嵌入式C++、STM32、ROS系统和MQTT协议通讯：智能农业灌溉系统项目设计思路（代码示例）

项目概述

系统设计

硬件设计

软件设计

系统架构图

代码实现

1. STM32微控制器代码

1.1 STM32初始化代码

1.2 读取土壤湿度

1.3 MQTT数据发送

1.4 接收控制命令

1.5 主循环

2. ROS系统代码

2.1 创建ROS节点

2.2 控制水泵的逻辑

3. ROS与MQTT的集成

3.1 安装ros_mqtt

3.2 在ROS中配置MQTT

项目总结

项目优点

后续改进方向

参考文献

项目概述

随着全球水资源短缺问题的日益严重，智能灌溉系统的开发与应用显得尤为重要。本文介绍一种基于STM32微控制器和土壤湿度传感器的智能灌溉系统。该系统利用MQTT协议将数据上传至ROS（Robot Operating System）系统，进而实现自动化精准灌溉。通过实时监测土壤湿度和天气预报信息，系统能够根据设定的阈值自动控制水泵，实现水资源的节约和农作物的高效灌溉。

系统设计

硬件设计

STM32微控制器：作为系统的核心，负责数据采集、处理和控制。
土壤湿度传感器：实时监测土壤的湿度状况，输出模拟或数字信号。
MQTT通信模块：如ESP8266或SIM800L，用于将数据发送到ROS系统。
水泵：根据控制信号自动灌溉。
电源模块：为各个硬件组件提供稳定的电源。

软件设计

STM32固件：
- 读取土壤湿度传感器数据。
- 通过MQTT协议将数据发送到ROS系统。
- 接收ROS系统发送的灌溉控制命令。
ROS系统：
- 接收来自STM32的数据。
- 根据设定的阈值和天气预报信息，判断是否启动水泵。
- 控制水泵的开关状态。

系统架构图

代码实现

本文将详细介绍STM32和ROS系统的代码实现，包括每块代码的注释和说明。

1. STM32微控制器代码

1.1 STM32初始化代码

首先，初始化STM32微控制器及其外设。

#include "stm32f4xx_hal.h"
#include "mqtt_client.h" // MQTT客户端库

// 初始化系统
void System_Init(void) {
    HAL_Init(); // 初始化HAL库
    SystemClock_Config(); // 配置系统时钟
    MX_GPIO_Init(); // 初始化GPIO
    MX_USART2_UART_Init(); // 初始化串口
    MQTT_Init(); // 初始化MQTT客户端
}

HAL_Init(): 初始化硬件抽象层。
SystemClock_Config(): 配置系统时钟。
MX_GPIO_Init(): 初始化GPIO端口。
MX_USART2_UART_Init(): 初始化串口通信。
MQTT_Init(): 初始化MQTT客户端。

1.2 读取土壤湿度

读取土壤湿度传感器的值并转换为百分比。

// 读取土壤湿度
float Read_Soil_Moisture(void) {
    uint32_t adc_value = HAL_ADC_GetValue(&hadc1); // 获取ADC值
    float moisture_percentage = (adc_value / 4095.0) * 100; // 将ADC值转换为百分比
    return moisture_percentage; // 返回湿度值
}

HAL_ADC_GetValue(&hadc1): 获取ADC通道的值。
将ADC值转换为湿度百分比，假设ADC值范围为0-4095。

1.3 MQTT数据发送

通过MQTT将土壤湿度数据发送到服务器。

// 发送土壤湿度数据到MQTT服务器
void Send_Data(float moisture) {
    char message[50];
    snprintf(message, sizeof(message), "{\"moisture\": %.2f}", moisture); // 将湿度值格式化为JSON
    MQTT_Publish("farm/soil/moisture", message); // 发送MQTT消息
}

功能：将土壤湿度数据以JSON格式发送到MQTT Broker。
代码说明：
- snprintf用于将浮点数moisture格式化为JSON字符串，确保在消息中包含适当的湿度值。
- MQTT_Publish函数将格式化后的消息发送到主题"farm/soil/moisture"，以便ROS系统可以接收和处理。

1.4 接收控制命令

处理接收到的MQTT消息，根据指令控制水泵的开关状态。

// 处理接收到的MQTT消息
void MQTT_Message_Handler(char *topic, char *message) {
    // 判断是否是水泵控制指令
    if (strcmp(topic, "farm/control/pump") == 0) {
        if (strcmp(message, "ON") == 0) {
            HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_1, GPIO_PIN_SET); // 打开水泵
            printf("Pump is ON\n"); // 输出调试信息
        } else if (strcmp(message, "OFF") == 0) {
            HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_1, GPIO_PIN_RESET); // 关闭水泵
            printf("Pump is OFF\n"); // 输出调试信息
        }
    }
}

功能：根据接收到的MQTT消息控制水泵的状态。
代码说明：
- strcmp函数用于比较消息主题和内容。
- HAL_GPIO_WritePin用于控制水泵的GPIO引脚，GPIO_PIN_1对应于水泵的控制引脚。
- 输出调试信息以便于观察水泵的状态。

1.5 主循环

在主循环中，系统会定期读取土壤湿度并发送数据，同时检查是否有新的MQTT消息。

int main(void) {
    System_Init(); // 初始化系统
    while (1) {
        float moisture = Read_Soil_Moisture(); // 读取土壤湿度
        Send_Data(moisture); // 发送数据到MQTT

        // 检查是否有新消息并处理
        MQTT_Check_For_Messages(); // 检查MQTT消息
        HAL_Delay(60000); // 每60秒读取一次湿度
    }
}

功能：主循环中定时读取土壤湿度并发送数据，同时处理MQTT消息。
代码说明：
- Read_Soil_Moisture()函数用于获取当前的土壤湿度。
- Send_Data(moisture)将湿度数据发送到MQTT Broker。
- MQTT_Check_For_Messages()检查是否有新的MQTT消息，并调用相应的处理函数。
- HAL_Delay(60000)使主循环每60秒执行一次。

2. ROS系统代码

接下来，我们将实现ROS系统的代码，处理从STM32接收到的土壤湿度数据，并根据设定阈值控制水泵。

2.1 创建ROS节点

在ROS中，我们需要创建一个节点用于接收和处理从STM32发送的土壤湿度数据，并根据设定的阈值控制水泵的状态。

#!/usr/bin/env python
import rospy
from std_msgs.msg import String

def callback(data):
    # 解析接收到的湿度数据
    moisture_data = data.data
    moisture = float(moisture_data.split(":")[1].strip("}"))  # 解析JSON格式数据
    control_pump(moisture)  # 根据湿度值控制水泵

def control_pump(moisture):
    threshold = 30.0  # 设定的湿度阈值
    if moisture < threshold:
        publish_command("ON")  # 湿度低于阈值，启动水泵
    else:
        publish_command("OFF")  # 湿度高于阈值，停止水泵

def publish_command(command):
    pub = rospy.Publisher('farm/control/pump', String, queue_size=10)  # 创建发布者
    pub.publish(command)  # 发布水泵控制命令
    rospy.loginfo("Published command: %s", command)  # 输出信息到日志

if __name__ == '__main__':
    rospy.init_node('irrigation_controller', anonymous=True)  # 初始化ROS节点
    rospy.Subscriber('farm/soil/moisture', String, callback)  # 订阅湿度数据主题
    rospy.spin()  # 保持节点运行

功能：创建一个ROS节点，接收土壤湿度数据，并根据湿度值控制水泵的开关。
代码说明：
- rospy.init_node('irrigation_controller', anonymous=True): 初始化一个名为irrigation_controller的ROS节点。
- rospy.Subscriber('farm/soil/moisture', String, callback): 订阅farm/soil/moisture主题，用于接收来自STM32的湿度数据，并在接收到数据时调用callback函数。
- rospy.spin(): 保持节点运行，等待回调函数处理消息。

2.2 控制水泵的逻辑

在control_pump函数中，我们根据读取到的土壤湿度值决定水泵的开关状态。

def control_pump(moisture):
    threshold = 30.0  # 设定的湿度阈值
    if moisture < threshold:
        publish_command("ON")  # 湿度低于阈值，启动水泵
    else:
        publish_command("OFF")  # 湿度高于阈值，停止水泵

功能：根据湿度值判断是否需要启动或停止水泵。
代码说明：
- 定义一个湿度阈值（例如30.0%），如果湿度低于阈值，则发送"ON"命令启动水泵；如果湿度高于阈值，则发送"OFF"命令停止水泵。

3. ROS与MQTT的集成

为了让ROS能够处理MQTT消息，我们可以使用ros-mqtt库将ROS与MQTT连接。这样，ROS就可以接收来自STM32的消息，并根据逻辑处理发送控制指令。

3.1 安装ros_mqtt

在ROS环境中安装ros_mqtt库：

sudo apt-get install ros-<your_ros_distro>-mqtt

替换<your_ros_distro>为你的ROS版本，例如noetic或melodic。

3.2 在ROS中配置MQTT

为了让ROS能够通过MQTT协议接收和发送消息，我们需要设置MQTT客户端，并在ROS节点中进行必要的配置。

import paho.mqtt.client as mqtt

# MQTT连接回调
def on_connect(client, userdata, flags, rc):
    rospy.loginfo(f"Connected to MQTT Broker with result code {rc}")
    client.subscribe("farm/soil/moisture")  # 订阅湿度数据主题

# MQTT消息处理回调
def on_message(client, userdata, msg):
    rospy.loginfo(f"Received message: {msg.payload.decode()}")
    moisture_data = msg.payload.decode()  # 将消息内容解码为字符串
    callback(moisture_data)  # 调用之前定义的callback函数处理消息

if __name__ == '__main__':
    rospy.init_node('irrigation_controller', anonymous=True)  # 初始化ROS节点

    # 配置MQTT客户端
    mqtt_client = mqtt.Client()  # 创建MQTT客户端实例
    mqtt_client.on_connect = on_connect  # 设置连接回调
    mqtt_client.on_message = on_message  # 设置消息处理回调

    # 连接到MQTT Broker
    mqtt_client.connect("broker.hivemq.com", 1883, 60)  # 连接到MQTT Broker

    # 启动MQTT客户端循环
    mqtt_client.loop_start()  # 启动阻塞循环以处理网络流量

    # 订阅ROS主题
    rospy.Subscriber('farm/soil/moisture', String, callback)  # 订阅湿度数据主题

    rospy.spin()  # 保持节点运行
    mqtt_client.loop_stop()  # 停止MQTT客户端循环

功能：设置MQTT客户端以便与MQTT Broker连接并处理消息。
代码说明：
- on_connect(client, userdata, flags, rc): 当与MQTT Broker连接成功后会调用该函数，可以在这里进行主题订阅。
- on_message(client, userdata, msg): 当接收到MQTT消息时，该函数将被调用，可以在这里处理消息内容并调用callback函数。
- mqtt_client = mqtt.Client(): 创建一个MQTT客户端实例。
- mqtt_client.connect("broker.hivemq.com", 1883, 60): 连接到MQTT Broker，使用HiveMQ公共测试Broker。
- mqtt_client.loop_start(): 启动MQTT循环，处理网络流量和消息。

项目总结

本文介绍了一种基于STM32微控制器和土壤湿度传感器的智能灌溉系统。通过MQTT协议将数据上传至ROS系统，实现了自动化精准灌溉。系统能够根据实时的土壤湿度和设定的阈值控制水泵的开关，节约水资源，提高灌溉效率。

项目优点

精准灌溉：系统可根据实时土壤湿度调整灌溉计划，避免水资源浪费。
实时监测：通过MQTT协议，能够实时监测土壤湿度，并快速响应。
易于扩展：系统架构清晰，可根据需求增加其他传感器（如气象传感器）实现更智能的灌溉管理。

后续改进方向

天气预报集成：集成天气预报API，进一步优化灌溉计划。
手机应用：开发手机应用，用户可以实时监控土壤湿度和水泵状态。
数据分析：收集数据进行分析，优化长期灌溉策略。

参考文献

MQTT协议简介: MQTT - The Standard for IoT Messaging
ROS官方文档: Documentation - ROS Wiki
STM32微控制器文档: https://www.st.com/en/microcontrollers-microprocessors/stm32-32-bit-arm-cortex-mcus.html
Paho MQTT Python客户端文档: Eclipse Paho | The Eclipse Foundation