基于RK3588的智慧农场系统开发|RS485总线|华为云IOT|node-red|MQTT

06-01 1367阅读

一、硬件连接流程

本次采用的是

总线型拓扑：所有设备并联到两根 RS485 总线上（A + 和 B-）

二、通信协议配置

1. 主从通信模式

RS485 是半双工：同一时间只能有一个设备发送数据

主从架构：通常一个主设备（MCU / 电脑）轮询多个从设备（传感器）

2. 通信参数配置

波特率：常用 9600、115200 等
（需与传感器一致，查看对应手册以及使用RS485转usb工具连接电脑使用串口助手发送对应指令修改设备设备号，波特率等）
数据位：通常 8 位
停止位：通常 1 位

校验位：无校验或 Modbus 常用的 CRC 校验

3. 传感器寻址

每个传感器需设置唯一 ID（如 Modbus 地址 1~247）

通过地址区分不同传感器

三、软件实现流程

1. 安装必要库

2.代码

代码见文章末尾

注意事项：

电气安全：
- RS485 总线上所有设备共地（或使用隔离型转换器）
- 线缆选择屏蔽双绞线，长度不超过 1200 米（与波特率有关）
- 通信稳定性：
  - 发送数据前后需适当延时（RS485 收发转换需要时间）
  - 添加重试机制，处理偶尔的通信失败
  - 协议适配：
    - 不同传感器可能使用不同的 Modbus 寄存器映射，需参考传感器手册
    - 非 Modbus 协议传感器需使用相应的通信库（如 Siemens S7、Profibus 等）
    - 错误处理：
      - 添加 CRC 校验确保数据完整性
      - 实现超时机制避免程序卡死

四，传感器数据 MQTT 上报至 Node-RED 仪表盘

配置node-red的过程省略。

node-red &后台开启node-red，打开浏览器连接地址，可视化仪表盘则是地址/ui

环节	技术 / 工具	作用
数据采集	RS485 总线、Modbus 协议、C++ 程序	通过 RS485 连接传感器，解析 Modbus 数据（如温湿度、CO 浓度等）。
数据传输	MQTT 协议、Paho MQTT 库	将采集的数据通过 MQTT 协议发布到消息服务器（如 Node-RED 内置 MQTT 代理）。
数据处理	Node-RED 流编辑器	接收 MQTT 消息，解析数据并路由至仪表盘节点。
数据展示	Node-RED Dashboard 组件	以图表、仪表盘等形式实时显示数据

五，上云流程

无论连接哪类 MQTT 服务器（华为云、阿里云等），核心步骤基本一致：

1. 安装依赖与工具

sudo apt update          # 更新软件源
sudo apt install git cmake build-essential libssl-dev  # 安装编译工具和SSL库

关键依赖：libssl-dev 提供 TLS 加密支持（若使用明文 MQTT 可省略，但不推荐）。

2. 下载并编译 Paho 库

git clone https://github.com/eclipse/paho.mqtt.c.git  # 克隆源码
cd paho.mqtt.c
mkdir build && cd build
cmake ..  # 生成编译配置（默认开启SSL支持）
make      # 编译库和示例程序
sudo make install  # 安装到系统路径

编译选项：

若需禁用 TLS，添加 -DPAHO_WITH_SSL=OFF 到cmake命令：
```
cmake .. -DPAHO_WITH_SSL=OFF
```

若为嵌入式系统，需指定交叉编译工具链（如arm-linux-gnueabihf-gcc）。

3. 编写应用程序

参考 Paho 库的示例代码（位于paho.mqtt.c/examples），核心逻辑包括：

基于RK3588的智慧农场系统开发|RS485总线|华为云IOT|node-red|MQTT

（图片来源网络，侵删）

包含头文件：#include "MQTTClient.h"
初始化 MQTT 客户端、设置连接参数（服务器地址、客户端 ID、用户名 / 密码等）
实现消息回调函数（处理订阅到的消息）

建立连接、发布 / 订阅消息

示例：连接华为云 IoT 平台

#include "MQTTClient.h"
#define ADDRESS     "ssl://your-iot-server.com:8883"  // 华为云MQTTS地址
#define CLIENTID    "your-device-id_your-product-id_0_0_20250514"  // 客户端ID
#define USERNAME    "your-device-id"  // 用户名（设备ID）
#define PASSWORD    "your-device-secret"  // 密码（设备密钥）
#define TOPIC       "$oc/devices/your-device-id/sys/properties/report"  // 华为云属性上报Topic
int main() {
    MQTTClient client;
    MQTTClient_connectOptions opts = MQTTClient_connectOptions_initializer;
    MQTTClient_SSLOptions ssl_opts = MQTTClient_SSLOptions_initializer;
    
    // 初始化SSL配置（若使用TLS）
    ssl_opts.trustStore = "/path/to/ca-cert.pem";  // 根证书路径
    opts.ssl = &ssl_opts;
    
    // 配置连接参数
    opts.username = USERNAME;
    opts.password = PASSWORD;
    opts.cleansession = true;
    
    // 创建客户端并连接
    MQTTClient_create(&client, ADDRESS, CLIENTID, MQTTCLIENT_PERSISTENCE_NONE, NULL);
    MQTTClient_connect(client, &opts);
    
    // 发布消息示例
    char payload[100] = "{\"services\":[{\"service_id\":\"SensorService\",\"properties\":{\"TEMP\":25.5}}]}";
    MQTTClient_publish(client, TOPIC, strlen(payload), payload, 0, false, NULL);
    
    // 断开连接
    MQTTClient_disconnect(client, 1000);
    MQTTClient_destroy(&client);
    return 0;
}

4. 编译与链接

（图片来源网络，侵删）

gcc your-program.c -o your-program -lpaho-mqtt3c -lssl -lcrypto -lpthread

关键链接参数：

-lpaho-mqtt3c：Paho C 库的核心库（必选）。
-lssl -lcrypto：OpenSSL 库（若使用 TLS/SSL）。

-lpthread：线程库（若程序使用多线程）。

适配不同服务器的差异

不同 MQTT 服务器（如华为云、阿里云）的主要差异在于：

连接参数
- 服务器地址：华为云为ssl://xxx.iotda-device.cn-north-4.myhuaweicloud.com:8883，阿里云为ssl://xxx.mqtt.aliyuncs.com:1883。
- 客户端 ID / 用户名 / 密码：需根据各平台规则生成（如华为云需包含设备 ID 和产品 ID）。
- 证书要求
  - 华为云：需下载其根证书（如GlobalSignRSAOVSSLCA2018.crt）。
  - 其他平台：可能使用不同的根证书（如 Let’s Encrypt 或自签名证书）。
  - Topic 格式
    - 华为云属性上报 Topic：$oc/devices/{device_id}/sys/properties/report
    - 阿里云 Topic：/sys/{productKey}/{deviceName}/thing/event/property/post

常见问题与解决方案

编译错误：未找到头文件或库文件

确认头文件路径：#include "MQTTClient.h" 应指向/usr/local/include。

确认库文件路径：通过sudo ldconfig更新动态链接库缓存，或在编译时指定路径：

gcc your-program.c -o your-program -I/usr/local/include -L/usr/local/lib -lpaho-mqtt3c ...

运行时错误：找不到 libpaho-mqtt3c.so

使用sudo find / -name "libpaho-mqtt3c.so*" 确认库文件位置。

创建软链接或修改/etc/ld.so.conf添加库路径：

sudo ln -s /usr/local/lib/libpaho-mqtt3c.so.1 /usr/lib/libpaho-mqtt3c.so.1
sudo ldconfig

连接失败（TLS 相关）

确保证书路径正确且为 PEM 格式（以-----BEGIN CERTIFICATE-----开头）。

临时禁用 TLS 验证（仅测试）：

ssl_opts.verify = 0;  // 禁用证书验证（生产环境需开启）

五、替代方案：使用其他 MQTT 库或语言

如果 C 语言开发成本较高，可考虑：

Python：使用paho-mqtt Python 库（pip install paho-mqtt），代码更简洁。
Node.js：使用mqtt模块（npm install mqtt），配合 Node-RED 可视化流程（如之前的方案）。

其他 C++ 库：如mqtt-cpp、emqttd等，但 Paho 库仍是最广泛使用的选择。

总结

上述步骤是使用 Paho MQTT C 库实现 MQTT 通信的标准流程，适用于连接各类支持 MQTT 协议的服务器。核心要点是：

正确编译和安装库文件，确保依赖齐全；
根据目标服务器的规则配置连接参数（地址、认证信息、Topic 等）；
处理好 TLS 证书和动态链接库路径问题。

通过这种方式，可以在 C/C++ 项目中高效实现 MQTT 协议通信，满足工业物联网、智能家居等场景的需求。

关于连接华为云的问题

这些配置参数非常关键：

CLIENT_ID：格式为{设备ID}_{接入协议类型}_{设备是否加密接入}_{时间戳}
USERNAME：通常是设备 ID
PASSWORD：设备密钥或根据特定算法生成的密码

PUB_TOPIC：华为云定义的属性上报主题格式

连接初始化

int init_huawei_mqtt() {
    // 检查华为云参数有效性
    if (HUAWEI_CLIENT_ID == NULL || HUAWEI_USERNAME == NULL || HUAWEI_PASSWORD == NULL) {
        printf("错误: 华为云参数为空\n");
        return -1;
    }
    int rc;
    MQTTClient_create(&huawei_client, HUAWEI_CLOUD_ADDR, HUAWEI_CLIENT_ID, MQTTCLIENT_PERSISTENCE_NONE, NULL);
    MQTTClient_connectOptions conn_opts = MQTTClient_connectOptions_initializer;
    conn_opts.username = HUAWEI_USERNAME;
    conn_opts.password = HUAWEI_PASSWORD;
    if ((rc = MQTTClient_connect(huawei_client, &conn_opts)) != MQTTCLIENT_SUCCESS) {
        printf("华为云MQTT连接失败，错误码：%d，错误信息：%s\n", rc, MQTTClient_strerror(rc));
        return -1;
    }
    printf("华为云MQTT连接成功: %s\n", HUAWEI_CLOUD_ADDR);
    return 0;
}

数据格式

华为云 IoT 平台要求特定的 JSON 格式来上报设备属性：

void huawei_publish_data(float temperature, float humidity, int co, int lux) {
    char json_str[256];
    snprintf(json_str, sizeof(json_str),
        "{"
        "\"services\":[{"
        "\"service_id\":\"Sensor\","
        "\"properties\":{"
        "\"CO浓度\":%d,"
        "\"光照强度\":%d,"
        "\"湿度\":%.1f,"
        "\"温度\":%.1f"
        "}"
        "}]"
        "}", co, lux, humidity, temperature);
    // ... 发布消息代码 ...
}

这个 JSON 结构包含：

services：服务数组，每个服务代表设备的一类功能
service_id：服务 ID，需要在华为云平台上预先定义

properties：具体的属性数据，键名需要与平台上定义的模型匹配

华为云默认要求 TLS 连接，之所以在代码中注释掉了 SSL 配置部分：

// 配置SSL/TLS
// MQTTClient_SSLOptions ssl_opts = MQTTClient_SSLOptions_initializer;
// ssl_opts.trustStore = "/etc/ssl/certs/ca-certificates.crt";
// ssl_opts.verify = 1;
// ssl_opts.sslVersion = MQTT_SSL_VERSION_TLS_1_2;  // 指定TLS版本
// conn_opts.ssl = &ssl_opts;

华为云 IoT 平台对非加密连接（TCP/1883）和加密连接（MQTTS/8883）的校验机制不同

第一版代码，目前还存在一点问题（不严谨）大体上所有功能均能实现

一、旧代码（能连接）的特点：未启用加密（TCP/1883）

1. 未使用 TLS 加密

协议与端口：旧代码使用 tcp://1883，未强制验证证书和设备身份，属于非安全连接（仅适用于测试环境，生产环境会被禁止）。

华为云策略：部分旧版测试环境可能允许非加密连接，但新版环境通常强制要求 TLS 加密（MQTTS/8883），且会校验证书和设备签名。

2. 绕过证书校验的可能性

旧代码中注释了 SSL 配置，且未启用 verify（证书验证），因此：

华为云可能未严格校验设备证书（仅校验 ClientID、Username、Password）。

若 PASSWORD 直接使用设备密钥（而非签名后的密码），可能在测试环境中被临时允许连接（但不符合官方规范）。

二、新代码（不能连接）的问题：启用加密但配置错误

1. 加密连接的强制校验点

当使用 mqtts://8883 时，华为云会严格校验：

TLS 证书有效性：必须提供正确的 CA 根证书（如 ca-certificates.crt），否则会因证书验证失败断开连接。

设备签名合法性：PASSWORD 必须是通过设备密钥和时间戳生成的签名（而非明文密钥），否则认证失败。

2. 新代码的潜在错误

(1) PASSWORD 错误使用明文密钥

华为云生产环境要求 PASSWORD 是 HMAC-SHA256 签名结果，而非设备密钥明文。旧代码可能因测试环境允许明文密钥而侥幸连接，但新代码的加密连接会拒绝明文。

正确做法：使用设备密钥、ClientID 中的时间戳按华为云规范生成签名（参考华为云签名算法文档）。

(2) CA 证书路径或内容错误

新代码指定 trustStore = "/etc/ssl/certs/ca-certificates.crt"，但：

该路径在某些系统（如嵌入式 Linux）中可能不存在，或证书未包含华为云 IoT 的根证书。

解决方案：手动下载华为云 IoT 根证书（证书下载地址），并确保路径正确。

(3) ClientID 时间戳过期

CLIENT_ID 中的时间戳（如 2025051413）需与服务器时间相差不超过1 小时，否则签名失效。新代码若使用固定时间戳，可能因超时被拒绝。

三、验证思路：测试非加密连接是否被禁止

确认华为云环境类型：
- 若旧代码连接的是旧版测试环境（允许 TCP/1883 + 明文密码），而新代码尝试连接生产环境（强制 MQTTS/8883 + 签名认证），则必然失败。
- 可通过华为云控制台查看 “设备接入协议” 是否允许非加密连接。
- 临时禁用加密验证：
  - 在新代码中暂时改回 tcp://1883，并移除 SSL 配置，观察是否能连接。若能连接，说明问题出在加密配置或签名算法。

四、解决方案：适配华为云加密连接要求

1. 生成正确的 PASSWORD（签名）

// 示例：使用HMAC-SHA256生成签名（需引入加密库，如OpenSSL）
#include 
char* generate_signature(const char* device_secret, const char* client_id) {
    // 提取ClientID中的时间戳（假设格式为 deviceId_0_0_timestamp）
    char* timestamp = strrchr(client_id, '_') + 1;
    // 拼接签名原文：clientId + timestamp
    char sign_str[128];
    snprintf(sign_str, sizeof(sign_str), "%s%s", client_id, timestamp);
    // 计算HMAC-SHA256
    unsigned char hash[EVP_MAX_MD_SIZE];
    unsigned int hash_len;
    HMAC(EVP_sha256(), device_secret, strlen(device_secret), 
         (unsigned char*)sign_str, strlen(sign_str), hash, &hash_len);
    // 转换为十六进制字符串
    char* signature = (char*)malloc(2 * hash_len + 1);
    for (int i = 0; i

在代码中调用此函数，将结果赋值给 HUAWEI_PASSWORD。

2. 确保 CA 证书正确

下载华为云 IoT 根证书（iot_ca.crt），保存到设备路径（如 /usr/local/etc/ca.pem），并修改代码：
```
ssl_opts.trustStore = "/usr/local/etc/ca.pem";
```
3. 更新 ClientID 时间戳
使用当前时间生成时间戳（如 2025051514），确保与服务器时间同步。

五、总结：新旧代码差异的核心原因

场景	旧代码（能连接）	新代码（不能连接）
连接方式	非加密（TCP/1883），绕过严格校验	加密（MQTTS/8883），强制证书和签名
PASSWORD	可能使用明文密钥（测试环境允许）	需使用 HMAC 签名（生产环境强制）
证书配置	未启用，不校验证书	启用但路径 / 内容错误
适用环境	旧版测试环境或非安全环境	新版生产环境（需严格遵循规范）

建议：优先使用加密连接（MQTTS/8883），并按照华为云官方文档配置签名和证书。若需临时调试，可先在测试环境中使用非加密连接，但生产环境必须启用安全机制。

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include "MQTTClient.h"
#include 
// MQTT配置
#define MQTT_ADDRESS     "tcp://192.168.1.212:1883"
#define MQTT_USERNAME    " "
#define MQTT_PASSWORD    " "
#define MQTT_CLIENTID    "smart_farm_rs485"
#define MQTT_QOS         2
#define MQTT_SENSOR_TOPIC "/Yuei/sensor/"
#define MQTT_COMMAND_TOPIC "/Yuei/command/"
#define MQTT_TIMEOUT     10000L
// 华为云IoT配置（与文档完全一致）
#define HUAWEI_CLOUD_ADDR "mqtts://21369d9ff7.st1.iotda-device.cn-north-4.myhuaweicloud.com:8883"
#define HUAWEI_CLIENT_ID  "6823048384adf27cda58465e_Yiji1_0_0_2025051413"
#define HUAWEI_USERNAME   "6823048384adf27cda58465e_Yiji1"
#define HUAWEI_PASSWORD   "e554e71de483b60085373595c34051d0b37f9dbc680257234bb6233e9187704b"
#define HUAWEI_PUB_TOPIC  "$oc/devices/6823048384adf27cda58465e_Yiji1/sys/properties/report"
// RS485配置
#define RS485_DEV "/dev/ttyS1"
#define BAUDRATE B4800
#define RECV_TIMEOUT_MS 2000
// 继电器配置
#define RELAY_ADDRESS 4
#define RELAY1_ADDR 0x0010
#define RELAY2_ADDR 0x0011
// 全局变量
int fd;
MQTTClient mqtt_client;
MQTTClient huawei_client;  
pthread_mutex_t serial_mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
pthread_mutex_t mqtt_mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;  
int running = 1;
// 命令队列结构
struct RelayCommand {
    uint16_t address;
    uint8_t value;
    time_t timestamp;
};
typedef struct {
    float temperature;
    float humidity;
    int co;
    int lux;
    time_t timestamp;
} SensorData;
std::queue commandQueue;
pthread_mutex_t queue_mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
pthread_cond_t queue_cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
// 计算Modbus CRC16校验
unsigned short crc16(unsigned char *data, int len) {
    unsigned short crc = 0xFFFF;
    for (int i = 0; i > 1) ^ 0xA001;
            } else {
                crc >>= 1;
            }
        }
    }
    return crc;
}
// 发送Modbus RTU指令并接收响应
int send_modbus_command(int fd, unsigned char *command, int cmd_len, unsigned char *response, int resp_len) {
    fd_set readfds;
    struct timeval timeout;
    printf("发送指令: ");
    for (int i = 0; i  0) {
                printf("接收响应: ");
                for (int i = 0; i = 5) {
            unsigned short resp_crc = (response[response_len - 2] | (response[response_len - 1] > 8) & 0xFF);  // 显式类型转换
    command[3] = (uint8_t)(address & 0xFF);         // 显式类型转换
    command[4] = value ? 0xFF : 0x00;
    command[5] = 0x00;
    uint16_t crc = crc16(command, 6);
    command[6] = (uint8_t)(crc & 0xFF);             // 显式类型转换
    command[7] = (uint8_t)(crc >> 8);               // 显式类型转换
    struct timespec ts;
    clock_gettime(CLOCK_REALTIME, &ts);
    ts.tv_sec += 2;
    int lock_result = pthread_mutex_timedlock(&serial_mutex, &ts);
    if (lock_result != 0) {
        printf("获取串口锁超时，继电器控制被延迟\n");
        return -1;
    }
    tcflush(fd, TCIFLUSH);
    int bytes_written = write(fd, command, 8);
    if (bytes_written != 8) {
        perror("发送命令失败");
        pthread_mutex_unlock(&serial_mutex);
        return -1;
    }
    usleep(100000);
    uint8_t response[8];
    int bytes_read = read(fd, response, sizeof(response));
    pthread_mutex_unlock(&serial_mutex);
    
    if (bytes_read > 8;
        int resp_len = read_sensor_data(fd, temp_cmd, 8, response, sizeof(response), max_retries);
        if (resp_len >= 7 && response[0] == 0x01 && response[1] == 0x03 && response[2] == 0x04) {
            sensor_data.humidity = ((response[3]= 5 && response[0] == 0x03 && response[1] == 0x03 && response[2] == 0x02) {
            sensor_data.lux = (response[3] 1) ^ 0xA001;
            }
            else {
                crc >>= 1;
            }
        }
    }
    return crc;
}
// 发送Modbus RTU指令并接收响应
int send_modbus_command(int fd, unsigned char* command, int cmd_len, unsigned char* response, int resp_len) {
    fd_set readfds;
    struct timeval timeout;
    printf("发送指令: ");
    for (int i = 0; i  0) {
                printf("接收响应: ");
                for (int i = 0; i = 5) {
            unsigned short resp_crc = (response[response_len - 2] | (response[response_len - 1] > 8) & 0xFF);  // 显式类型转换
    command[3] = (uint8_t)(address & 0xFF);         // 显式类型转换
    command[4] = value ? 0xFF : 0x00;
    command[5] = 0x00;
    uint16_t crc = crc16(command, 6);
    command[6] = (uint8_t)(crc & 0xFF);             // 显式类型转换
    command[7] = (uint8_t)(crc >> 8);               // 显式类型转换
    struct timespec ts;
    clock_gettime(CLOCK_REALTIME, &ts);
    ts.tv_sec += 2;
    int lock_result = pthread_mutex_timedlock(&serial_mutex, &ts);
    if (lock_result != 0) {
        printf("获取串口锁超时，继电器控制被延迟\n");
        return -1;
    }
    tcflush(fd, TCIFLUSH);
    int bytes_written = write(fd, command, 8);
    if (bytes_written != 8) {
        perror("发送命令失败");
        pthread_mutex_unlock(&serial_mutex);
        return -1;
    }
    usleep(100000);
    uint8_t response[8];
    int bytes_read = read(fd, response, sizeof(response));
    pthread_mutex_unlock(&serial_mutex);
    if (bytes_read > 8;
        int resp_len = read_sensor_data(fd, temp_cmd, 8, response, sizeof(response), max_retries);
        if (resp_len >= 7 && response[0] == 0x01 && response[1] == 0x03 && response[2] == 0x04) {
            sensor_data.humidity = ((response[3]  8;
        resp_len = read_sensor_data(fd, co_cmd, 8, response, sizeof(response), max_retries);
        if (resp_len >= 5 && response[0] == 0x02 && response[1] == 0x03 && response[2] == 0x02) {
            sensor_data.co = (response[3] > 8;
        resp_len = read_sensor_data(fd, light_cmd, 8, response, sizeof(response), max_retries);
        if (resp_len >= 5 && response[0] == 0x03 && response[1] == 0x03 && response[2] == 0x02) {
            sensor_data.lux = (response[3]

免责声明：我们致力于保护作者版权，注重分享，被刊用文章因无法核实真实出处，未能及时与作者取得联系，或有版权异议的，请联系管理员，我们会立即处理! 部分文章是来自自研大数据AI进行生成,内容摘自(百度百科,百度知道,头条百科,中国民法典,刑法,牛津词典,新华词典,汉语词典,国家院校,科普平台)等数据,内容仅供学习参考,不准确地方联系删除处理! 图片声明：本站部分配图来自人工智能系统AI生成,觅知网授权图片,PxHere摄影无版权图库和百度，360，搜狗等多加搜索引擎自动关键词搜索配图，如有侵权的图片，请第一时间联系我们。