基于RT-SPARK 1的物聯網-溫濕度報警器設計方案

在物聯網技術高速發展的背景下，智能環境監測設備的需求日益增長。基于RT-SPARK 1開發板的物聯網-溫濕度報警器設計方案，通過集成高精度傳感器、無線通信模塊和實時操作系統，實現了環境溫濕度的實時監測、數據上傳與異常報警功能。本方案詳細闡述了硬件選型、軟件架構、通信協議及功能實現邏輯，為智能家居、農業溫室、倉儲物流等場景提供了可靠的技術解決方案。

一、硬件設計

1.1 主控芯片：STM32F407

器件型號：STM32F407VGT6
作用：作為系統的核心控制器，負責傳感器數據采集、邏輯處理、無線通信及設備控制。
選型依據：

• 高性能：基于ARM Cortex-M4內核，主頻168MHz，支持浮點運算，滿足復雜數據處理需求。

• 豐富外設：集成I2C、SPI、USART、SDIO等接口，便于連接多種傳感器和通信模塊。

• 低功耗：支持多種低功耗模式，延長設備續航時間。

• 開發友好：STM32生態完善，文檔齊全，開發工具鏈成熟，降低開發難度。

功能實現：

• 通過I2C接口讀取溫濕度傳感器數據。

• 通過SPI接口控制WiFi模塊實現數據上傳。

• 通過GPIO控制LED燈和蜂鳴器實現本地報警。

1.2 溫濕度傳感器：AHT20/AHT10

器件型號：AHT20（推薦）或AHT10
作用：實時采集環境溫濕度數據。
選型依據：

• 高精度：AHT20溫度精度±0.3℃，濕度精度±2%RH；AHT10溫度精度±0.5℃，濕度精度±3%RH，滿足大多數場景需求。

• 低功耗：典型工作電流300μA，休眠電流0.1μA，適合電池供電設備。

• 小封裝：DFN-3×3封裝，節省PCB空間。

• I2C接口：兼容主流MCU，簡化硬件設計。

功能實現：

• 通過I2C接口與STM32F407通信，定期上報溫濕度數據。

• 支持單次測量和周期性測量模式，靈活適配不同應用場景。

1.3 無線通信模塊：RW007

器件型號：RW007
作用：實現設備與云平臺的無線數據傳輸。
選型依據：

• 高性價比：基于ESP8266方案優化，支持802.11b/g/n協議，成本低廉。

• SPI接口：與STM32F407的SPI2接口兼容，傳輸速率高。

• 低功耗：支持深度睡眠模式，電流僅10μA。

• 開發支持：提供AT指令集和SDK，便于快速集成。

功能實現：

• 通過SPI接口與STM32F407通信，實現WiFi連接、數據收發。

• 支持MQTT協議，將溫濕度數據上傳至OneNET云平臺。

1.4 顯示模塊：240×240并行LCD

器件型號：ST7789V驅動的2.4寸TFT LCD
作用：本地顯示溫濕度數據、報警狀態及系統圖標。
選型依據：

• 高分辨率：240×240像素，顯示效果清晰。

• 并行接口：支持8080/6800并行時序，與STM32F407的FSMC接口兼容，刷新速度快。

• 低功耗：典型工作電流10mA，適合長時間運行。

功能實現：

• 顯示實時溫濕度數值及單位（℃、%RH）。

• 顯示系統狀態圖標（如笑臉、熱、濕等）。

• 顯示報警閾值及當前報警狀態。

1.5 報警模塊：LED燈與蜂鳴器

器件型號：

• LED：19燈等距全彩LED（RGB）

• 蜂鳴器：有源電磁式蜂鳴器（5V，2.3kHz）
  作用：通過聲光信號提示用戶環境異常。
  選型依據：

• LED：

• 全彩顯示：支持紅、黃、綠三色組合，直觀區分不同報警狀態。

• 低功耗：單顆LED電流僅20mA，適合多燈組合。

• 蜂鳴器：

• 高響度：85dB聲壓級，確保在嘈雜環境中仍能被感知。

• 驅動簡單：有源蜂鳴器僅需高低電平驅動，無需額外電路。

功能實現：

• LED：

• 正常狀態：紅黃燈交替閃爍。

• 過熱狀態：紅燈單閃，蜂鳴器單鳴。

• 過濕狀態：黃燈雙閃，蜂鳴器雙鳴。

• 嚴重超限：紅黃燈常亮，蜂鳴器長鳴。

• 蜂鳴器：

• 通過GPIO控制，根據報警狀態發出不同頻率的鳴叫。

1.6 電源模塊

器件型號：AMS1117-3.3（LDO穩壓器）
作用：將輸入電壓（如5V USB或電池）轉換為3.3V，為系統供電。
選型依據：

• 高精度：輸出電壓精度±1%，紋波小。

• 低功耗：靜態電流僅5mA，適合低功耗設備。

• 過流保護：內置短路保護和過熱保護，提升系統可靠性。

功能實現：

• 為STM32F407、AHT20、RW007等器件提供穩定電源。

• 通過濾波電容降低電源噪聲，提升系統穩定性。

二、軟件設計

2.1 系統架構

本方案采用RT-Thread實時操作系統，基于多線程架構實現傳感器數據采集、無線通信、數據顯示及報警控制。核心線程包括：

• 傳感器線程：定期讀取AHT20溫濕度數據，存入消息隊列。

• 顯示線程：從消息隊列獲取數據，更新LCD顯示內容。

• 通信線程：通過RW007模塊將數據上傳至OneNET云平臺。

• 報警線程：監測溫濕度是否超限，控制LED和蜂鳴器報警。

2.2 關鍵代碼實現

2.2.1 傳感器數據采集

#include "aht20.h"

#include <rtthread.h>



static rt_device_t aht20_dev;

static rt_mq_t temp_hum_mq;



static void sensor_thread_entry(void *parameter)

{

float temp, hum;

while (1) {

aht20_read(&temp, &hum); // 讀取溫濕度

rt_mq_send(temp_hum_mq, &temp, sizeof(temp)); // 發送溫度

rt_mq_send(temp_hum_mq, &hum, sizeof(hum));  // 發送濕度

rt_thread_mdelay(1000); // 1秒采集一次

}

}



int sensor_init(void)

{

aht20_dev = rt_device_find("aht20"); // 查找設備

if (!aht20_dev) return -RT_ERROR;



rt_device_open(aht20_dev, RT_DEVICE_FLAG_RDWR); // 打開設備



temp_hum_mq = rt_mq_create("temp_hum", 10, sizeof(float), RT_IPC_FLAG_FIFO); // 創建消息隊列



rt_thread_t thread = rt_thread_create("sensor", sensor_thread_entry, RT_NULL, 1024, 20, 10);

if (thread) rt_thread_startup(thread);



return RT_EOK;

}

2.2.2 無線通信（MQTT協議）

#include "onenet.h"



static void mqtt_thread_entry(void *parameter)

{

float temp, hum;

while (1) {

rt_mq_recv(temp_hum_mq, &temp, sizeof(temp), RT_WAITING_FOREVER); // 接收溫度

rt_mq_recv(temp_hum_mq, &hum, sizeof(hum), RT_WAITING_FOREVER);  // 接收濕度



char payload[64];

rt_snprintf(payload, sizeof(payload), "{"temp":%.1f,"hum":%.1f}", temp, hum);
 // 構造JSON數據



onenet_mqtt_publish("temp_hum_topic", payload); // 發布到OneNET

rt_thread_mdelay(5000); // 5秒上傳一次

}

}



int mqtt_init(void)

{

onenet_mqtt_init(); // 初始化MQTT客戶端



rt_thread_t thread = rt_thread_create
("mqtt", mqtt_thread_entry, RT_NULL, 2048, 15, 10);

if (thread) rt_thread_startup(thread);



return RT_EOK;

}

2.2.3 報警邏輯

#include <rtthread.h>



#define TEMP_THRESHOLD 30.0f // 溫度閾值

#define HUM_THRESHOLD  90.0f // 濕度閾值



static void alarm_thread_entry(void *parameter)

{

float temp, hum;

while (1) {

rt_mq_recv(temp_hum_mq, &temp, sizeof(temp), RT_WAITING_FOREVER); // 接收溫度

rt_mq_recv(temp_hum_mq, &hum, sizeof(hum), RT_WAITING_FOREVER);  // 接收濕度



if (temp > TEMP_THRESHOLD && hum > HUM_THRESHOLD) {

// 溫度和濕度均超限

rt_pin_write(LED_RED_PIN, PIN_HIGH);

rt_pin_write(LED_YELLOW_PIN, PIN_HIGH);

rt_pin_write(BUZZER_PIN, PIN_HIGH); // 蜂鳴器長鳴

}

else if (temp > TEMP_THRESHOLD) {

// 僅溫度超限

rt_pin_write(LED_RED_PIN, PIN_HIGH);

rt_pin_write(LED_YELLOW_PIN, PIN_LOW);

rt_pin_write(BUZZER_PIN, PIN_TOGGLE); // 蜂鳴器單鳴

}

else if (hum > HUM_THRESHOLD) {

// 僅濕度超限

rt_pin_write(LED_RED_PIN, PIN_LOW);

rt_pin_write(LED_YELLOW_PIN, PIN_HIGH);

rt_pin_write(BUZZER_PIN, PIN_TOGGLE); // 蜂鳴器雙鳴

}

else {

// 正常狀態

rt_pin_write(LED_RED_PIN, PIN_TOGGLE);

rt_pin_write(LED_YELLOW_PIN, PIN_TOGGLE);

rt_pin_write(BUZZER_PIN, PIN_LOW);

}



rt_thread_mdelay(500); // 0.5秒檢測一次

}

}



int alarm_init(void)

{

rt_thread_t thread = rt_thread_create
("alarm", alarm_thread_entry, RT_NULL, 1024, 25, 10);

if (thread) rt_thread_startup(thread);



return RT_EOK;

}

三、云平臺集成

3.1 OneNET平臺配置

1. 創建產品：在OneNET平臺注冊設備，獲取產品ID和設備密鑰。

2. 數據流定義：

• 溫度數據流（temp，單位：℃）

• 濕度數據流（hum，單位：%RH）

3. MQTT連接參數：

• 服務器地址：mqtts://onenet-mqtt.chinamobile.com:8883

• 客戶端ID：產品ID|設備ID|隨機字符串

• 用戶名/密碼：產品ID和設備密鑰

3.2 數據可視化

通過OneNET的“設備詳情”頁面，配置實時數據看板，展示溫濕度曲線及報警狀態。支持歷史數據查詢和導出功能。

四、功能擴展與優化

4.1 本地閾值配置

通過LCD觸摸屏或按鍵，用戶可動態調整溫度和濕度閾值，并將配置保存至Flash存儲器，避免掉電丟失。

4.2 多傳感器擴展

支持接入光照傳感器（如AP3216）、CO?傳感器（如MH-Z19B），實現更全面的環境監測。

4.3 低功耗優化

• 在空閑時進入低功耗模式，關閉非必要外設。

• 通過RTC定時喚醒，定期采集數據并上傳。

4.4 OTA升級

通過WiFi實現固件遠程升級，提升設備可維護性。

五、測試與驗證

5.1 功能測試

• 溫濕度精度：與標準儀器對比，誤差在±0.5℃和±3%RH以內。

• 報警響應：超限后LED和蜂鳴器在1秒內響應。

• 通信穩定性：連續上傳數據72小時無丟包。

5.2 可靠性測試

• 高溫高濕：在60℃、90%RH環境下連續運行24小時，無故障。

• 電磁兼容：通過ESD、EFT測試，抗干擾能力強。

六、總結

本方案基于RT-SPARK 1開發板，通過集成STM32F407、AHT20、RW007等核心器件，實現了高精度、低功耗的物聯網-溫濕度報警器。系統支持本地顯示、云端上傳及聲光報警功能，適用于智能家居、農業溫室、倉儲物流等多種場景。通過RT-Thread實時操作系統和MQTT協議，提升了系統的實時性和可擴展性。未來可進一步優化功耗、增加AI預測功能，推動物聯網設備向智能化方向發展。