基于 STM32 的智能家居嵌入式系统开发实战

原创已于 2025-06-07 19:53:00 修改 · 610 阅读

15 ·

CC 4.0 BY-SA版权

文章标签：

#java #前端 #网络

于 2025-06-07 19:40:00 首次发布

一、项目背景与技术架构

随着物联网技术的快速发展，智能家居系统成为嵌入式领域的热门应用方向。本项目旨在开发一套基于 STM32 微控制器的智能家庭解决方案，实现环境数据采集、设备智能控制、远程监控等核心功能。系统采用 "MCU + 无线通信模块" 的硬件架构，结合 FreeRTOS 实时操作系统和 MQTT 物联网协议，构建高可靠性的嵌入式控制系统。

1.1 系统技术栈

硬件平台：STM32F407ZGT6 核心板（Cortex-M4 内核，168MHz 主频）

通信模块：ESP32-WROOM-32（支持 Wi-Fi / 蓝牙双模）

传感器组：DHT11 温湿度传感器、BMP280 气压传感器、MQ-2 烟雾传感器

执行设备：继电器模块（控制家电）、LED 驱动模块、蜂鸣器报警模块

软件架构：FreeRTOS 实时操作系统 + LwIP 网络协议栈 + MQTT v3.1.1 协议

1.2 系统架构图

二、硬件设计与选型分析

2.1 核心控制器选型

STM32F407ZGT6 作为主控芯片，具备以下优势：

168MHz 高性能内核，支持浮点运算单元 (FPU)

1MB Flash 和 192KB SRAM，满足复杂算法存储需求

丰富的外设接口：3 个 USART、2 个 I2C、1 个 SPI、1 个 CAN

支持 ST-LINK/V2 仿真调试，方便程序下载与调试

2.2 传感器模块设计

传感器类型	型号	接口	测量范围	精度
温湿度	DHT11	单总线	温度 0-50℃	±2℃
气压	BMP280	I2C	300-1100hPa	±1hPa
烟雾	MQ-2	ADC	100-10000ppm	±10%

2.3 通信模块设计

ESP32 模块通过 UART 接口与 STM32 连接，实现以下功能：

Wi-Fi 连接：支持 STA/AP 模式，实现物联网平台接入

蓝牙通信：支持 BLE 4.2，实现本地设备配网

双天线设计：提升无线通信稳定性

三、软件系统开发详解

3.1 FreeRTOS 任务划分

系统创建 3 个优先级任务：

// 任务优先级定义

#define SENSOR_TASK_PRIO 2

#define CONTROL_TASK_PRIO 2

#define COMMUNICATION_TASK_PRIO 3

// 任务函数声明

void sensor_task(void *pvParameters); // 传感器采集任务（500ms周期）

void control_task(void *pvParameters); // 设备控制任务（100ms周期）

void communication_task(void *pvParameters); // 通信任务（最高优先级）

3.2 MQTT 通信协议实现

使用 paho-mqtt 嵌入式客户端库，关键代码片段：

// MQTT客户端初始化

MQTTClient client = MQTTClient_Init();

MQTTClient_ConnectOptions conn_opts = MQTTClient_ConnectOptions_Init();

conn_opts.broker_url = "tcp://a1xxxx.iot-as-mqtt.cn-shanghai.aliyuncs.com:1883";

conn_opts.client_id = "123456|securemode=3,signmethod=hmacsha1|";

conn_opts.username = "123456&a1xxxx";

conn_opts.password = "xxxxxxxxxxxxxxxx";

// 数据发布函数

void publish_sensor_data(float temp, float humi, float press, int smoke) {

char payload[128];

sprintf(payload, "{\"temp\":%.1f,\"humi\":%.1f,\"press\":%.1f,\"smoke\":%d}",

temp, humi, press, smoke);

MQTTClient_Publish(&client, "sys/a1xxxx/123456/thing/event/property/post",

payload, strlen(payload), 0, 0);

}

3.3 设备控制逻辑

基于模糊控制算法实现智能温控：

// 温度控制策略

if (current_temp > target_temp + 2) {

relay_control(RELAY_AC, ON); // 开启空调

led_control(LED_COOL, ON);

} else if (current_temp < target_temp - 2) {

relay_control(RELAY_HEATER, ON); // 开启加热器

led_control(LED_HEAT, ON);

} else {

relay_control(RELAY_AC, OFF);

relay_control(RELAY_HEATER, OFF);

led_control(LED_STATUS, OFF);

}

四、关键技术实现

4.1 传感器数据滤波处理

采用中值滤波 + 滑动平均滤波组合算法：

#define FILTER_WINDOW 5

static int temp_buffer[FILTER_WINDOW] = {0};

static int index = 0;

float get_filtered_temp() {

temp_buffer[index++] = read_raw_temp();

if (index >= FILTER_WINDOW) index = 0;

// 中值排序

for (int i=0; i<FILTER_WINDOW-1; i++) {

for (int j=0; j<FILTER_WINDOW-i-1; j++) {

if (temp_buffer[j] > temp_buffer[j+1]) {

int temp = temp_buffer[j];

temp_buffer[j] = temp_buffer[j+1];

temp_buffer[j+1] = temp;

}

// 计算平均值

int sum = 0;

for (int i=1; i<FILTER_WINDOW-1; i++) sum += temp_buffer[i];

return (float)sum/(FILTER_WINDOW-2);

}

4.2 低功耗优化策略

系统支持三种工作模式：

正常工作模式（全速运行，功耗约 80mA）

节能模式（CPU 降频至 84MHz，关闭非必要外设，功耗约 30mA）

睡眠模式（RTC 唤醒，功耗 < 1mA）

通过电源管理模块实现模式切换：

void enter_low_power_mode() {

// 关闭外设时钟

RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOA, DISABLE);

// 配置睡眠模式

PWR_EnterSTOPMode(PWR_Regulator_LowPower, PWR_STOPEntry_WFI);

}

4.3 OTA 远程升级实现

基于 HTTP 协议实现固件升级：

客户端向服务器请求升级包

接收升级包并存储到片外 Flash

校验升级包 CRC32 校验码

跳转至 Bootloader 完成固件更新

五、系统测试与性能分析

5.1 功能测试用例

测试项目	预期结果	实测结果
温湿度采集	每秒更新一次，精度符合传感器指标	达标
设备远程控制	响应时间 < 2 秒	平均 1.5 秒
异常报警功能	烟雾浓度 > 800ppm 时 10 秒内触发报警	8 秒触发
网络重连机制	断网后 30 秒内自动恢复连接	25 秒恢复