基于 Arduino ESP8266 的智慧农业大棚项目

pcfx2025-09-292025-09-29

基于 Arduino ESP8266 的智慧农业大棚项目

引言

为什么做智慧大棚项目

我参加了一个大学大创相关的团队，团队主题是智慧农业大棚，我是负责技术相关的。

虽然这个团队更偏向于做ppt，写调查报告，甚至有点吹牛逼的成分在里面，但是我还是决心坚持做出点成果，能弄出一个技术相关的方案。

这个方案可能在很多计算机大佬面前可能看起来很 ”简单“ 甚至 “弱智”，但是这里面都是我不断自学，不断挑战自我做出来的成果，也同样是我自己成长的一个记录。

希望有一天我成为一个大佬后，看到我的项目也能会心一笑，能轻松说出当年误区和弯路。
ESP8266 的优势

我选择esp8266作为微控制器有如下原因：
- 我有部分arduino uno R3的开发经验，当年小学玩过arduino scratch。而esp8266能使用arduino开发且自带Wi-Fi模块。
- 太极创客（太极创客 – Arduino，人工智能，物联网的应用、开发和学习资料）是我arduino的启蒙老师之一。而他们有完备的esp8266教程。
本文目标

分享硬件组成与基本功能。包括硬件部分的设计，和MQTT网络的连接。

项目硬件介绍

核心控制器：ESP8266

我选用的是和ESP8266-NodeMCU硬件参考 – 太极创客教程一致的开发板。串口芯片是cp2102版本。
我对这块开发板其实很满意，作为新手来说已经很足够了。不过美中不足的是它只有一个模拟输入口（A0)。原本我打算用无源光敏电阻来检测光照，但土壤湿度传感器必须占用这个模拟口，所以我最终选择了走 I²C 接口的 GY-302 光照传感器。

传感器部分

下图是我很早之前用 Fritzing画的图，接线可能与后文不太对的上。

实物图:

DHT22

我原先选择的是DHT11传感器，想着刚好有太极创客的DHT11教程可以参考。

但是按照教程一走，发现DHT11的精度实在是不太让人满意，温度只能输出整数，故选择了DHT22。

我是用的是github.com/dvarrel/DHT22 DHT22库，在arduino库管理能直接下载。

示例代码：DHT22/examples/dht22test dvarrel/DHT22 · GitHub

核心代码如下：
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#include <DHT22.h>
#define pinDATA SDA // SDA, or almost any other I/O pin
DHT22 dht22(pinDATA);
//下面两行代码放到loop()
float t = dht22.getTemperature();
float h = dht22.getHumidity();

SGP30：空气质量传感器（CO₂、VOC检测）

使用的是GitHub - RobTillaart/SGP30: Arduino library for SGP30 environment sensor库，同样在arduino能直接下。

示例代码：SGP30/examples/SGP30_demo/SGP30_demo.ino at master · RobTillaart/SGP30 · GitHub

核心代码：

#include "SGP30.h"
SGP30 SGP;
Wire.begin();
SGP.GenericReset();

//setRelHumidity(float T, float RH) sets the compensation for temperature (5-55°C) and relative humidity (10-95%). These values can be obtained e.g. from an SHT30, DHT22 or similar sensor. 
//  T  in °C
//  RH == 0..100
SGP.setRelHumidity(float T, float RH);
    
  Serial.println("\nTVOC \teCO2 \tH2 \tETH");
  Serial.print(SGP.getTVOC());
  Serial.print("\t");
  Serial.print(SGP.getCO2());
  Serial.print("\t");
  Serial.print(SGP.getH2());
  Serial.print("\t");
  Serial.print(SGP.getEthanol());
  Serial.println();

需要注意的是：
1. 开机后需要预热一段时间，数值才能趋于稳定。
2. H2 和乙醇的获取是带有实验性质的，没有经过校准，只能作为相对参考。
3. CO2 单位为 ppm，TVOC 单位为 ppb。H2 和乙醇的单位为 ppm。
4. setRelHumidity(float T, float RH)函数填入的是摄氏度和1到100的相对湿度，绝对湿度有其矫正函数可以适用。

GY-302（BH1750光照强度传感器）：测量光照，I²C接口

使用GitHub - claws/BH1750 库，也同样能在arduino库管理下载。

我使用了示例里面的BH1750autoadjust 能高精度，自动选择量程（测量时间寄存器)，在高亮度下不超量程，防止溢出，在低亮度下能提高灵敏度，测量微弱光线。

除了能选择高精度，选择测量时间寄存器(Measurement Time Register,MTreg) ，还能选择工作模式是单次还是连续。

具体的可以去GitHub上的README.md看看，就不一一列举了。

核心代码：

#include <BH1750.h>
#include <Wire.h>
BH1750 lightMeter;
Wire.begin();
lightMeter.begin(BH1750::ONE_TIME_HIGH_RES_MODE);

if (lightMeter.measurementReady(true)) 
 {
  float lux = lightMeter.readLightLevel();
  if (lux < 0)
  {
    Serial.println(F("[system] 光照读取错误!"));  
  } 
  // 可选：根据光照强度调整 MTreg
  if (lux > 40000.0)
  {
  lightMeter.setMTreg(32);
  }
  else if (lux > 10.0) 
  {
  lightMeter.setMTreg(69);
  } 
  else 
  {
  lightMeter.setMTreg(138);
  }
    // 调试打印
    Serial.print("[system] 光照: ");
    Serial.print(data.light);
    Serial.println(" lx");
  }

注意：

返回值为-1：没有从传感器传输有效数据。可能是通信错误。
返回值为-2：配置错误。

土壤湿度传感器：测量土壤含水量，模拟信号。

本项目用的是最简单的模拟土壤湿度传感器，按道理来说应该没什么可讲的。但是看资料的时候看到了这一条。

里面 Input voltage range is 0 - 1.0 v引起了我的注意，esp8266 VCC 是3.3v。所以我简单制作了一个分压电路，使用1kΩ和2.2kΩ的电阻进行分压。

使土壤湿度传感器在短路时，分到A0的电压在1.0伏特附近。

arduino对获取模拟口的范围是0-1024 所以经过分压后，当探针断路时，模拟口分压为1v左右，所以获得数值在左右。

代码：

1 2	#define analogInPin A0 //模拟引脚，用于土壤湿度检测 analogRead(analogInPin)

使用这个函数就能调用analogInPin的模拟数值。

项目设计与功能

各传感器与 ESP8266 的连接方式
- 土壤湿度检测放到了A0模拟口。
- DHT22放到了 GPIO 2口也就是D4
- GY302和SGP30 共用 iic总线
  - D1 SCL
  - D2 SDA

WiFi 网络与数据传输

我的项目采用mqtt协议传输，使用的代码基于太极创客的mqtt教程。

使用的是test.mosquitto.org 服务器。

以下是太极创客关于mqtt传输的示范案例：

/**********************************************************************
项目名称/Project          : 零基础入门学用物联网
程序名称/Program name     : publish_ranye_url
团队/Team                : 太极创客团队 / Taichi-Maker (www.taichi-maker.com)
作者/Author              : CYNO朔
日期/Date（YYYYMMDD）     : 20200813
程序目的/Purpose          : 
本程序旨在演示如何使用PubSubClient库使用ESP8266向MQTT服务器发布信息。
-----------------------------------------------------------------------
本示例程序为太极创客团队制作的《零基础入门学用物联网》中示例程序。
该教程为对物联网开发感兴趣的朋友所设计和制作。如需了解更多该教程的信息，请参考以下网页：
http://www.taichi-maker.com/homepage/esp8266-nodemcu-iot/iot-c/esp8266-nodemcu-web-client/http-request/
***********************************************************************/
#include <ESP8266WiFi.h>
#include <PubSubClient.h>
#include <Ticker.h>
 
// 设置wifi接入信息(请根据您的WiFi信息进行修改)
const char* ssid = "taichi-maker";
const char* password = "12345678";
const char* mqttServer = "test.ranye-iot.net";
 
// 如以上MQTT服务器无法正常连接，请前往以下页面寻找解决方案
// http://www.taichi-maker.com/public-mqtt-broker/
 
Ticker ticker;
WiFiClient wifiClient;
PubSubClient mqttClient(wifiClient);
 
int count;    // Ticker计数用变量
 
void setup() {
  Serial.begin(9600);
  
  //设置ESP8266工作模式为无线终端模式
  WiFi.mode(WIFI_STA);
  
  // 连接WiFi
  connectWifi();
  
  // 设置MQTT服务器和端口号
  mqttClient.setServer(mqttServer, 1883);
 
  // 连接MQTT服务器
  connectMQTTServer();
 
  // Ticker定时对象
  ticker.attach(1, tickerCount);  
}
 
void loop() { 
  if (mqttClient.connected()) { // 如果开发板成功连接服务器
    // 每隔3秒钟发布一次信息
    if (count >= 3){
      pubMQTTmsg();
      count = 0;
    }    
    // 保持心跳
    mqttClient.loop();
  } else {                  // 如果开发板未能成功连接服务器
    connectMQTTServer();    // 则尝试连接服务器
  }
}
 
void tickerCount(){
  count++;
}
 
void connectMQTTServer(){
  // 根据ESP8266的MAC地址生成客户端ID（避免与其它ESP8266的客户端ID重名）
  String clientId = "esp8266-" + WiFi.macAddress();
 
  // 连接MQTT服务器
  if (mqttClient.connect(clientId.c_str())) { 
    Serial.println("MQTT Server Connected.");
    Serial.println("Server Address: ");
    Serial.println(mqttServer);
    Serial.println("ClientId:");
    Serial.println(clientId);
  } else {
    Serial.print("MQTT Server Connect Failed. Client State:");
    Serial.println(mqttClient.state());
    delay(3000);
  }   
}
 
// 发布信息
void pubMQTTmsg(){
  static int value; // 客户端发布信息用数字
 
  // 建立发布主题。主题名称以Taichi-Maker-为前缀，后面添加设备的MAC地址。
  // 这么做是为确保不同用户进行MQTT信息发布时，ESP8266客户端名称各不相同，
  String topicString = "Taichi-Maker-Pub-" + WiFi.macAddress();
  char publishTopic[topicString.length() + 1];  
  strcpy(publishTopic, topicString.c_str());
 
  // 建立发布信息。信息内容以Hello World为起始，后面添加发布次数。
  String messageString = "Hello World " + String(value++); 
  char publishMsg[messageString.length() + 1];   
  strcpy(publishMsg, messageString.c_str());
  
  // 实现ESP8266向主题发布信息
  if(mqttClient.publish(publishTopic, publishMsg)){
    Serial.println("Publish Topic:");Serial.println(publishTopic);
    Serial.println("Publish message:");Serial.println(publishMsg);    
  } else {
    Serial.println("Message Publish Failed."); 
  }
}
 
// ESP8266连接wifi
void connectWifi(){
 
  WiFi.begin(ssid, password);
 
  //等待WiFi连接,成功连接后输出成功信息
  while (WiFi.status() != WL_CONNECTED) {
    delay(1000);
    Serial.print(".");
  }
  Serial.println("");
  Serial.println("WiFi Connected!");  
  Serial.println(""); 
}

当然，esp8266也能从服务器订阅消息，但是我的项目暂时对这个功能没要求。

如果需要，可以上太极创客官网学习。

我想增强mqtt的传输安全性，想使用双向TLS验证。

注意：由于我无法访问test.ranye-iot.net 后面的教程都是基于test.mosquitto.org的。

修改成双向TLS

我们需要同步时间，时间不同步会导致TLS失败

我们可以在setup() 里面校时

#include <time.h>

void setupTime() {
  configTime(0, 0, "pool.ntp.org", "time.nist.gov");
  time_t now = time(nullptr);
  while (now < 8 * 3600 * 2) { // 等待直到时间同步
    delay(500);
    now = time(nullptr);
  }
  Serial.printf("Current time: %s\n", ctime(&now));
}

在连接上Wi-Fi后，调用setupTime();

将WiFiClient换成 WiFiClientSecureBearSSL

#include <WiFiClientSecureBearSSL.h>

// 原来：WiFiClient wifiClient;
// 改成：
BearSSL::WiFiClientSecure wifiClient;
PubSubClient mqttClient(wifiClient);

准备好三个证书
- mosquitto.org.crt（CA 根证书）-
- client.crt（你上传 CSR 后生成的客户端证书）
- client.key（本地生成的私钥）
  
  第一个CA证书在这个页面下载test.mosquitto.org
  
  第三个证书需要自己生成跟随Generate client certificates for test.mosquitto.org 指引
  
  然后在第二个网址上传自己生成好的CSR，就能生成并下载CRT证书

把它们粘贴进代码里：

// 根证书
static const char ca_cert[] PROGMEM = R"EOF(
-----BEGIN CERTIFICATE-----
... test.mosquitto.org 的 CA 证书 ...
-----END CERTIFICATE-----
)EOF";

// 客户端证书
static const char client_cert[] PROGMEM = R"EOF(
-----BEGIN CERTIFICATE-----
... 你上传 CSR 后下载到的 client.crt ...
-----END CERTIFICATE-----
)EOF";

// 客户端私钥
static const char client_key[] PROGMEM = R"EOF(
-----BEGIN RSA PRIVATE KEY-----
... 你本地生成的 client.key ...
-----END RSA PRIVATE KEY-----
)EOF";

初始化BearSSL

BearSSL::X509List cert(ca_cert);
wifiClient.setTrustAnchors(&cert);

BearSSL::X509List client_crt(client_cert);
BearSSL::PrivateKey key(client_key);
wifiClient.setClientRSACert(&client_crt, &key);

改服务器端口成8884

数据转化成JSON字符串发送

项目代码节选：

#include <ArduinoJson.h>

struct Data {
    float air_tmp = 0;
    float air_RH = 0;
    uint16_t eath_H = 0;
    uint16_t light = 0;
    uint16_t co2 = 0;
    uint16_t tvoc = 0;
    float h2 = 0;
    float eth = 0;
} data;

void setup() {
    Serial.begin(115200);

    // 创建 JSON 文档
    StaticJsonDocument<256> doc;

}

void loop() {
    doc["air_tmp"] = air_tmp;
    doc["air_RH"]  = air_RH;
    doc["eath_H"]  = eath_H;
    doc["light"]   = light;
    doc["co2"]     = co2;
    doc["tvoc"]    = voc;
    doc["h2"]      = h2;
    doc["eth"]     = eth;

    char cstr[256]; 
    serializeJson(doc, cstr, sizeof(cstr));
    //到这里数据就转换成JSON格式的字符串 cstr了
    Serial.println(cstr);
}

总结与展望

项目成果
- 项目实现了数据采集并实时上传
- 使用SSL加密
- 学习了MQTT协议
可以拓展的方向
1. 后端尚未开发，可以开发后端
2. 硬件与预想时剔除了水泵，但是扩展板存在电机驱动电路，可以添加上
3. 若要添加水泵，可以采用订阅MQTT

参考资料：

太极创客 – Arduino，人工智能，物联网的应用、开发和学习资料
github.com/dvarrel/DHT22
GitHub - RobTillaart/SGP30: Arduino library for SGP30 environment sensor
GitHub - claws/BH1750
ESP8266 Arduino Core Documentation Release 2.4.0
test.mosquitto.org