基于STM32+华为云IOT设计的智能垃圾桶

在商业街、小吃街和景区等人流密集的场所，垃圾桶的及时清理对于提供良好的游客体验至关重要。然而，传统的垃圾桶清理方式通常是定时或定期进行，无法根据实际情况进行及时响应，导致垃圾桶溢满，影响环境卫生，给游客带来不便和不满。

为了解决这一问题，本项目基于STM32F103ZET6主控芯片和华为云物联网平台，设计了一套智能垃圾桶管理系统。该系统通过NBIOT-BC26模块连接到华为云物联网平台，实现了垃圾桶数据的实时采集和上传。

在本地，垃圾桶通过多种传感器进行数据采集。使用DHT11模块实时监测环境温度和湿度，以了解垃圾桶所处环境的状态。采用中科微电子出品的GPS模块，通过串口输出GPS数据，实现垃圾桶的定位功能。垃圾桶口还配备了红外传感器，用于检测垃圾桶是否已满。

通过NBIOT-BC26模块，采集到的数据被实时上传到华为云物联网平台。在保洁人员管理中心，开发了一个数据大屏，采用Qt开发，运行在Windows系统下。数据大屏展示了该区域内垃圾桶的详细情况，包括环境温度、湿度、GPS定位和垃圾桶的满溢状态。

当垃圾桶满了时，上位机会实时发送短信通知保洁人员进行清理，并提供垃圾桶的位置信息，以便保洁人员快速响应并进行清理操作。

通过这套智能垃圾桶管理系统，垃圾桶的清理可以根据实际情况进行及时调度，提高了垃圾桶的使用效率，改善了环境卫生状况，提升了游客的体验感。同时，保洁人员能够更加高效地管理垃圾桶，提升工作效率，减少资源浪费。整个系统的设计旨在提供一个智能、高效的垃圾桶管理解决方案，为公共场所的环境卫生管理带来便利和改进。

【1】主控芯片：STM32F103ZET6

【2】通信模块：NBIOT-BC26

【3】传感器模块：

【5】数据大屏：采用Qt开发，运行在Windows系统下。数据大屏通过图形界面展示垃圾桶的详细情况，包括环境温度、湿度、GPS定位和垃圾桶的满溢状态。

项目的硬件选型包括主控芯片、通信模块、传感器模块、红外传感器和数据大屏。这些硬件组件相互配合，实现了智能垃圾桶管理系统的功能，包括数据采集、通信传输、定位功能和信息展示。

【1】主控芯片选择： 作为整个系统的核心，选择了STM32F103ZET6作为主控芯片。该芯片具有较高的计算能力和丰富的外设接口，能够满足项目的需求。主控芯片负责与各个硬件模块进行通信和数据处理，同时控制通信模块的数据传输。

【2】通信模块选择： 为了实现垃圾桶数据的实时采集和上传，选择了NBIOT-BC26通信模块。NBIOT-BC26支持窄带物联网通信，具有低功耗、广覆盖和远距离传输的特点，能够将采集到的数据通过NB-IoT网络上传到华为云物联网平台。

【3】传感器模块选择：

【4】数据大屏设计： 数据大屏采用Qt开发，运行在Windows系统下。通过图形界面展示垃圾桶的详细情况，包括环境温度、湿度、GPS定位和垃圾桶的满溢状态。主控芯片通过与数据大屏的通信接口实时传输数据，数据大屏根据接收到的数据进行展示。

整个硬件设计思路是将各个硬件模块与主控芯片相连接，通过主控芯片的控制和数据处理，实现数据的采集、通信传输、定位功能和信息展示。通过合理选择硬件组件，并进行适当的连接和接口设计，实现了智能垃圾桶管理系统的功能。

【1】系统架构设计： 软件设计的第一步是确定系统的整体架构。根据项目需求，可以采用分层架构设计，将系统划分为应用层、业务逻辑层和驱动层。应用层负责与用户交互，业务逻辑层处理具体的业务逻辑，驱动层与硬件模块进行通信和控制。

【2】硬件驱动设计： 针对每个硬件模块，需要编写相应的驱动程序。主控芯片与通信模块、传感器模块和红外传感器进行通信，通过串口、I2C、SPI等接口与它们进行数据交互。每个硬件模块的驱动程序应包括初始化、数据采集和控制等功能。

【3】数据处理与逻辑控制： 主控芯片负责接收来自各个硬件模块的数据，并进行处理和逻辑控制。例如，从DHT11传感器读取温湿度数据后，可以进行数据的校验和转换，然后根据设定的阈值判断是否需要进行烘干操作。同时，主控芯片还负责控制红外传感器进行垃圾桶满溢状态的检测。

【4】通信与数据上传： 通过NBIOT-BC26通信模块，将采集到的数据通过NB-IoT网络上传到华为云物联网平台。主控芯片与通信模块进行通信，将需要上传的数据打包成相应的格式，并通过串口等接口发送给通信模块，实现数据的上传。

【5】用户界面设计： 软件还需要设计用户界面，以便用户可以直观地查看垃圾桶的状态和数据信息。可以使用Qt等工具进行界面设计，展示环境温度、湿度、GPS定位和垃圾桶的满溢状态等信息。用户界面与主控芯片进行通信，接收数据并进行展示。

整个软件设计思路是基于系统架构设计，通过硬件驱动、数据处理与逻辑控制、通信与数据上传以及用户界面设计等模块的开发，实现智能垃圾桶管理系统的功能。软件设计需要与硬件设计相结合，保证数据的采集、处理、传输和展示的协调运作。

【1】用户打开智能垃圾桶管理系统的应用程序。

【2】系统初始化：

【3】环境监测：

【4】数据处理与逻辑控制：

【5】数据上传：

【6】数据展示：

整个系统的交互流程涉及到硬件模块的数据采集、主控芯片的数据处理与逻辑控制、通信模块的数据上传以及用户界面的数据展示和用户交互。通过这些步骤，用户可以方便地监测和管理智能垃圾桶的状态和数据信息。

华为云官网: https://www.huaweicloud.com/

打开官网，搜索物联网，就能快速找到 设备接入IoTDA。

华为云物联网平台（IoT 设备接入云服务）提供海量设备的接入和管理能力，将物理设备联接到云，支撑设备数据采集上云和云端下发命令给设备进行远程控制，配合华为云其他产品，帮助我们快速构筑物联网解决方案。

使用物联网平台构建一个完整的物联网解决方案主要包括3部分：物联网平台、业务应用和设备。

物联网平台作为连接业务应用和设备的中间层，屏蔽了各种复杂的设备接口，实现设备的快速接入；同时提供强大的开放能力，支撑行业用户构建各种物联网解决方案。

设备可以通过固网、2G/3G/4G/5G、NB-IoT、Wifi等多种网络接入物联网平台，并使用LWM2M/CoAP、MQTT、HTTPS协议将业务数据上报到平台，平台也可以将控制命令下发给设备。

业务应用通过调用物联网平台提供的API，实现设备数据采集、命令下发、设备管理等业务场景。

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

进来默认会提示开通标准版，在2023的1月1号年之后没有基础版了。

开通之后，点击总览，查看接入信息。 我们当前设备准备采用MQTT协议接入华为云平台，这里可以看到MQTT协议的地址和端口号等信息。

总结:

根据域名地址得到IP地址信息:

MQTT协议接入端口号有两个，1883是非加密端口，8883是证书加密端口，单片机无法加载证书，所以使用1883端口比较合适。 接下来的ESP8266就采用1883端口连接华为云物联网平台。

点击产品页，再点击左上角创建产品。

根据自己产品名字填写。

产品创建完成之后，点击进入产品详情页面，翻到最下面可以看到模型定义。

先点击自定义模型。

再创建一个服务ID。

接着点击新增属性。

产品是属于上层的抽象模型，接下来在产品模型下添加实际的设备。添加的设备最终需要与真实的设备关联在一起，完成数据交互。

创建完毕之后，点击保存并关闭，得到创建的设备密匙信息。该信息在后续生成MQTT三元组的时候需要使用。

当前的设备是采用MQTT协议与华为云平台进行通信。

MQTT是一个物联网传输协议，它被设计用于轻量级的发布/订阅式消息传输，旨在为低带宽和不稳定的网络环境中的物联网设备提供可靠的网络服务。MQTT是专门针对物联网开发的轻量级传输协议。MQTT协议针对低带宽网络，低计算能力的设备，做了特殊的优化，使得其能适应各种物联网应用场景。目前MQTT拥有各种平台和设备上的客户端，已经形成了初步的生态系统。

MQTT是一种消息队列协议，使用发布/订阅消息模式，提供一对多的消息发布，解除应用程序耦合，相对于其他协议，开发更简单；MQTT协议是工作在TCP/IP协议上；由TCP/IP协议提供稳定的网络连接；所以，只要具备TCP协议栈的网络设备都可以使用MQTT协议。 本次设备采用的ESP8266就具备TCP协议栈，能够建立TCP连接，所以，配合STM32代码里封装的MQTT协议，就可以与华为云平台完成通信。

华为云的MQTT协议接入帮助文档在这里: https://support.huaweicloud.com/devg-iothub/iot_02_2200.html

业务流程：

帮助文档地址：https://support.huaweicloud.com/devg-iothub/iot_02_2200.html

对于设备而言，一般会订阅平台下发消息给设备 这个主题。

设备想接收平台下发的消息，就需要订阅平台下发消息给设备 的主题，订阅后，平台下发消息给设备，设备就会收到消息。

如果设备想要知道平台下发的消息，需要订阅上面图片里标注的主题。

对于设备来说，主题发布表示向云平台上传数据，将最新的传感器数据，设备状态上传到云平台。

这个操作称为：属性上报。

帮助文档地址：https://support.huaweicloud.com/usermanual-iothub/iot_06_v5_3010.html

根据帮助文档的介绍， 当前设备发布主题，上报属性的格式总结如下：

MQTT协议登录需要填用户ID，设备ID，设备密码等信息，就像我们平时登录QQ，微信一样要输入账号密码才能登录。MQTT协议登录的这3个参数，一般称为MQTT三元组。

接下来介绍，华为云平台的MQTT三元组参数如何得到。

要登录MQTT服务器，首先记得先知道服务器的地址是多少，端口是多少。

帮助文档地址：https://console.huaweicloud.com/iotdm/?region=cn-north-4#/dm-portal/home

MQTT协议的端口支持1883和8883，它们的区别是：8883 是加密端口更加安全。但是单片机上使用比较困难，所以当前的设备是采用1883端口进连接的。

根据上面的域名和端口号，得到下面的IP地址和端口号信息： 如果设备支持填写域名可以直接填域名，不支持就直接填写IP地址。 （IP地址就是域名解析得到的）

华为云提供了一个在线工具，用来生成MQTT鉴权三元组： https://iot-tool.obs-website.cn-north-4.myhuaweicloud.com/

打开这个工具，填入设备的信息（也就是刚才创建完设备之后保存的信息），点击生成，就可以得到MQTT的登录信息了。

下面是打开的页面：

填入设备的信息： （上面两行就是设备创建完成之后保存得到的）

直接得到三元组信息。

得到三元组之后，设备端通过MQTT协议登录鉴权的时候，填入参数即可。

经过上面的步骤介绍，已经创建了产品，设备，数据模型，得到MQTT登录信息。 接下来就用MQTT客户端软件模拟真实的设备来登录平台。测试与服务器通信是否正常。

打开MQTT客户端软件，对号填入相关信息（就是上面的文本介绍）。然后，点击登录，订阅主题，发布主题。

完成上面的操作之后，打开华为云网页后台，可以看到设备已经在线了。

点击详情页面，可以看到上传的数据。

到此，云平台的部署已经完成，设备已经可以正常上传数据了。

为了方便查看设备上传的数据，对设备进行远程控制，接下来利用Qt开发一款Android和windows系统的上位机。

使用华为云平台提供的API接口获取设备上传的数据，也可以给设备下发指令，控制设备。

为了方便查看设备上传的数据，对设备进行远程控制，接下来利用Qt开发一款Android和windows系统的上位机。

使用华为云平台提供的API接口获取设备上传的数据，也可以给设备下发指令，控制设备。

Qt的中文官网： https://www.qt.io/zh-cn/

QT5.12.6的下载地址：https://download.qt.io/archive/qt/5.12/5.12.6

打开下载链接后选择下面的版本进行下载：

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

软件安装时断网安装，否则会提示输入账户。

安装的时候，第一个复选框里勾选一个mingw 32编译器即可，其他的不管默认就行，直接点击下一步继续安装。

说明： 我这里只是介绍PC端的环境搭建（这个比较简单）。 Android的开发环境比较麻烦，可以去我的博客里看详细文章。

选择MinGW 32-bit 编译器：

创建一个IAM账户，因为接下来开发上位机，需要使用云平台的API接口，这些接口都需要token进行鉴权。简单来说，就是身份的认证。 调用接口获取Token时，就需要填写IAM账号信息。所以，接下来演示一下过程。

地址: https://console.huaweicloud.com/iam/?region=cn-north-4#/iam/users

获取Token时，除了AIM账号外，还需要项目凭证:

鼠标点击自己昵称，点击统一身份认证。

点击左上角创建用户。

创建成功：

帮助文档：https://support.huaweicloud.com/api-iothub/iot_06_v5_0079.html

设备影子介绍：

简单来说：设备影子就是保存，设备最新上传的一次数据。

我们设计的软件里，如果想要获取设备的最新状态信息，就采用设备影子接口。

如果对接口不熟悉，可以先进行在线调试：https://apiexplorer.developer.huaweicloud.com/apiexplorer/doc?product=IoTDA&api=ShowDeviceShadow

在线调试接口，可以请求影子接口，了解请求，与返回的数据格式。

设备影子接口返回的数据如下：

地址: https://support.huaweicloud.com/api-iothub/iot_06_v5_0034.html

接口说明

修改设备属性的接口，可以让服务器给设备下发指令，如果需要控制设备。

在线调试地址：

https://apiexplorer.developer.huaweicloud.com/apiexplorer/doc?product=IoTDA&api=UpdateProperties

修改设备属性是属于同步命令，需要设备在线才可以进行调试，先使用MQTT客户端登录服务器，模拟设备上线。

然后进行调试，测试数据远程下发给设备。

【1】利用MQTT客户端先登录设备 (这是同步命令，必须在线才能调试)

【2】点击调试

【4】可以看到，MQTT客户端软件上已经收到了服务器下发的消息

由于是同步命令，服务器必须要收到设备的响应才能顺利完成一个流程，设备响应了服务器才能确定数据下发成功。

MQTT设备端如何响应呢？

设备响应格式说明：https://support.huaweicloud.com/api-iothub/iot_06_v5_3008.html

下面进行实操：

当服务器通过在线调试，发送指令下来之后，客户端将请求ID复制下来，添加到发布主题的格式里，再回复回去，服务器收到了响应，一次属性修改就完美完成了。

就是成功的状态：

下面是请求的总结： (响应服务器的修改设备属性请求)

前面2讲解了需要用的API接口，接下来就使用Qt设计上位机，设计界面，完成整体上位机的逻辑设计。

选择工程路径，放在英文路径下。

创建完毕。

新建Android的模板：