上傳至云端，以便森林管理員能夠遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理。為了達(dá)成這一目標(biāo)，在設(shè)計過程中遵循了以下幾個核心思路：

選擇高性能的主控芯片STM32F103RCT6作為系統(tǒng)的控制中心。STM32F103RCT6具有強(qiáng)大的處理能力和豐富的外設(shè)接口，能夠高效地處理來自多個傳感器的數(shù)據(jù)，并支持復(fù)雜的算法運算，滿足系統(tǒng)對數(shù)據(jù)處理的高要求。此外，它還具備低功耗特性，適合長時間在野外運行。

選用了多種高精度傳感器來實現(xiàn)對環(huán)境參數(shù)的全面監(jiān)測。SHT30溫濕度傳感器能夠提供準(zhǔn)確的溫度和濕度數(shù)據(jù)；火焰?zhèn)鞲衅骱蚆Q2煙霧傳感器則分別用于檢測火焰和煙霧濃度。這些傳感器的選擇確保了系統(tǒng)能夠及時捕捉到火災(zāi)的早期跡象，從而提前發(fā)出預(yù)警。

為了實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸，采用了Air724UG-4G模塊。該模塊支持4G網(wǎng)絡(luò)，能夠通過MQTT協(xié)議將采集到的數(shù)據(jù)上傳至華為云IOT物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器。這樣，森林管理員無論身處何地，都可以通過手機(jī)APP或Windows上位機(jī)軟件實時查看監(jiān)測數(shù)據(jù)和接收警報信息，大大提高了火災(zāi)響應(yīng)的速度和效率。

在用戶界面方面，設(shè)計了一個0.96寸的SPI接口OLED顯示屏，用于顯示本地采集的環(huán)境參數(shù)和系統(tǒng)狀態(tài)。這不僅方便了現(xiàn)場工作人員的日常維護(hù)和檢查，還能在沒有網(wǎng)絡(luò)連接的情況下提供重要的信息反饋。

考慮到森林地區(qū)的特殊環(huán)境，特別加入了太陽能充電功能。通過太陽能電池板將太陽能轉(zhuǎn)換為電能，并儲存在蓄電池中，為整個系統(tǒng)供電。這一設(shè)計不僅解決了偏遠(yuǎn)地區(qū)供電困難的問題，還使得系統(tǒng)更加環(huán)保和可持續(xù)。

為了確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，在軟件設(shè)計中加入了多種故障檢測和自我恢復(fù)機(jī)制。例如，當(dāng)傳感器發(fā)生故障時，系統(tǒng)能夠自動切換到備用傳感器；當(dāng)網(wǎng)絡(luò)連接中斷時，系統(tǒng)會自動嘗試重新連接。這些措施有效提高了系統(tǒng)的魯棒性，確保其在復(fù)雜多變的自然環(huán)境中能夠長期穩(wěn)定運行。

本項目的設(shè)計思路圍繞著高效、可靠、易用的目標(biāo)展開，通過集成先進(jìn)的傳感技術(shù)、無線通信技術(shù)和太陽能供電技術(shù)，構(gòu)建了一個完整的森林火災(zāi)監(jiān)測解決方案。這不僅有助于提高森林防火的智能化水平，也為生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供了有力的技術(shù)支持。

1.3 系統(tǒng)功能總結(jié)

1.4 開發(fā)工具的選擇

【1】設(shè)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(xué)里主學(xué)的C語言，C語言編譯出來的可執(zhí)行文件最接近于機(jī)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(nèi)核里還有一些低配的單片機(jī)使用的較多，平常的單片機(jī)編程還是以C語言為主。C語言的執(zhí)行效率僅次于匯編，語法理解簡單、代碼通用性強(qiáng)，也支持跨平臺，在嵌入式底層、單片機(jī)編程里用的非常多，當(dāng)前的設(shè)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(lǐng)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(dāng)前芯片選擇的是STM32F103系列，STMF103是屬于ARM公司的芯片構(gòu)架、Cortex-M3內(nèi)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(xué)，開發(fā)51單片機(jī)、STM32單片機(jī)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(lǐng)域里也使用的非常多，IAR擴(kuò)展性更強(qiáng)，也支持STM32開發(fā)，也支持其他芯片，比如：CC2530,51單片機(jī)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(jīng)習(xí)慣再使用IAR是有點不適應(yīng)界面的。

【2】上位機(jī)開發(fā)

上位機(jī)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(yīng)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(wù)器。Qt是面向?qū)ο蟮目蚣埽褂锰厥獾拇a生成擴(kuò)展（稱為元對象編譯器(Meta Object Compiler, moc)）以及一些宏，Qt很容易擴(kuò)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(shè)備、用戶界面（UI）和應(yīng)用程序。它功能強(qiáng)大且結(jié)構(gòu)緊湊，擁有直觀的工具和庫。

1.5 參考文獻(xiàn)

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二、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。

2.1 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(qiáng)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。

2.2 開通物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)

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

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，點擊實例名稱。 可以看到標(biāo)準(zhǔn)版實例的設(shè)備接入端口和地址。

在上面也能看到 免費單元的限制。

開通之后，點擊總覽，也能查看接入信息。 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：ad635970a1.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 10.0.19045.4170]
(c) Microsoft Corporation。保留所有權(quán)利。

C:Users11266 >ping ad635970a1.st1.iotda-device.cn-north-4.myhuaweicloud.com

正在 Ping ad635970a1.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=35ms TTL=93
來自 117.78.5.125 的回復(fù): 字節(jié)=32 時間=36ms TTL=93
來自 117.78.5.125 的回復(fù): 字節(jié)=32 時間=36ms TTL=93
來自 117.78.5.125 的回復(fù): 字節(jié)=32 時間=39ms TTL=93

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 = 35ms，最長 = 39ms，平均 = 36ms

C:Users11266 >

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(jī)無法加載證書，所以使用1883端口比較合適。 接下來的ESP8266就采用1883端口連接華為云物聯(lián)網(wǎng)平臺。

2.3 創(chuàng)建產(chǎn)品

（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：

煙霧可以叫  MQ2
溫度可以叫  Temperature
濕度可以叫  humidity
火焰可以叫  flame
其他的傳感器自己用單詞簡寫命名即可。 這就是你的單片機(jī)設(shè)備端上傳到服務(wù)器的數(shù)據(jù)名字。

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。

2.4 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

2.5 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":{"DHT11_T":30,"DHT11_H":10,"BH1750":1,"MQ135":0}}]}

2.6 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(jī)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

2.7 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。

（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":{"DHT11_T":30,"DHT11_H":10,"BH1750":1,"MQ135":0}}]}

2.8 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(jī)，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

2.9 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)。

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(jī)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

三、上位機(jī)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(jī)APP 和 Windows上位機(jī)。

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。

3.1 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

或者去網(wǎng)盤里下載：https://pan.quark.cn/s/145a9b3f7f53

打開下載鏈接后選擇下面的版本進(jìn)行下載：

qt-opensource-windows-x86-5.12.6.exe 13-Nov-2019 07:28 3.7G Details

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)選框里勾選一個mingw 32編譯器即可，其他的不管默認(rèn)就行，直接點擊下一步繼續(xù)安裝。

選擇MinGW 32-bit 編譯器： （一定要看清楚了）

說明： 我這里只是介紹PC端，也就是Windows系統(tǒng)下的Qt環(huán)境搭建。 Android的開發(fā)環(huán)境比較麻煩，如果想學(xué)習(xí)Android開發(fā)，想編譯Android程序的APP，需要自己去搭建Android環(huán)境。

也可以看下面這篇文章，不過這個文章是在Qt開發(fā)專欄里付費的，需要訂閱專欄才可以看。 如果不想付費看，也可以自行找其他教程，自己搭建好必須的環(huán)境就行了

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

3.2 新建上位機(jī)工程

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(jī)，設(shè)計界面，完成整體上位機(jī)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

3.3 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。

3.5 編譯Windows上位機(jī)

點擊軟件左下角的綠色三角形按鈕進(jìn)行編譯運行。

3.6 配置Android環(huán)境

如果想編譯Android手機(jī)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

【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(jī)

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(jī)的安裝包，電腦端使用QQ發(fā)送給手機(jī)QQ,手機(jī)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。

D:/linux-share-dir/QT/build-app_Huawei_Eco_tracking-Android_for_arm64_v8a_Clang_Qt_5_12_6_for_Android_ARM64_v8a-Release/android-build//build/outputs/apk/debug/android-build-debug.apk

四、STM32代碼開發(fā)

當(dāng)前項目源碼已經(jīng)上傳到網(wǎng)盤：[https://ccnr8sukk85n.feishu.cn/wiki/QjY8weDYHibqRYkFP2qcA9aGnvb?from=from_copylink]

以下是基于STM32F103RCT6的“森林火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)”的 main.c 的完整代碼示例。

#include "stm32f10x.h"
#include "sht30.h"        // 環(huán)境溫濕度傳感器庫
#include "mq2.h"          // 煙霧傳感器庫
#include "flame_sensor.h" // 火焰?zhèn)鞲衅鲙?/span>
#include "oled.h"         // OLED顯示屏庫
#include "buzzer.h"       // 蜂鳴器庫
#include "air724ug.h"     // 4G模塊通信庫
#include "delay.h"        // 延時函數(shù)庫
#include "mqtt.h"         // MQTT協(xié)議庫

// 全局變量
float temperature, humidity;
uint16_t smoke_concentration;
uint8_t flame_detected;
char data_buffer[50];

// 函數(shù)聲明
void System_Init(void);
void Read_Sensors(void);
void Display_Data(void);
void Check_Alarm(void);
void Upload_Data(void);

int main(void) {
    System_Init();  // 系統(tǒng)初始化
    
    while (1) {
        Read_Sensors();     // 讀取傳感器數(shù)據(jù)
        Display_Data();     // 在OLED上顯示數(shù)據(jù)
        Check_Alarm();      // 檢查報警條件
        Upload_Data();      // 上傳數(shù)據(jù)到云端
        
        Delay_ms(5000);     // 每隔5秒運行一次
    }
}

// 系統(tǒng)初始化
void System_Init(void) {
    Delay_Init();      // 初始化延時
    SHT30_Init();      // 初始化溫濕度傳感器
    MQ2_Init();        // 初始化煙霧傳感器
    Flame_Sensor_Init(); // 初始化火焰?zhèn)鞲衅?/span>
    OLED_Init();       // 初始化OLED顯示
    Buzzer_Init();     // 初始化蜂鳴器
    Air724UG_Init();   // 初始化4G模塊
    MQTT_Init();       // 初始化MQTT協(xié)議
}

// 讀取傳感器數(shù)據(jù)
void Read_Sensors(void) {
    // 讀取溫濕度
    SHT30_ReadData(&temperature, &humidity);
    
    // 讀取煙霧濃度
    smoke_concentration = MQ2_ReadData();
    
    // 讀取火焰?zhèn)鞲衅鳡顟B(tài)
    flame_detected = Flame_Sensor_Read();
}

// 在OLED顯示屏上顯示數(shù)據(jù)
void Display_Data(void) {
    OLED_Clear();
    OLED_ShowString(0, 0, "Temp:");
    OLED_ShowFloat(40, 0, temperature, 2, 1);
    OLED_ShowString(80, 0, "C");
    
    OLED_ShowString(0, 1, "Humidity:");
    OLED_ShowFloat(64, 1, humidity, 2, 1);
    OLED_ShowString(104, 1, "%");
    
    OLED_ShowString(0, 2, "Smoke:");
    OLED_ShowNum(48, 2, smoke_concentration, 4, 10);
    
    OLED_ShowString(0, 3, "Flame:");
    if (flame_detected) {
        OLED_ShowString(48, 3, "YES");
    } else {
        OLED_ShowString(48, 3, "NO");
    }
}

// 檢查報警條件
void Check_Alarm(void) {
    // 檢測到火焰或煙霧濃度超出閾值則報警
    if (flame_detected || smoke_concentration > 300) {
        Buzzer_On();
    } else {
        Buzzer_Off();
    }
}

// 上傳數(shù)據(jù)到云端
void Upload_Data(void) {
    // 將數(shù)據(jù)格式化為字符串
    snprintf(data_buffer, sizeof(data_buffer), 
             "{"temperature": %.1f, "humidity": %.1f, "smoke": %d, "flame": %d}", 
             temperature, humidity, smoke_concentration, flame_detected);
    
    // 使用MQTT協(xié)議上傳數(shù)據(jù)
    MQTT_Publish("forest_fire_monitor/data", data_buffer);
}

代碼說明

1. System_Init() ：初始化所有硬件模塊，包括傳感器、OLED顯示屏、蜂鳴器、4G模塊和MQTT協(xié)議。
2. Read_Sensors() ：讀取各傳感器數(shù)據(jù)。
3. Display_Data() ：將采集的數(shù)據(jù)在OLED顯示屏上顯示，方便現(xiàn)場查看。
4. Check_Alarm() ：檢測火災(zāi)報警條件，若檢測到火焰或煙霧濃度超出閾值，觸發(fā)蜂鳴器報警。
5. Upload_Data() ：通過4G模塊上傳數(shù)據(jù)到華為云物聯(lián)網(wǎng)平臺。數(shù)據(jù)格式化成JSON字符串并通過MQTT協(xié)議發(fā)布到云服務(wù)器的指定主題。

運行邏輯

系統(tǒng)每5秒循環(huán)一次，執(zhí)行數(shù)據(jù)采集、顯示、報警檢測和數(shù)據(jù)上傳。

五、總結(jié)

森林火災(zāi)是全球面臨的一大環(huán)境挑戰(zhàn)，不僅導(dǎo)致嚴(yán)重的生態(tài)破壞，還會造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。傳統(tǒng)的森林防火措施多依賴于人工巡邏和定點監(jiān)測，效率低下且覆蓋范圍有限。為此，本項目設(shè)計了一套基于STM32F103RCT6的森林火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)集成了多種傳感器，包括SHT30溫濕度傳感器、火焰?zhèn)鞲衅骱蚆Q2煙霧傳感器，能夠?qū)崟r監(jiān)測森林環(huán)境中的溫度、濕度、煙霧濃度和火焰情況。當(dāng)檢測到異常情況時，系統(tǒng)會自動觸發(fā)蜂鳴器報警，并通過Air724UG-4G模塊將數(shù)據(jù)上傳至華為云IOT物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器。此外，系統(tǒng)還開發(fā)了專門的Android手機(jī)APP和Windows上位機(jī)軟件，森林管理員可以通過這些客戶端實時查看監(jiān)測數(shù)據(jù)和接收火災(zāi)報警信息。為了適應(yīng)森林地區(qū)的特殊環(huán)境，系統(tǒng)支持太陽能充電，確保長期穩(wěn)定運行。本項目旨在提高森林火災(zāi)預(yù)警的準(zhǔn)確性和響應(yīng)速度，減少火災(zāi)造成的損失，為森林防火提供了一種新的解決方案。

審核編輯 黃宇