目录

一、项目概述

二、系统架构

三、环境搭建

1. 硬件环境

2. 软件环境

四、代码实现

1. 硬件端代码示例

2. 软件端代码示例

a. 后端代码（Node.js + MQTT）

b. 前端代码（QML）

五、项目总结

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一、项目概述

随着全球对农业生产效率和水资源管理的关注，智能灌溉系统成为现代农业不可或缺的重要工具。本项目旨在开发一套基于STM32F4单片机的可视化农业灌溉系统。系统通过传感器获取土壤湿度和环境数据，并使用MQTT协议实现数据的实时传输与监控。用户可以通过友好的图形化界面（使用QML技术）来管理灌溉任务，优化水资源的使用，提升农业生产效率。

二、系统架构

本项目的系统架构设计如下：

1. 硬件平台

• 单片机：STM32F4
  • 具备高性能处理能力，适合复杂计算。
  • 支持多种外设接口，便于连接传感器与通信模块。

2. 传感器与模块

• 土壤湿度传感器：用于实时监测土壤湿度。
• Wi-Fi模块：ESP8266或ESP32，用于实现MQTT通信。

3. 通信协议

• MQTT：轻量级消息传递协议，适合物联网应用。

4. 前端技术

• QML：用于开发可视化用户界面，支持动态交互。

5. 后端技术

• Node.js：处理来自前端和硬件的数据请求，提供REST API。
• 数据库：SQLite或MySQL，用于存储传感器数据、用户信息和灌溉计划。

 

三、环境搭建

1. 硬件环境

• STM32F4开发板：选择合适的开发板（如STM32F4 Discovery）。
• 传感器模块：土壤湿度传感器、温湿度传感器等。
• Wi-Fi模块：ESP8266或ESP32，用于实现MQTT通信。

2. 软件环境

1. STM32开发环境

• 安装STM32CubeIDE：
  1. 下载STM32CubeIDE：STM32CubeIDE下载
  2. 安装并配置开发环境。

2. MQTT Broker

• 使用Mosquitto作为MQTT代理：

  # Ubuntu系统安装Mosquitto
  sudo apt update
  sudo apt install mosquitto mosquitto-clients
  

3. Node.js环境

• 安装Node.js：

  # 使用nvm（Node Version Manager）安装
  curl -o- https://raw.githubusercontent.com/nvm-sh/nvm/v0.39.4/install.sh | bash
  source ~/.bashrc
  nvm install node
  

4. QML开发环境

• 安装Qt：
  1. 下载Qt安装包：Qt下载
  2. 安装Qt Creator并选择QML模块。

四、代码实现

1. 硬件端代码示例

以下是STM32F4单片机的代码示例，该代码使用MQTT协议将土壤湿度传感器的数据发送到MQTT Broker。

#include "mbed.h"
#include "EthernetInterface.h"
#include "MQTTClient.h"

// 定义传感器引脚
AnalogIn soilMoistureSensor(A0); // A0引脚连接土壤湿度传感器
EthernetInterface eth; // 以太网接口
MQTTClient client; // MQTT客户端

// MQTT Broker地址
const char* broker = "mqtt.eclipse.org"; // 替换为实际MQTT Broker地址
const char* topic = "agriculture/soilMoisture"; // MQTT主题

// 发送数据到MQTT Broker
void sendDataToMQTT() {
    float soilMoisture = soilMoistureSensor.read(); // 读取土壤湿度（0.0 - 1.0）
    char message[50];
    sprintf(message, "{\"soilMoisture\": %.2f}", soilMoisture); // 格式化消息
    client.publish(topic, message, QOS0); // 发布消息到MQTT Broker
    printf("Published: %s\n", message); // 打印发布的内容
}

int main() {
    eth.connect(); // 连接网络
    printf("IP Address is %s\n", eth.get_ip_address()); // 打印IP地址

    client.set_network(eth.get_socket()); // 设置MQTT客户端的网络套接字
    client.connect(broker, 1883, 60); // 连接到MQTT Broker

    while (true) {
        sendDataToMQTT(); // 发送数据到MQTT Broker
        wait(60); // 每60秒发送一次数据
    }

    client.disconnect(); // 断开连接
    eth.disconnect(); // 断开网络
}

代码说明：

• 引入库：使用mbed.h库进行硬件控制，EthernetInterface.h实现以太网连接，MQTTClient.h实现MQTT通信。
• 传感器初始化：AnalogIn soilMoistureSensor(A0);初始化土壤湿度传感器，连接到A0引脚。
• MQTT发布：在sendDataToMQTT()函数中，读取土壤湿度并将其格式化为JSON字符串，通过MQTT发布到指定主题。
• 主循环：main()函数中，建立网络连接并定期发送传感器数据，每60秒发送一次。

2. 软件端代码示例

软件端代码用于处理来自硬件的数据，提供API接口，并提供前端的可视化界面。

a. 后端代码（Node.js + MQTT）

以下是使用Node.js和MQTT的后端代码示例。

const mqtt = require('mqtt');
const express = require('express');
const bodyParser = require('body-parser');
const app = express();
const port = 3000;

app.use(bodyParser.json());

// 连接MQTT Broker
const client = mqtt.connect('mqtt://mqtt.eclipse.org'); // 替换为实际MQTT Broker地址

client.on('connect', () => {
    console.log('Connected to MQTT Broker');
    client.subscribe('agriculture/soilMoisture', (err) => {
        if (!err) {
            console.log('Subscribed to agriculture/soilMoisture');
        }
    });
});

// 处理接收到的消息
client.on('message', (topic, message) => {
    console.log(`Received message: ${message.toString()}`);
    // 这里可以将消息存储到数据库，或进行进一步处理
});

// 提供API接口
app.get('/api/soilMoisture', (req, res) => {
    // 这里可以返回最新的土壤湿度数据
    res.json({ status: 'success', data: 'latest soil moisture data' });
});

// 启动Express服务器
app.listen(port, () => {
    console.log(`Server is running on http://localhost:${port}`);
});

代码说明：

• 引入库：使用mqtt库连接到MQTT Broker，使用express库建立API服务器。
• MQTT连接：连接到MQTT Broker并订阅agriculture/soilMoisture主题。
• 消息处理：在接收到消息时，打印消息内容，可以进一步处理或存储。

b. 前端代码（QML）

以下是使用QML创建的可视化用户界面的基本示例。这个界面将展示土壤湿度数据，并实时更新。

import QtQuick 2.15
import QtQuick.Controls 2.15
import QtQuick.Layouts 1.15
import QtQuick.Window 2.15
import QtQuick.XmlListModel 2.15

Window {
    visible: true
    width: 400
    height: 300
    title: "农业灌溉系统"

    ColumnLayout {
        anchors.fill: parent
        spacing: 10

        Text {
            id: titleText
            text: "实时土壤湿度监测"
            font.pointSize: 20
            horizontalAlignment: Text.AlignHCenter
        }

        Text {
            id: moistureData
            text: "土壤湿度: 正在加载..."
            font.pointSize: 16
            horizontalAlignment: Text.AlignHCenter
        }

        Button {
            text: "获取最新数据"
            onClicked: {
                fetchSoilMoisture(); // 按钮点击时获取土壤湿度
            }
        }
    }

    function fetchSoilMoisture() {
        var xhr = new XMLHttpRequest();
        xhr.open("GET", "http://localhost:3000/api/soilMoisture", true); // 替换为实际API地址
        xhr.onreadystatechange = function () {
            if (xhr.readyState === 4 && xhr.status === 200) {
                var response = JSON.parse(xhr.responseText);
                moistureData.text = "土壤湿度: " + response.data.soilMoisture + "%"; // 更新土壤湿度显示
            }
        };
        xhr.send();
    }
}

代码说明：

• QML界面布局：使用ColumnLayout创建一个简单的用户界面，包含标题、显示土壤湿度的文本和一个按钮。
• 数据获取函数：fetchSoilMoisture()函数通过XMLHttpRequest向后端API发送GET请求，获取最新的土壤湿度数据，并更新到界面上。
• 按钮功能：点击“获取最新数据”按钮时，会调用上述数据获取函数。

五、项目总结

通过本项目，我们成功地实现了一套基于STM32F4单片机的可视化农业灌溉系统。该系统具备以下功能和特点：

• 实时监测：通过土壤湿度传感器实时获取土壤湿度数据，并通过MQTT协议将数据发送到后端。
• 数据存储与处理：后端使用Node.js处理来自硬件的数据，并提供REST API供前端获取数据。
• 友好的用户界面：基于QML开发的用户界面，用户可以轻松获取土壤湿度信息，优化灌溉策略。
• 高效的通信协议：使用MQTT通信协议，确保数据的高效传输，适应物联网环境。

整体上，该项目不仅展示了如何将硬件与软件结合实现物联网应用，还提供了可视化的界面，方便用户进行实时监控和管理。未来，可以进一步扩展该系统，加入更多的传感器、自动化控制功能以及数据分析模块，以实现更加智能的农业管理。