1.整体设备

2.硬件清单：

一、主控单元（边缘网关）

硬件名称 型号/规格 数量 备注
小熊派开发板 BearPi-HM Nano（搭载 Hi3861 芯片，支持 OpenHarmony LiteOS） 1块 核心控制单元，集成 Wi-Fi，负责数据采集、设备控制、MQTT 通信

二、传感器模块（环境感知层）

硬件名称 型号/规格 接口 数量 备注
温湿度传感器 SHT30 I2C 1个 测量空气温度（±0.2℃）和湿度（±2% RH）。本项目同时用于模拟土壤温湿度
光照强度传感器 BH1750 I2C 1个 测量光照强度（0~65535 lux），用于自动补光闭环控制
二氧化碳浓度传感器 JW01-CO2-V2.2 ADC 1个 NDIR 原理，测量范围 0~5000 ppm，用于通风联动控制

⚠️ 注：系统设计文档中提及的“电容式土壤湿度传感器”和“DS18B20土壤温度传感器”在本项目中未实际部署，土壤温湿度通过 SHT30 数据线性映射模拟实现。

三、执行设备（控制执行层）

硬件名称 型号/规格 控制方式 数量 备注
LED 补光灯 3W 白光 LED 灯带/模组 PWM（GPIO_9） 1路 用于自动补光，亮度 0~100% 可调
微型水泵 5V 直流隔膜水泵 GPIO_4 + 继电器 1个 用于环境湿度控制（空气加湿）
常闭式电磁水阀 5V 直流，1/4英寸 GPIO_5 + 继电器 1个 用于土壤灌溉控制
直流风扇 5V 轴流风扇（40×40×10mm） GPIO_8 + 继电器 1个 用于 CO₂ 超标时强制通风
微型舵机 SG90（9g） PWM（GPIO_7） 1个 控制通风口盖板开合角度（0~180°）

继电器模块：建议选用 5V 低电平触发 光耦隔离继电器，用于水泵、水阀、风扇的强弱电隔离控制。

四、其他配件与工具

名称 规格说明 数量 备注
电源适配器 5V / 3A（USB） + 12V / 2A（可选） 各1个 5V 为主控与部分执行器供电；12V 用于大功率设备（可统一为5V执行器简化供电）
电源线/杜邦线 母对母、公对母 若干 连接传感器、继电器、开发板
USB 数据线 Micro-USB 1根 烧录程序、供电、串口调试
亚克力模型 约 40×30×30 cm 1套 微缩温室大棚模型，用于演示与测试
硅胶管 内径 3~5 mm 若干 水泵输水、滴灌
水箱/水瓶 小型容器 1个 水源
万用表 可选（如 UT61E） 1台 调试与测试电压、通断
照度计 可选（如 AR824） 1台 校准 BH1750 光照传感器
串口调试模块 CH340 1个 查看系统日志，调试开发板

五、硬件清单汇总（核心系统）

类别 硬件名称 数量
主控 小熊派 BearPi-HM Nano 1
传感器 SHT30 1
传感器 BH1750 1
传感器 JW01-CO2-V2.2 1
执行器 LED 补光灯（PWM） 1
执行器 微型水泵（5V） 1
执行器 常闭电磁水阀（5V） 1
执行器 直流风扇（5V） 1
执行器 舵机 SG90 1
控制 5V 继电器模块 3
供电 5V/3A 电源适配器 1
结构 亚克力微缩温室模型 1

六、说明

  1. 土壤数据：本系统未使用真实土壤传感器，土壤温湿度通过 SHT30 空气温湿度线性映射模拟，满足竞赛演示与灌溉算法验证需求。

  2. 电源：建议统一使用 5V 执行器，可简化供电为单路 5V/3A 适配器。

  3. 扩展性：I2C 总线、ADC、GPIO、PWM 接口均有剩余，可扩展 pH 传感器、叶面湿度传感器、摄像头等设备。

  4. 部署环境：需保证 2.4GHz Wi-Fi 覆盖，系统支持断网本地自治运行。

3.硬件接线：

说明：

  • 所有 GPIO 输出默认配置为低电平有效（继电器模块为低电平触发，LED/舵机由 PWM 直接驱动）

  • 继电器模块使用 5V 低电平触发 类型（光耦隔离）

  • 电源建议：5V/3A 统一供电（执行器尽量选用 5V 版本）

一、传感器接线

1. SHT30 温湿度传感器（板载）

  • 位置：固定在小熊派开发板背面，无需外部接线

  • 内部 I2C 连接对应引脚：

    • SCL → GPIO_2（I2C 时钟）

    • SDA → GPIO_3（I2C 数据）

    • VCC → 3.3V

    • GND → GND

2. BH1750 光照传感器（外接）

BH1750 引脚 小熊派引脚 说明
VCC 3.3V 电源正极
GND GND 电源负极
SCL GPIO_2 I2C 时钟线
SDA GPIO_3 I2C 数据线
ADDR GND 设置 I2C 地址为 0x23

注意：I2C 总线与 SHT30 共用，设备地址不同，可同时工作。

3. JW01-CO2-V2.2 二氧化碳传感器（外接）

CO2 传感器引脚 小熊派引脚 说明
+5V 5V 电源正极（5V）
G GND 电源负极
A GPIO_13 模拟信号输出（ADC 通道 4）
B 不接 串口 TXD（本系统不使用）

模拟电压 0~3.0V 对应 CO2 浓度 0~5000 ppm。

二、执行器接线

1. LED 补光灯（PWM 调光）

LED 引脚 小熊派引脚 说明
VCC 5V 电源正极
GND GND 电源负极
PWM GPIO_9 PWM 调光信号（频率 1kHz）

2. 水泵（继电器控制）

继电器模块接线（低电平触发）：

继电器引脚 小熊派引脚 说明
VCC 5V 继电器模块电源
GND GND 模块地线
IN GPIO_4 控制信号（低电平开启）

水泵负载接线：

水泵线 继电器端子 说明
正极（红） COM（公共端） -
负极（黑） 电源负极（GND） 直接接电源地
- NO（常开端） 接电源正极（5V 或 12V）
- NC（常闭端） 不接

3. 水阀（继电器控制）

继电器引脚 小熊派引脚 说明
VCC 5V 电源
GND GND 地线
IN GPIO_5 控制信号（低电平开启）

水阀负载接线与水泵相同：

  • 水阀正极 → 继电器 COM

  • 水阀负极 → 电源 GND

  • 继电器 NO → 电源正极

4. 风扇（继电器控制）

继电器引脚 小熊派引脚 说明
VCC 5V 电源
GND GND 地线
IN GPIO_8 控制信号（低电平开启）

风扇负载接线同上。

5. 舵机 SG90（PWM 控制）

舵机引脚（颜色） 小熊派引脚 说明
橙色/黄色（信号） GPIO_7 PWM 控制信号（50Hz）
红色（正极） 5V 电源正极
棕色/黑色（负极） GND 电源负极

三、电源汇总

电源线 连接对象
5V / 3A 适配器 小熊派开发板（USB 口或 5V 引脚）
5V 排针（开发板引出） BH1750、继电器模块（VCC）、舵机（VCC）、LED（VCC）
3.3V 排针（开发板引出） SHT30（板载已接）、BH1750（VCC 可选 3.3V）
GND（共地） 所有传感器、继电器、执行器的 GND 必须与开发板 GND 连接

⚠️ 如果使用 12V 水泵/水阀/风扇，需增加 12V 独立电源，并将继电器负载侧接 12V，同时将 12V 电源的 GND 与开发板 GND 单点共地。

四、接线结构简图（核心连接）

text

小熊派 BearPi-HM Nano
├─ GPIO_2 (SCL)  ──┬─ SHT30 SCL
│                  └─ BH1750 SCL
├─ GPIO_3 (SDA)  ──┬─ SHT30 SDA
│                  └─ BH1750 SDA
├─ GPIO_13 (ADC)   ── CO2 传感器 (A)
├─ GPIO_9 (PWM)    ── LED 补光灯 (PWM)
├─ GPIO_7 (PWM)    ── 舵机 SG90 (信号)
├─ GPIO_4          ── 继电器1 (IN)  ── 水泵
├─ GPIO_5          ── 继电器2 (IN)  ── 水阀
├─ GPIO_8          ── 继电器3 (IN)  ── 风扇
├─ 5V              ── 为 BH1750、继电器、舵机、LED 供电
├─ 3.3V            ── 为 SHT30（板载）供电
└─ GND (公共地)    ── 所有模块 GND 汇集

五、接线检查清单

  • I2C 总线（GPIO_2/GPIO_3）仅连接 SHT30 和 BH1750，无冲突

  • 继电器 IN 引脚默认高电平，低电平触发，确保上电时设备不误动作

  • 舵机信号线单独走线，避免与 ADC 信号（GPIO_13）并行

  • 所有模块的 GND 与开发板 GND 连通

  • 电源容量：5V/3A 可满足 5V 执行器同时工作（峰值约 2.2A）

  • 继电器负载侧接线时，电源适配器处于断电状态

4.通信协议

一、云平台通信（MQTT over TLS）

  • 协议：MQTT v3.1.1，QoS=1，心跳60秒，断线指数退避重连。

  • 主题：

    • 属性上报：$oc/devices/{device_id}/sys/properties/report（每30秒或变化触发）

    • 命令接收：$oc/devices/{device_id}/sys/commands/#

  • 安全：TLS 1.2加密，一机一密认证。

二、板级外设通信

  • I2C（100 kHz）：SHT30（地址0x44）、BH1750（地址0x23），分别读取温湿度、光照。

  • ADC（10 Hz）：GPIO_13采集CO₂传感器（0~3V → 0~5000ppm）。

  • GPIO（低电平有效）：GPIO4/5/8分别控制水泵、水阀、风扇。

  • PWM：

    • GPIO9（1 kHz）控制LED亮度（0~100%）。

    • GPIO7（50 Hz）控制舵机角度（0.5~2.5ms脉宽对应0~180°）。

三、性能与可靠性

  • 端到端延迟：本地控制<10ms，远程<200ms。

  • 断网本地自治，恢复后补传数据（最多1000条），送达率≥99.9%。

# iot # 嵌入式硬件 # 物联网
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