【嵌入式开发学习】第15天：综合项目实战（智能环境监测终端）-优快云博客

核心目标：整合前 14 天所有核心技术（传感器采集、多任务管理、本地存储、网络通信、工业协议、低功耗），开发一个 “智能环境监测终端”—— 实现温湿度实时采集、本地日志存储、工业总线（Modbus）与云平台（阿里云）双路数据上传、远程 / 本地阈值控制、低功耗优化的完整系统，体验从 “模块开发” 到 “系统集成” 的全流程，模拟真实嵌入式产品的开发逻辑。

一、项目需求与整体架构（30 分钟）

1. 核心功能清单

数据采集：AHT10 传感器 1 秒采集一次温湿度，支持本地校准（±0.5℃/±2% RH）；
存储功能：SD 卡日志（按小时生成文件，格式：20251106_10.log），记录时间戳 + 温湿度 + 报警状态；
双路上传：
- 工业侧：作为 Modbus 从机（地址 0x01），支持 PLC 通过 RS485 读取数据、修改阈值；
- 云端：通过 ESP8266 每 30 秒向阿里云 IoT 平台上传数据，支持手机 APP 查看；
报警功能：温湿度超阈值时，LED 闪烁 + 蜂鸣器报警，同时日志标记 “ALARM”；
低功耗优化：无操作时 30 秒后进入停止模式（功耗≤50μA），可通过按键或 Modbus 指令唤醒；
配置管理：SD 卡config.ini存储 WiFi 密码、Modbus 地址、报警阈值等，掉电保留。

2. 硬件架构（整合多外设）

外设模块	核心功能	与 STM32 连接方式	关键参数
AHT10	温湿度采集	I2C1（PB6=SCL，PB7=SDA）	精度 ±0.3℃/±2% RH
SD 卡模块	日志存储	SPI1（PA5=SCK，PA6=MISO，PA7=MOSI，PA4=CS）	FAT32 格式，最大 32GB
ESP8266	阿里云上传	USART2（PA2=TX，PA3=RX）	波特率 115200，支持 MQTT
RS485 模块	Modbus 从机通信	USART1（PA9=TX，PA10=RX，PA8=DE/RE）	波特率 9600，地址 0x01
按键	唤醒 / 校准	PA0（唤醒）、PA1（校准）	下拉输入，长按触发校准
LED + 蜂鸣器	报警指示	PC13（LED）、PB8（蜂鸣器）	低电平触发
RTC	时间戳生成	LSE（32.768kHz 晶振）	误差≤1 分钟 / 天

3. 软件架构（FreeRTOS 任务分配）

采用 “高内聚低耦合” 设计，用 5 个任务实现功能拆分，通过全局变量 + 消息队列通信：

任务名称	优先级	核心功能	周期 / 触发方式
数据采集任务	3	读 AHT10、校准补偿、更新全局数据	1 秒定时
存储日志任务	2	将数据写入 SD 卡，按小时切分文件	10 秒定时
通信转发任务	2	向 Modbus 主机和阿里云双路上传数据	30 秒定时
报警处理任务	4	对比数据与阈值，触发 LED + 蜂鸣器报警	200ms 轮询
系统管理任务	1	处理按键输入、低功耗控制、配置文件读取	500ms 轮询

任务间通信：

全局变量：env_data（存储最新温湿度、时间戳、报警状态）；
消息队列：cmd_queue（接收 Modbus / 云端的控制指令，如修改阈值）。

二、核心模块代码实现（90 分钟，整合关键逻辑）

1. 全局数据结构与初始化

/* USER CODE BEGIN 0 */
#include <string.h>
#include <stdio.h>
#include "ff.h"
#include "rtc.h"
#include "aht10.h"    // 复用AHT10驱动
#include "modbus.h"   // 复用Modbus从机代码
#include "esp8266.h"  // 复用ESP8266控制代码
#include "fatfs.h"    // 复用FATFS文件操作

// 环境数据结构体（任务间共享）
typedef struct {
  float temp;       // 温度（℃）
  float humi;       // 湿度（%RH）
  RTC_TimeTypeDef time;  // 时间
  RTC_DateTypeDef date;  // 日期
  uint8_t alarm;    // 报警状态（0=正常，1=温度超标，2=湿度超标，3=双超标）
} EnvData;
EnvData env_data = {0};

// 系统配置结构体（从config.ini读取）
typedef struct {
  float temp_th;    // 温度阈值（℃）
  float humi_th;    // 湿度阈值（%RH）
  char wifi_ssid[32];  // WiFi名称
  char wifi_pwd[32];   // WiFi密码
  uint8_t modbus_addr; // Modbus地址
} SysConfig;
SysConfig sys_cfg = {30.0, 60.0, "IoT_AP", "12345678", 0x01};

// FreeRTOS消息队列（存储控制指令）
QueueHandle_t cmd_queue;
/* USER CODE END 0 */

2. 数据采集任务（含校准逻辑）

// 数据采集任务：读传感器→校准→更新全局数据
void DataCollect_Task(void const * argument) {
  AHT10_Init(&hi2c1);  // 初始化传感器
  float temp_offset = 0.0, humi_offset = 0.0;  // 校准偏移量（默认0）
  
  for(;;) {
    // 1. 读取原始温湿度
    AHT10_ReadData(&hi2c1, &env_data.temp, &env_data.humi);
    
    // 2. 应用校准偏移（通过按键触发校准，此处简化为固定值）
    env_data.temp += temp_offset;
    env_data.humi += humi_offset;
    
    // 3. 获取当前时间戳
    HAL_RTC_GetTime(&hrtc, &env_data.time, RTC_FORMAT_BIN);
    HAL_RTC_GetDate(&hrtc, &env_data.date, RTC_FORMAT_BIN);
    
    vTaskDelay(1000);  // 1秒周期
  }
}

3. 存储日志任务（按小时切分文件）

// 存储日志任务：按时间创建文件，写入带报警标记的数据
void LogStore_Task(void const * argument) {
  FIL log_file;
  FRESULT fr;
  UINT bw;
  char file_name[32], log_buf[128];
  uint8_t last_hour = 25;  // 初始值（大于23）
  
  for(;;) {
    // 1. 检查是否需要创建新文件（小时变化时）
    if (env_data.time.Hours != last_hour) {
      // 格式化文件名：20251106_10.log（年月日_小时）
      sprintf(file_name, "0:%04d%02d%02d_%02d.log", 
              2000+env_data.date.Year, env_data.date.Month, env_data.date.Date,
              env_data.time.Hours);
      // 关闭之前的文件（若存在）
      if (last_hour != 25) f_close(&log_file);
      // 打开新文件（追加模式）
      fr = f_open(&log_file, file_name, FA_WRITE | FA_OPEN_APPEND | FA_CREATE_ALWAYS);
      if (fr != FR_OK) {
        HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t*)"日志文件创建失败！\r\n", 18, 100);
      }
      last_hour = env_data.time.Hours;
    }
    
    // 2. 格式化日志内容（含报警标记）
    sprintf(log_buf, "%04d-%02d-%02d %02d:%02d:%02d, temp=%.1f, humi=%.1f, alarm=%d\r\n",
            2000+env_data.date.Year, env_data.date.Month, env_data.date.Date,
            env_data.time.Hours, env_data.time.Minutes, env_data.time.Seconds,
            env_data.temp, env_data.humi, env_data.alarm);
    
    // 3. 写入当前日志文件
    if (f_write(&log_file, log_buf, strlen(log_buf), &bw) != FR_OK) {
      HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t*)"日志写入失败！\r\n", 16, 100);
    }
    
    vTaskDelay(10000);  // 10秒周期
  }
}

4. 通信转发任务（双路上传）

// 通信转发任务：向Modbus主机和阿里云上传数据
void CommForward_Task(void const * argument) {
  // 初始化Modbus从机和ESP8266
  Modbus_Init(sys_cfg.modbus_addr);  // 从配置读取地址
  ESP8266_Init(sys_cfg.wifi_ssid, sys_cfg.wifi_pwd);  // 从配置读取WiFi信息
  Aliyun_Connect();  // 连接阿里云
  
  char mqtt_payload[128];
  for(;;) {
    // 1. Modbus从机：更新保持寄存器（供PLC读取）
    modbus_hold_reg[0] = (uint16_t)(env_data.temp * 10);  // 温度放大10倍
    modbus_hold_reg[1] = (uint16_t)(env_data.humi * 10);  // 湿度放大10倍
    modbus_hold_reg[2] = sys_cfg.temp_th * 10;            // 温度阈值
    modbus_hold_reg[3] = sys_cfg.humi_th * 10;            // 湿度阈值
    
    // 2. 阿里云：发布JSON格式数据
    sprintf(mqtt_payload, "{\"temp\":%.1f,\"humi\":%.1f,\"alarm\":%d}",
            env_data.temp, env_data.humi, env_data.alarm);
    Aliyun_Publish(mqtt_payload);  // 发布到云平台
    
    vTaskDelay(30000);  // 30秒周期
  }
}

5. 报警处理任务（实时响应）

// 报警处理任务：对比阈值，触发报警
void AlarmHandle_Task(void const * argument) {
  uint8_t last_alarm = 0;
  for(;;) {
    // 1. 判断报警状态
    env_data.alarm = 0;
    if (env_data.temp > sys_cfg.temp_th) env_data.alarm |= 1;
    if (env_data.humi > sys_cfg.humi_th) env_data.alarm |= 2;
    
    // 2. 报警状态变化时执行动作
    if (env_data.alarm != last_alarm) {
      if (env_data.alarm != 0) {
        // 超标：LED闪烁+蜂鸣器鸣叫
        HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_8, GPIO_PIN_RESET);  // 蜂鸣器响
      } else {
        // 恢复正常：关闭报警
        HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_8, GPIO_PIN_SET);    // 蜂鸣器关
        HAL_GPIO_WritePin(GPIOC, GPIO_PIN_13, GPIO_PIN_SET);    // LED灭
      }
      last_alarm = env_data.alarm;
    }
    
    // 3. 报警中：LED闪烁（200ms周期）
    if (env_data.alarm != 0) {
      HAL_GPIO_TogglePin(GPIOC, GPIO_PIN_13);
    }
    
    vTaskDelay(200);  // 200ms周期（快速响应）
  }
}

6. 系统管理任务（配置 + 低功耗）

// 系统管理任务：处理配置、按键、低功耗
void SysManage_Task(void const * argument) {
  uint8_t key_press = 0;
  uint32_t idle_time = 0;  // 空闲计时（毫秒）
  
  // 初始化：读取配置文件
  ReadConfigFromSD(&sys_cfg);
  
  for(;;) {
    // 1. 检测按键（唤醒/校准）
    if (HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA, GPIO_PIN_0) == 0) {  // 唤醒按键
      idle_time = 0;  // 重置空闲计时
      key_press = 1;
    }
    if (HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA, GPIO_PIN_1) == 0) {  // 校准按键（长按2秒）
      // 执行校准逻辑（此处简化为记录当前值为基准）
      HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t*)"开始校准...\r\n", 14, 100);
      vTaskDelay(2000);  // 等待长按
    }
    
    // 2. 处理消息队列（Modbus/云端指令）
    char cmd[32];
    if (xQueueReceive(cmd_queue, cmd, 0) == pdPASS) {
      // 解析指令（如"temp_th=32.0"）
      if (strstr(cmd, "temp_th=")) {
        sscanf(cmd, "temp_th=%f", &sys_cfg.temp_th);
        WriteConfigToSD(&sys_cfg);  // 保存到SD卡
      } else if (strstr(cmd, "humi_th=")) {
        sscanf(cmd, "humi_th=%f", &sys_cfg.humi_th);
        WriteConfigToSD(&sys_cfg);
      }
      idle_time = 0;  // 有指令，不进入低功耗
    }
    
    // 3. 低功耗控制（30秒无操作进入停止模式）
    if (idle_time >= 30000 && !key_press) {
      HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t*)"进入低功耗模式...\r\n", 20, 100);
      EnterStopMode();  // 进入停止模式（唤醒后重新计时）
      idle_time = 0;
    } else {
      idle_time += 500;  // 500ms周期累加
    }
    
    key_press = 0;
    vTaskDelay(500);
  }
}

三、系统测试与优化（60 分钟）

1. 模块测试（逐个验证）

数据采集：用手捂住 AHT10，观察串口输出温湿度是否上升；
日志存储：SD 卡生成按小时命名的日志文件，内容包含时间戳和数据；
Modbus 通信：PLC（或 Modbus Poll）读取寄存器 0x0000-0x0003，验证温湿度和阈值正确；
云平台上传：阿里云 IoT 控制台查看实时数据，手机 APP 同步显示；
报警功能：温湿度超过阈值时，LED 闪烁 + 蜂鸣器鸣叫，日志标记 “alarm=1”；
低功耗：30 秒无操作后，电流从 50mA 降至 50μA 以下，按键可唤醒。

2. 系统联调（解决协同问题）

任务冲突：调整报警任务优先级（4 最高），确保报警响应不被其他任务阻塞；
通信超时：在 ESP8266 和 Modbus 代码中添加重连机制（失败后 10 秒重试）；
存储效率：日志文件按小时切分，避免单文件过大导致写入缓慢；
功耗优化：空闲时关闭 SPI、I2C 等外设时钟，仅保留 RTC 和中断唤醒源。

四、第十五天总结：嵌入式系统开发的核心思维（20 分钟）

通过这个综合项目，你已掌握嵌入式开发的 “系统级思维”：

需求拆解：将复杂功能拆分为独立模块（采集、存储、通信等），降低耦合；
资源分配：根据任务重要性分配 CPU 优先级（如报警任务 > 采集任务）；
容错设计：通信失败重连、存储满提示、传感器异常降级（用默认值）；
优化方向：从 “能用” 到 “好用”（低功耗、日志可读性、配置灵活性）。

进阶方向

这个项目可进一步升级为工业级产品：

增加甲醛、PM2.5 传感器（扩展 I2C/SPI 接口）；
支持 4G 模块（替代 WiFi，适合无网络环境）；
加入硬件加密（保护配置文件和云平台通信）；
实现 OTA 批量升级（通过云平台向多设备推送固件）。

嵌入式开发的终极目标是 “解决实际问题”—— 从理解需求到设计架构，从模块开发到系统优化，每一步都需要结合硬件特性和软件逻辑，这正是嵌入式开发的魅力所在！