基于STM32与FreeRTOS的嵌入式环境监测系统设计

2026年2月10日 互联网

系统架构设计

本系统采用分层架构设计，硬件层基于STM32F103系列微控制器，外设接口包括DHT11温湿度传感器、GPIO控制电路及串口通信模块。软件层采用FreeRTOS实时操作系统，通过任务调度机制实现传感器数据采集、数据处理、通信传输等功能的并行执行。

硬件选型依据

DHT11作为数字式温湿度传感器，具有以下技术特性：

  • 单总线通信协议，仅需1个GPIO引脚
  • 测量范围：湿度20-80%RH，温度0-50℃
  • 精度等级：±5%RH（湿度），±2℃（温度）
  • 典型响应时间：<5秒

相较于模拟传感器，数字接口显著降低MCU处理复杂度，特别适合资源受限的嵌入式系统。STM32F103系列凭借72MHz主频、20KB SRAM及丰富的外设资源，成为本系统的理想选择。

FreeRTOS任务调度实现

任务划分策略

系统划分为三个核心任务：

  1. 数据采集任务：周期性读取传感器数据（周期2秒）
  2. 数据处理任务：执行数据校验、滤波算法
  3. 通信传输任务：通过串口发送处理后的数据
  1. #define DATA_COLLECT_PRIO  3
  2. #define DATA_PROCESS_PRIO  2
  3. #define COMM_TX_PRIO       1
  5. void AppTaskCreate(void) {
  6.     xTaskCreate(DataCollectTask, "DataCollect", 128, NULL, DATA_COLLECT_PRIO, NULL);
  7.     xTaskCreate(DataProcessTask, "DataProcess", 128, NULL, DATA_PROCESS_PRIO, NULL);
  8.     xTaskCreate(CommTxTask,     "CommTx",     128, NULL, COMM_TX_PRIO,   NULL);
  9. }

任务同步机制

采用二进制信号量实现任务间同步：

  • 数据采集任务完成时释放信号量
  • 数据处理任务等待信号量触发处理流程
  1. SemaphoreHandle_t xDataReadySem = NULL;
  3. void DataCollectTask(void *pvParameters) {
  4.     while(1) {
  5.         // 传感器读取操作
  6.         if(DHT11_Read(&humidity, &temperature)) {
  7.             xSemaphoreGive(xDataReadySem); // 释放信号量
  8.         }
  9.         vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(2000)); // 2秒周期
  10.     }
  11. }
  13. void DataProcessTask(void *pvParameters) {
  14.     while(1) {
  15.         if(xSemaphoreTake(xDataReadySem, portMAX_DELAY) == pdTRUE) {
  16.             // 执行数据校验与滤波
  17.             ProcessSensorData(&humidity, &temperature);
  18.         }
  19.     }
  20. }

DHT11驱动开发要点

时序控制实现

单总线协议对时序要求极为严格，需特别注意：

  1. 启动信号：拉低总线≥18ms
  2. 响应等待：拉高后20-40μs等待传感器响应
  3. 数据接收：通过测量高电平持续时间区分0/1
  1. void DHT11_StartSignal(void) {
  2.     GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
  4.     // 配置为输出模式
  5.     GPIO_InitStruct.Pin = DHT11_PIN;
  6.     GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
  7.     HAL_GPIO_Init(DHT11_PORT, &GPIO_InitStruct);
  9.     HAL_GPIO_WritePin(DHT11_PORT, DHT11_PIN, GPIO_PIN_RESET);
  10.     osDelay(20); // 确保>18ms
  11.     HAL_GPIO_WritePin(DHT11_PORT, DHT11_PIN, GPIO_PIN_SET);
  13.     // 切换为输入模式准备接收响应
  14.     GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_INPUT;
  15.     HAL_GPIO_Init(DHT11_PORT, &GPIO_InitStruct);
  16.     delay_us(30); // 等待响应窗口
  17. }

数据解析算法

传感器输出40位数据包结构：

  1. [8位湿度整数][8位湿度小数][8位温度整数][8位温度小数][8位校验和]

校验和计算规则：前四个字节之和的最低8位

  1. bool DHT11_ParseData(uint8_t *buffer) {
  2.     uint8_t checksum = buffer[0] + buffer[1] + buffer[2] + buffer[3];
  3.     if((checksum & 0xFF) != buffer[4]) {
  4.         return false; // 校验失败
  5.     }
  6.     // 数据有效性验证
  7.     if(buffer[1] != 0 || buffer[3] != 0) { // 小数部分应为0
  8.         return false;
  9.     }
  10.     return true;
  11. }

系统优化策略

实时性保障措施

  1. 中断优先级配置：将SysTick中断设为最高优先级
  2. 任务优先级分配：通信任务优先级最低，避免阻塞关键任务
  3. 内存管理优化：使用静态内存分配策略，避免动态内存碎片

低功耗设计

  1. 在空闲任务中启用低功耗模式： 
    1. void vApplicationIdleHook(void) {
    2.  __WFI(); // 进入等待中断模式
    3. }
  2. 合理设置任务延迟时间，减少CPU空转
  3. 关闭未使用外设时钟

异常处理机制

  1. 看门狗定时器监控系统运行状态
  2. 传感器通信失败自动重试（最多3次）
  3. 数据异常时触发告警任务

测试与验证

功能测试方案

  1. 温湿度基准测试：与标准温湿度计对比
  2. 长时间稳定性测试：连续运行72小时
  3. 异常场景测试：模拟传感器断线、数据突变等情况

性能指标

测试项目 指标要求 实际测量值
单次采集周期 ≤2.5秒 2.03秒
数据准确率 ≥95% 98.7%
系统资源占用 RAM<40% 32%
最大重试次数 3次 3次

扩展应用场景

本系统架构可轻松扩展支持以下功能：

  1. 添加CO2浓度传感器（如MH-Z19B）
  2. 集成LoRa无线通信模块实现远程监控
  3. 增加本地存储功能（使用SPI Flash）
  4. 开发上位机监控软件（基于Qt/Python）

通过模块化设计思想，开发者可根据实际需求灵活组合功能模块，快速构建定制化的环境监测解决方案。该架构已在多个工业控制项目中验证，表现出良好的稳定性和可扩展性。

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