题目：基于ESP32和公有云平台的农产品二维码溯源系统

一、项目介绍

摘要
针对传统农产品溯源系统存在的数据采集不实时、信息不透明、成本高、易篡改等问题，本文设计并实现了一种基于ESP32和公有云平台的农产品二维码溯源系统。系统采用“感知层-传输层-云平台层-应用层”四层架构，以ESP32嵌入式芯片为核心，搭载DHT11、GY-30等传感器实现种植环境参数实时采集，通过MQTT协议完成数据无线传输，基于ThingsBoard云平台实现数据存储、可视化与异常告警，借助ZXing库生成唯一溯源二维码，实现农产品从种植、加工到销售的全链条追溯。通过系统测试验证，该系统数据采集精度高、传输稳定，二维码扫码响应时间≤1秒，数据传输成功率≥98%，单套采集终端成本控制在200元以内，具备低成本、易推广、高可靠的特点，可有效解决传统溯源模式的痛点，为农产品质量安全监管提供技术支撑，助力智慧农业高质量发展。
关键词：ESP32；农产品溯源；物联网；MQTT协议；二维码

研究内容与技术路线
本研究围绕基于ESP32和公有云平台的农产品二维码溯源系统展开，核心研究内容包括四大方面，兼顾技术实现与实际应用，确保系统的可行性、实用性和经济性。第一，系统需求分析与技术选型。通过调研农产品生产、流通、监管各环节的核心需求，明确系统的功能需求、性能需求和安全需求；结合成本控制与技术适配性，完成核心技术选型，包括ESP32嵌入式开发平台、MQTT物联网通信协议、ThingsBoard公有云平台及二维码编码解码技术，构建系统的技术框架。
第二，系统总体设计与模块划分。基于需求分析结果，确定系统的设计目标与原则，构建“感知层-传输层-云平台层-应用层”的四层架构；划分硬件采集模块、数据传输模块、云平台存储与处理模块、二维码生成与解析模块、用户交互模块五大功能模块，明确各模块的核心功能与交互逻辑，设计系统的整体工作流程，确保各环节数据无缝衔接。
第三，系统硬件与软件的设计实现。硬件层面，完成ESP32主控模块、环境感知传感器模块（土壤温湿度、光照、农药残留等）的电路设计，实现传感器与主控模块的接口适配，完成硬件组装与调试，确保数据采集的准确性和稳定性。软件层面，开发ESP32嵌入式端数据采集与传输程序，实现传感器数据的实时采集、预处理与MQTT协议传输；配置公有云平台，实现数据存储、解析、可视化展示与异常预警功能；开发二维码生成与解析程序，为每批农产品生成唯一溯源二维码，实现溯源信息的便捷查询。
第四，系统测试与优化。搭建系统测试环境，设计功能测试、性能测试和兼容性测试方案，对硬件模块的采集精度、数据传输的稳定性、云平台的响应速度及二维码溯源的准确性进行全面测试；分析测试结果，针对存在的问题进行优化调整，提升系统的可靠性和实用性，最终形成一套低成本、易推广、全链条的农产品二维码溯源解决方案。
本研究采用“理论调研-需求分析-方案设计-开发实现-测试优化”的技术路线，确保研究工作有序推进。首先，通过查阅国内外相关文献、调研行业现状，明确研究背景、意义与研究切入点；其次，开展需求调研，完成技术选型与系统总体设计；再次，分模块实现硬件电路设计、嵌入式程序开发、云平台配置及二维码功能开发；最后，通过系统测试发现问题并优化，形成研究成果，为农产品溯源技术的推广应用提供实践参考。整个研究过程注重理论与实践结合，兼顾技术先进性与实际适用性，确保系统能够真正服务于农业生产实践。

二、文档介绍

三、项目截图

C++
#include <Arduino.h>
#include <DHT.h>
#include <BH1750.h>
#include <Wire.h>

// 传感器引脚定义
#define DHT11_PIN 15
#define SOIL_PIN 36
// 传感器对象初始化
DHT dht(DHT11_PIN, DHT11);
BH1750 lightMeter;

// 全局变量定义
float airTemp, airHum, lightVal, soilHum;
unsigned long lastCollectTime = 0;
const int collectInterval = 5000; // 采集间隔5秒

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  dht.begin();
  Wire.begin(4, 32); // I2C引脚初始化
  lightMeter.begin();
  pinMode(SOIL_PIN, INPUT);
}

void loop() {
  // 定时采集数据
  if (millis() - lastCollectTime >= collectInterval) {
    lastCollectTime = millis();
    // 采集传感器数据
    airTemp = dht.readTemperature();
    airHum = dht.readHumidity();
    lightVal = lightMeter.readLightLevel();
    soilHum = map(analogRead(SOIL_PIN), 0, 4095, 100, 0); // 土壤湿度值转换
    
    // 滑动平均滤波预处理
    static float tempBuf[5], humBuf[5], lightBuf[5], soilBuf[5];
    static int bufIndex = 0;
    tempBuf[bufIndex] = airTemp;
    humBuf[bufIndex] = airHum;
    lightBuf[bufIndex] = lightVal;
    soilBuf[bufIndex] = soilHum;
    bufIndex = (bufIndex + 1) % 5;
    
    // 计算平均值
    airTemp = (tempBuf[0]+tempBuf[1]+tempBuf[2]+tempBuf[3]+tempBuf[4])/5;
    airHum = (humBuf[0]+humBuf[1]+humBuf[2]+humBuf[3]+humBuf[4])/5;
    lightVal = (lightBuf[0]+lightBuf[1]+lightBuf[2]+lightBuf[3]+lightBuf[4])/5;
    soilHum = (soilBuf[0]+soilBuf[1]+soilBuf[2]+soilBuf[3]+soilBuf[4])/5;
    
    // 封装为JSON格式
    String jsonData = "{\"deviceId\":\"ESP32_001\",\"time\":" + String(millis()) + 
                      ",\"airTemp\":" + String(airTemp) + 
                      ",\"airHum\":" + String(airHum) + 
                      ",\"lightVal\":" + String(lightVal) + 
                      ",\"soilHum\":" + String(soilHum) + "}";
    Serial.println(jsonData);
    // 调用MQTT传输函数发送数据
    sendMqttData(jsonData);
  }
}

// MQTT数据发送函数（声明）
void sendMqttData(String data);

C++
#include <WiFi.h>
#include <PubSubClient.h>

// WiFi与MQTT配置
const char* ssid = "Agriculture_WiFi";
const char* password = "12345678";
const char* mqttServer = "thingsboard.cloud";
const int mqttPort = 1883;
const char* mqttToken = "A1_TEST_TOKEN_001";

WiFiClient espClient;
PubSubClient client(espClient);

void setupWiFi() {
  delay(10);
  WiFi.begin(ssid, password);
  while (WiFi.status() != WL_CONNECTED) {
    delay(500);
    Serial.print(".");
  }
  Serial.println("\nWiFi connected");
}

void callback(char* topic, byte* payload, unsigned int length) {
  // 处理云平台下发的RPC指令
  Serial.print("Message arrived: ");
  for (int i = 0; i < length; i++) {
    Serial.print((char)payload[i]);
  }
  // 解析指令，如调整采集间隔
  // 此处省略指令解析逻辑
}

void reconnect() {
  while (!client.connected()) {
    Serial.print("Connecting to MQTT...");
    if (client.connect("ESP32_001", mqttToken, "")) {
      Serial.println("connected");
      // 订阅RPC指令主题
      client.subscribe("v1/devices/me/rpc/request/+");
    } else {
      Serial.print("failed, rc=");
      Serial.print(client.state());
      Serial.println(" try again in 5 seconds");
      delay(5000);
    }
  }
}

void sendMqttData(String data) {
  if (!client.connected()) {
    reconnect();
  }
  client.loop();
  // 发布遥测数据至ThingsBoard
  client.publish("v1/devices/me/telemetry", data.c_str());
}

void setup() {
  // 其他初始化代码...
  client.setServer(mqttServer, mqttPort);
  client.setCallback(callback);
  setupWiFi();
}

void loop() {
  if (!client.connected()) {
    reconnect();
  }
  client.loop();
  // 其他业务逻辑...
}

Python
import qrcode
import requests

# 配置参数
THINGSBOARD_URL = "https://thingsboard.cloud/api"
API_TOKEN = "ADMIN_TOKEN"
BATCH_ID = "BATCH_20240501_001"

# 生成溯源信息链接
trace_url = f"{THINGSBOARD_URL}/plugins/telemetry/DEVICE/ESP32_001/values/timeseries?keys=airTemp,airHum,lightVal,soilHum&batchId={BATCH_ID}"
# 生成二维码
qr = qrcode.QRCode(
    version=1,
    error_correction=qrcode.constants.ERROR_CORRECTION_M,
    box_size=10,
    border=4,
)
qr.add_data(trace_url)
qr.make(fit=True)
img = qr.make_image(fill_color="black", back_color="white")
img.save(f"trace_qr_{BATCH_ID}.png")

# 将二维码链接关联至批次资产
headers = {"Content-Type": "application/json", "X-Authorization": f"Bearer {API_TOKEN}"}
data = {"qr_url": f"/static/qr/trace_qr_{BATCH_ID}.png"}
requests.post(f"{THINGSBOARD_URL}/plugins/telemetry/ASSET/{BATCH_ID}/values/attributes", headers=headers, json=data)