智能植物物联网：Arduino 与 Azure 构建连接温室

元件与材料

应用与在线服务

• Microsoft Azure
• Microsoft Visual Studio 2015

项目简介

更新于 2019 中美青年创客大赛。园艺虽有趣，但许多人觉得麻烦。本文指导构建智能 IoT 植物监测系统：传感器数据经 Helium 网络上传 Azure IoT Hub，通过 Azure Functions 存入 Azure SQL，同时支持自动/远程控制浇水。整个流程无服务器，仅需 Azure Function 和 Arduino 代码。

步骤 1：准备元件

• Arduino UNO
• Seeed Grove Base Shield
• Helium Atom + Element + Arduino 扩展板
• 蠕动泵 (12V)
• 温湿度、土壤湿度、紫外光传感器
• Grove OLED 显示屏

步骤 2：搭建 Arduino + Helium + 传感器

在 Helium Network Dashboard 注册 Atom 和 Element（作为接入点）。连接所有传感器与 Helium Atom，接线完成后运行测试代码验证通信。代码每 60 秒采集一次湿度、光照、温度、湿度，通过 Helium 通道发送至云端，OLED 显示实时数值。土壤湿度低于阈值 (100) 自动触发继电器驱动水泵 5 秒。水泵需 12V，从电源适配器引出两线接继电器控制。

步骤 3：配置 Helium Hub 与 Azure IoT Hub

在 Azure 创建 IoT Hub (标准层或免费层)，获取共享访问策略连接字符串 (RegistryReadWrite)。在 Helium Dashboard 创建连接，粘贴连接字符串自动配置 MQTT 主题。通过 helium-cli 测试从 Atom 发送消息到 Azure。

步骤 4：创建 Azure SQL 数据库

创建 SQL 数据库 (Basic 层)，建表 SmartPlant 存储温度、湿度、土壤湿度、光照、时间戳。获取连接字符串备用。

步骤 5：创建 Azure Function App

新建 Function App (消费计划)，添加应用设置 sqldb_connection 存放 SQL 连接串。创建 Event Hub 触发函数 (C#)，解析 IoT Hub 消息 (Moisture, UVLight, Temperature, Humidity) 插入 SQL 表。再创建 HTTP 触发函数 (GET /api/smartplant) 查询最新 100 条记录返回 JSON，供前端调用。

步骤 6：前端 UI

开发简单 Android App 调用 HTTP API 显示四传感器数值，并可远程触发浇水。数据每 60 秒更新。Arduino 外壳封装后置于植物旁。

额外：Alexa 集成

可扩展语音控制查询植物状态。

代码

Arduino 主程序

#include "Arduino.h"
#include "Board.h"
#include "Helium.h"
#include "HeliumUtil.h"
#include 
#include "Wire.h"
#include 
#include 
#define CHANNEL_NAME "Azure IoT App"
Helium helium(&atom_serial);
Channel channel(&helium);
int relay = 5;
void setDisplayToOriginalState() { SeeedGrayOled.init(SSD1327); }
void setup() {
  Serial.begin(9600); pinMode(relay, OUTPUT); delay(150);
  TH02.begin(); delay(100);
  Serial.println("TH02_dev is available.\n");
  helium.begin(HELIUM_BAUD_RATE);
  helium_connect(&helium);
  channel_create(&channel, CHANNEL_NAME);
  Wire.begin();
}
void loop() {
  int moisture=0, uvlight=0;
  for(int i=0;i<32;i++) moisture+=analogRead(A0);
  for(int i=0;i<32;i++) uvlight+=analogRead(A1);
  float temper=TH02.ReadTemperature();
  float humidity=TH02.ReadHumidity();
  String dataString="Moisture="+String(moisture)+"&UVLight="+String(uvlight)+"&Temperature="+String(temper)+"&Humidity="+String(humidity);
  char data[dataString.length()]; dataString.toCharArray(data, dataString.length());
  channel_send(&channel, CHANNEL_NAME, data, strlen(data));
  Serial.println(data);
  setDisplayToOriginalState();
  SeeedGrayOled.clearDisplay(); SeeedGrayOled.setNormalDisplay(); SeeedGrayOled.setVerticalMode();
  SeeedGrayOled.setTextXY(0,0); SeeedGrayOled.putString(("Moisture: "+String(moisture)).c_str());
  SeeedGrayOled.setTextXY(2,0); SeeedGrayOled.putString(("UVLight: "+String(uvlight)).c_str());
  SeeedGrayOled.setTextXY(4,0); SeeedGrayOled.putString((String(temper)+" C").c_str());
  SeeedGrayOled.setTextXY(6,0); SeeedGrayOled.putString(("Humid: "+String(humidity)).c_str());
  if(moisture<100){ digitalWrite(relay,HIGH); delay(5000); digitalWrite(relay,LOW); }
  delay(60000);
}

Azure Functions 代码片段

• Event Hub 触发插入 SQL (C#)
• HTTP GET 查询最新数据 (C#)
• HTTP GET 直接插入测试用 (C#)

完整代码请访问项目仓库：GitHub

原理图

Helium 架构将 IoT 设备直接连接到 Azure IoT Hub：