2025-2026学年第二学期课设报告

开源鸿蒙赋能智慧农业
—— 基于Hi3861与HarmonyOS的智慧大棚控制终端

从传感器采集到手机端实时控制，一套完整的智慧农业物联网系统。
两块开发板各司其职，MQTT 消息中转，HarmonyOS 全功能终端。

嵌入式端 (Hi3861) 应用端 (HarmonyOS) 课设报告 (pdf) 课设报告 (pptx)

项目总体介绍

2025-2026 学年第二学期课程设计报告，汇报人：陈梓睿（Ray Chen）

什么是 Smart Shed？

Smart Shed（智慧大棚）是一套基于开源鸿蒙 OpenHarmony和华为鸿蒙 HarmonyOS NEXT的智慧农业物联网控制系统。 简单来说就是：两块开发板负责感知和控制环境参数，通过 MQTT 协议跟手机 App 实时通信， 最终实现温室里温度、湿度、光照、土壤水分的自动监测与智能调控。

嵌入式端

OpenHarmony + Hi3861 × 2
传感器采集 & 执行器控制

服务端

EMQX MQTT Broker
消息中转 & Topic 路由分发

应用端

HarmonyOS NEXT (API23)
Mate 70 Pro+ / MatePad Pro

01 · 项目总览与技术栈

整体架构、踩过的坑、做了哪些创新

系统架构：软硬协同、垂直整合

嵌入式端采集数据 → 服务端中转消息 → 手机端显示与控制

嵌入式端

OpenHarmony 1.0 Release
Rayawa/rgb @ HiSilicon-Hi3861
Rayawa/soi @ HiSilicon-Hi3861
传感器采集 + OLED 显示
PWM/GPIO 执行控制

服务端

MQTT 5.0 WebSocket
wss://broker.emqx.io:8084
@MQTTX
公网消息中转
Topic 路由分发

应用端

HarmonyOS 6.1.0 (API23)
Smart Shed @ Mate 70 Pro+
Smart Shed @ MatePad Pro 12.2
实时数据显示
手动 / 智能双模式

技术难点

开发过程中实际遇到的问题

嵌入式端

  • 驱动接口版本兼容问题多
  • I2C 总线多设备并发访问会冲突
  • LiteOS-M 线程栈空间和优先级需要反复调

应用端

  • 原文档基于 API7 的 JavaUI，太老了
  • 原代码只能在特定平板上跑，换设备界面就乱
  • 原来一个扩展板只能跑一个元件却设计了四套体系，重构量很大

通信层

  • MQTT 传输不太稳定，报错信息也不明显
  • Hi3861 WiFi 模块老化了，负载能力差
  • 应用侧收发机制写得简陋，几乎没有错误处理，调试全靠猜

创新点

双板分离架构

环境感知板（RGB）和土壤执行板（SOI）物理隔离、逻辑解耦，各管各的又互相配合。

零依赖 MQTT 客户端

HarmonyOS 端完全从 TCP Socket 开始手搓 MQTT 报文，不依赖任何第三方库。

HDS 高级视觉体系

集成鸿蒙官方 Design System 组件库：沉浸式导航、引力动效、光场背景。

手动 / 智能双模式

手动模式自由调档位；智能模式根据阈值自动决策，后台线程安全常驻运行。

Glass 形态适配

额外做了手表端的 Glass 应用形态，沉浸式材质加气态动效。

可靠性保障

离线自动检测（5s 超时）、断线指数退避重连、GlobalLogBus 日志总线全方位兜底。

技术栈

嵌入式 (Hi3861)

Hi3861 HiSilicon OpenHarmony 1.0 LiteOS-M CMSIS-RTOS C GPIO PWM I2C ADC AHT20 SSD1306 Paho MQTT lwIP Wi-Fi STA

服务端 (通信)

MQTT 5.0 WebSocket Secure EMQX Broker TCP Socket JSON Pub/Sub Topic 路由

应用端 (HarmonyOS)

HarmonyOS 6.1.0 API23 ArkTS ArkUI Stage 模型 @StorageLink @ObjectLink HDS UIDesignKit Glass 形态

02 · MQTT 服务端

发布/订阅架构原理与数据流设计

发布/订阅（Pub/Sub）架构

MQTT 是一种轻量级的消息协议，专门为物联网低带宽场景设计的

三方协作机制

Publisher 发布者

嵌入式端 Hi3861 作为发布者，把传感器数据打包成 JSON 发到指定 Topic。

Broker 中转站

EMQX 充当 MQTT Broker，接收消息后按 Topic 规则转发给对应的订阅者。

Subscriber 订阅者

HarmonyOS App 订阅相关 Topic 后就能收到传感器数据，同时也能下发控制指令。

数据流设计

数据怎么从硬件一路跑到手机上，以及操作怎么传回硬件执行

上行：传感器数据 → 手机显示

① 传感器采样

扩展板上的传感器采集原始数据 → ADC 读光照/土壤湿度，I2C 读 AHT20 温湿度

② 打包发送

Hi3861 把数据转成 JSON 格式，通过 MQTT PUBLISH 报文发给 EMQX Broker

③ 路由分发

EMQX 收到消息后按 Topic 规则分发给已订阅的客户端

④ 刷新界面

HarmonyOS 接收并解析消息 → @StorageLink 更新状态 → UI 数字刷新 / 智能模式判断阈值

下行：用户操作 → 硬件执行

① 用户操作或自动触发

手动模式拖滑块调档位，或者智能模式下阈值越界自动生成控制指令

② 打包下发

HarmonyOS 把控制指令转成 MQTT 报文，经 EMQX 分发出去

③ 硬件执行

Hi3861 收到消息后解析主题和内容 → 控制 GPIO/PWM 输出 → 风扇/水泵/补光灯动作

03 · Hi3861 嵌入式端

OpenHarmony LiteOS-M + CMSIS-RTOS 多线程，纯 C 语言开发

两块开发板各司其职

RGB 板（环境感知）

负责"看环境"和"本地显示"

传感器
  • AHT20 温湿度传感器 — I2C 读取温度与湿度
  • 光敏电阻 — ADC 读取光照强度 (0~4095)
执行器
  • RGB 三色灯 — GPIO10/11/12 => PWM1/2/3 控制亮度
本地显示

SSD1306 OLED (128×64) 实时刷新温湿度和光照数据

SOI 板（土壤执行）

负责"测土壤"和"干活"

传感器
  • 土壤湿度传感器（替换安装）— ADC 读取土壤水分
执行器
  • OLED 显示屏 — 本地状态打印
  • 风扇 — PWM 控制转速
  • 水泵 — GPIO 控制开关

项目结构

大分功能、小分模块，清晰好维护

common/ 公共层

Wi-Fi 连接、MQTT 通信、OLED 驱动都放这里。I2C 互斥锁也在这里管理，防止多线程抢总线。

modules/ 业务层

分两个子目录：

  • sensors/ — AHT20、光强、土壤湿度传感器的头文件和程序
  • actuators/ — 风扇、补光灯、水泵的控制程序

boards/ 构建层

两个开发板的 .gn 构建文件统一管理。条件编译按板卡动态启用模块，加新板子只需加个 gn 文件。

多线程架构

CMSIS-RTOS 管理 LiteOS-M 实时内核下的并行任务

主线程入口

  • 系统启动后由 SYS_RUN 创建主线程 smart_shed_all.c，栈大小 8KB
  • 主线程依次初始化并拉起所有子线程：传感器采集、执行器控制、MQTT 通信、OLED 显示
  • 条件编译按板卡配置动态启用对应模块，统一的调度入口

六个子线程并行工作

每个功能模块独立运行在 LiteOS 内核中，各自有栈空间（4KB~8KB）和优先级，互不阻塞：

空气温湿度采集

AHT20 / I2C

光照检测

ADC 采样

土壤湿度读取

ADC 采样

风扇/LED/水泵

GPIO/PWM 控制

OLED 显示刷新

SSD1306 渲染

MQTT 网络通信

Paho 发布/订阅

I2C 互斥锁：解决总线冲突

AHT20 温湿度传感器和 OLED 显示屏共用 I2C0 总线（GPIO13 & GPIO14），两个线程同时访问就会出问题。解决办法：

冲突场景

温湿度采集线程和 OLED 刷新线程同时读写 I2C0，导致数据错乱

解决方案

用 i2c0_lock/unlock 互斥锁，每次读写前后加锁解锁，保证同一时刻只有一个设备占用总线

硬件连接映射

SOI 板（土壤执行）

OLED 状态打印 I2C0-0x78 GPIO13&14 oled_ssd1306.c
土壤湿度 外接探头 ADC_CH4 soil_moisture_task.c
水泵 外接水泵 P06 water_pump_task.c
风扇 外接风扇 P08 fan_task.c

RGB 板（环境感知）

OLED 状态打印 I2C0-0x78 GPIO13&14 oled_ssd1306.c
温湿度传感器 检测空气参数 I2C0-0x44 temp_and_hum_task.c
光敏电阻 检测光照强度 ADC_CH4 light_intensity_task.c
三色灯 RGB 大棚光照控制 GPIO10/11/12=>PWM1/2/3 led_task.c

网络与通信

Wi-Fi 连上 → TCP 通了 → MQTT 收发 → 执行器动起来

通信流程

连 Wi-Fi

连接 SSID "Rayawa"，DHCP 拿到 IP 后进入 lwIP TCP 通信

MQTT 编解码

Paho 库只管报文的编解码，TCP Socket 的完整生命周期得自己管理

上报传感器数据

传感器数据以 JSON 格式上报到 EMQX Broker

执行控制指令

收到 PUBLISH 报文后用 MQTTDeserialize_publish() 解析主题和负载，再通过 mqtt_apply_command() 设置全局变量。执行器线程持续读这些变量来控制 GPIO/PWM，驱动风扇、水泵等设备工作

04 · HarmonyOS 应用端

ArkTS · Stage 模型 · HDS 高级视觉 · 自实现 MQTT 客户端

Smart Shed App

跑在 Mate 70 Pro+ 和 MatePad Pro 上的全功能控制终端

功能一览

手动模式

拖滑块调风扇(0-3档)、水泵(0-3档)、补光灯(0-100%)。进页面自动同步当前档位到开发板，支持触觉反馈。

智能模式

设定温度/湿度/光照/土壤湿度的上下限阈值。定时轮询传感器数据，超范围就自动触发控制。后台常驻线程，退出页面安全销毁防泄漏。

实时监控

MQTT 回调收传感器数据，@StorageLink 状态管理驱动 ArkUI 自动刷新数字显示。

调试面板

GlobalLogBus 事件总线记录通信状态、用户操作和错误信息，方便排查问题。

App 项目结构（Stage 模型）

基于 ArkTS 的分层架构

AppScope/

应用级全局资源和 Hvigor 构建脚本的统一管理入口。

view/ & pages/

ArkTS 构建的 UI 层，包含手动/智能双模式和调试面板的完整界面。

service/

封装 MQTT 客户端（MqttReceiverClient.ts），TCP Socket 直连实现双向通信，零第三方依赖。

viewmodel/

核心数据结构和状态模型，确保 UI 与数据的响应式绑定。

MqttReceiverClient.ts — 从零手写 MQTT 客户端

为什么自己写？

HarmonyOS 端没用任何第三方 MQTT 库，完全从 TCP Socket 开始手搓报文。这样对整个通信过程有完整的掌控力，出问题了也好排查。

协议层

  • 手动拼接 Fixed Header + Variable Header + Payload
  • 实现了 CONNECT / PUBLISH / SUBSCRIBE / PINGREQ 等核心报文
  • 60s KeepAlive 心跳保活
  • MQTT 5.0 over WSS 直连 EMQX 公网 Broker

可靠性保障

  • 断线自动重连 + 指数退避
  • 单 TCP 连接多 Topic 订阅与路由分发
  • @StorageLink 状态管理与 ArkUI 解耦
  • GlobalLogBus 日志总线记录完整通信轨迹

状态与方法

控制状态

集中管理风扇档位、水泵档位、补光灯亮度，@StorageLink 跨页面共享状态。

参数传递

传感器数据和控制指令通过统一格式在 MQTT 层可靠传输。

日志同步

GlobalLogBus 统一收集通信状态、操作记录和异常信息。

生命周期

进页面建连接、退页面销毁线程释放资源，杜绝内存泄漏。

UI 设计：HDS + ArkUI

不只是能用，还要好看

HDS 核心组件

HdsNav 导航栏

沉浸式光场顶部导航，毛玻璃模糊效果

PressShadow 引力动效

按钮按压弹性形变 + 光场扩散反馈

SpringMotion 弹簧动画

分步延迟进入，弹簧曲线入场体验流畅

视觉风格

深色光场

流光背景贯穿全界面，深色模式下氛围感拉满

双栏布局

平板自适应双栏，信息密度和视觉平衡兼顾

动效：引力场

页面切换时的引力场效果，元素间自然的吸引排斥动画。

动效：光场

流光背景+双栏深色全局光场，动态光影随交互流动变化。

动效：转场

淡入淡出+弹性动画，SpringMotion 弹簧曲线丝滑过渡。

响应式布局

ArkUI 响应式栅格系统，自动适配手机和平板两种设备形态：

手机端

单栏纵向滚动，卡片堆叠展示

平板端

双栏并列，充分利用宽屏空间

Smart Shed Glass

智能手表形态 —— 沉浸式材质 + 气态动效

Glass 形态特性

  • 沉浸式材质 — 界面融入表盘玻璃质感
  • 气态动效 — 轻盈飘逸的过渡动画
  • 引力转场 — 保持和主 App 一致的交互语言
  • 双边缘流光 — 表盘两侧动态装饰

HdsButtons 自定义组件

基于 HDS 规范自定义的按钮组件体系，统一 Glass 形态下所有交互元素的视觉表现和触摸反馈。支持多种尺寸和状态样式（默认/按压/禁用），小屏幕上也好用。