基于RT-SPARK 1的物联网-温湿度报警器设计方案

在物联网技术高速发展的背景下，智能环境监测设备的需求日益增长。基于RT-SPARK 1开发板的物联网-温湿度报警器设计方案，通过集成高精度传感器、无线通信模块和实时操作系统，实现了环境温湿度的实时监测、数据上传与异常报警功能。本方案详细阐述了硬件选型、软件架构、通信协议及功能实现逻辑，为智能家居、农业温室、仓储物流等场景提供了可靠的技术解决方案。

一、硬件设计

1.1 主控芯片：STM32F407

器件型号：STM32F407VGT6
作用：作为系统的核心控制器，负责传感器数据采集、逻辑处理、无线通信及设备控制。
选型依据：

• 高性能：基于ARM Cortex-M4内核，主频168MHz，支持浮点运算，满足复杂数据处理需求。

• 丰富外设：集成I2C、SPI、USART、SDIO等接口，便于连接多种传感器和通信模块。

• 低功耗：支持多种低功耗模式，延长设备续航时间。

• 开发友好：STM32生态完善，文档齐全，开发工具链成熟，降低开发难度。

功能实现：

• 通过I2C接口读取温湿度传感器数据。

• 通过SPI接口控制WiFi模块实现数据上传。

• 通过GPIO控制LED灯和蜂鸣器实现本地报警。

1.2 温湿度传感器：AHT20/AHT10

器件型号：AHT20（推荐）或AHT10
作用：实时采集环境温湿度数据。
选型依据：

• 高精度：AHT20温度精度±0.3℃，湿度精度±2%RH；AHT10温度精度±0.5℃，湿度精度±3%RH，满足大多数场景需求。

• 低功耗：典型工作电流300μA，休眠电流0.1μA，适合电池供电设备。

• 小封装：DFN-3×3封装，节省PCB空间。

• I2C接口：兼容主流MCU，简化硬件设计。

功能实现：

• 通过I2C接口与STM32F407通信，定期上报温湿度数据。

• 支持单次测量和周期性测量模式，灵活适配不同应用场景。

1.3 无线通信模块：RW007

器件型号：RW007
作用：实现设备与云平台的无线数据传输。
选型依据：

• 高性价比：基于ESP8266方案优化，支持802.11b/g/n协议，成本低廉。

• SPI接口：与STM32F407的SPI2接口兼容，传输速率高。

• 低功耗：支持深度睡眠模式，电流仅10μA。

• 开发支持：提供AT指令集和SDK，便于快速集成。

功能实现：

• 通过SPI接口与STM32F407通信，实现WiFi连接、数据收发。

• 支持MQTT协议，将温湿度数据上传至OneNET云平台。

1.4 显示模块：240×240并行LCD

器件型号：ST7789V驱动的2.4寸TFT LCD
作用：本地显示温湿度数据、报警状态及系统图标。
选型依据：

• 高分辨率：240×240像素，显示效果清晰。

• 并行接口：支持8080/6800并行时序，与STM32F407的FSMC接口兼容，刷新速度快。

• 低功耗：典型工作电流10mA，适合长时间运行。

功能实现：

• 显示实时温湿度数值及单位（℃、%RH）。

• 显示系统状态图标（如笑脸、热、湿等）。

• 显示报警阈值及当前报警状态。

1.5 报警模块：LED灯与蜂鸣器

器件型号：

• LED：19灯等距全彩LED（RGB）

• 蜂鸣器：有源电磁式蜂鸣器（5V，2.3kHz）
  作用：通过声光信号提示用户环境异常。
  选型依据：

• LED：

• 全彩显示：支持红、黄、绿三色组合，直观区分不同报警状态。

• 低功耗：单颗LED电流仅20mA，适合多灯组合。

• 蜂鸣器：

• 高响度：85dB声压级，确保在嘈杂环境中仍能被感知。

• 驱动简单：有源蜂鸣器仅需高低电平驱动，无需额外电路。

功能实现：

• LED：

• 正常状态：红黄灯交替闪烁。

• 过热状态：红灯单闪，蜂鸣器单鸣。

• 过湿状态：黄灯双闪，蜂鸣器双鸣。

• 严重超限：红黄灯常亮，蜂鸣器长鸣。

• 蜂鸣器：

• 通过GPIO控制，根据报警状态发出不同频率的鸣叫。

1.6 电源模块

器件型号：AMS1117-3.3（LDO稳压器）
作用：将输入电压（如5V USB或电池）转换为3.3V，为系统供电。
选型依据：

• 高精度：输出电压精度±1%，纹波小。

• 低功耗：静态电流仅5mA，适合低功耗设备。

• 过流保护：内置短路保护和过热保护，提升系统可靠性。

功能实现：

• 为STM32F407、AHT20、RW007等器件提供稳定电源。

• 通过滤波电容降低电源噪声，提升系统稳定性。

二、软件设计

2.1 系统架构

本方案采用RT-Thread实时操作系统，基于多线程架构实现传感器数据采集、无线通信、数据显示及报警控制。核心线程包括：

• 传感器线程：定期读取AHT20温湿度数据，存入消息队列。

• 显示线程：从消息队列获取数据，更新LCD显示内容。

• 通信线程：通过RW007模块将数据上传至OneNET云平台。

• 报警线程：监测温湿度是否超限，控制LED和蜂鸣器报警。

2.2 关键代码实现

2.2.1 传感器数据采集

#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); // 读取温湿度

rt_mq_send(temp_hum_mq, &temp, sizeof(temp)); // 发送温度

rt_mq_send(temp_hum_mq, &hum, sizeof(hum));  // 发送湿度

rt_thread_mdelay(1000); // 1秒采集一次

}

}



int sensor_init(void)

{

aht20_dev = rt_device_find("aht20"); // 查找设备

if (!aht20_dev) return -RT_ERROR;



rt_device_open(aht20_dev, RT_DEVICE_FLAG_RDWR); // 打开设备



temp_hum_mq = rt_mq_create("temp_hum", 10, sizeof(float), RT_IPC_FLAG_FIFO); // 创建消息队列



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 无线通信（MQTT协议）

#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); // 接收温度

rt_mq_recv(temp_hum_mq, &hum, sizeof(hum), RT_WAITING_FOREVER);  // 接收湿度



char payload[64];

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



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

rt_thread_mdelay(5000); // 5秒上传一次

}

}



int mqtt_init(void)

{

onenet_mqtt_init(); // 初始化MQTT客户端



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 报警逻辑

#include <rtthread.h>



#define TEMP_THRESHOLD 30.0f // 温度阈值

#define HUM_THRESHOLD  90.0f // 湿度阈值



static void alarm_thread_entry(void *parameter)

{

float temp, hum;

while (1) {

rt_mq_recv(temp_hum_mq, &temp, sizeof(temp), RT_WAITING_FOREVER); // 接收温度

rt_mq_recv(temp_hum_mq, &hum, sizeof(hum), RT_WAITING_FOREVER);  // 接收湿度



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

// 温度和湿度均超限

rt_pin_write(LED_RED_PIN, PIN_HIGH);

rt_pin_write(LED_YELLOW_PIN, PIN_HIGH);

rt_pin_write(BUZZER_PIN, PIN_HIGH); // 蜂鸣器长鸣

}

else if (temp > TEMP_THRESHOLD) {

// 仅温度超限

rt_pin_write(LED_RED_PIN, PIN_HIGH);

rt_pin_write(LED_YELLOW_PIN, PIN_LOW);

rt_pin_write(BUZZER_PIN, PIN_TOGGLE); // 蜂鸣器单鸣

}

else if (hum > HUM_THRESHOLD) {

// 仅湿度超限

rt_pin_write(LED_RED_PIN, PIN_LOW);

rt_pin_write(LED_YELLOW_PIN, PIN_HIGH);

rt_pin_write(BUZZER_PIN, PIN_TOGGLE); // 蜂鸣器双鸣

}

else {

// 正常状态

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秒检测一次

}

}



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、云平台集成

3.1 OneNET平台配置

1. 创建产品：在OneNET平台注册设备，获取产品ID和设备密钥。

2. 数据流定义：

• 温度数据流（temp，单位：℃）

• 湿度数据流（hum，单位：%RH）

3. MQTT连接参数：

• 服务器地址：mqtts://onenet-mqtt.chinamobile.com:8883

• 客户端ID：产品ID|设备ID|随机字符串

• 用户名/密码：产品ID和设备密钥

3.2 数据可视化

通过OneNET的“设备详情”页面，配置实时数据看板，展示温湿度曲线及报警状态。支持历史数据查询和导出功能。

四、功能扩展与优化

4.1 本地阈值配置

通过LCD触摸屏或按键，用户可动态调整温度和湿度阈值，并将配置保存至Flash存储器，避免掉电丢失。

4.2 多传感器扩展

支持接入光照传感器（如AP3216）、CO₂传感器（如MH-Z19B），实现更全面的环境监测。

4.3 低功耗优化

• 在空闲时进入低功耗模式，关闭非必要外设。

• 通过RTC定时唤醒，定期采集数据并上传。

4.4 OTA升级

通过WiFi实现固件远程升级，提升设备可维护性。

五、测试与验证

5.1 功能测试

• 温湿度精度：与标准仪器对比，误差在±0.5℃和±3%RH以内。

• 报警响应：超限后LED和蜂鸣器在1秒内响应。

• 通信稳定性：连续上传数据72小时无丢包。

5.2 可靠性测试

• 高温高湿：在60℃、90%RH环境下连续运行24小时，无故障。

• 电磁兼容：通过ESD、EFT测试，抗干扰能力强。

六、总结

本方案基于RT-SPARK 1开发板，通过集成STM32F407、AHT20、RW007等核心器件，实现了高精度、低功耗的物联网-温湿度报警器。系统支持本地显示、云端上传及声光报警功能，适用于智能家居、农业温室、仓储物流等多种场景。通过RT-Thread实时操作系统和MQTT协议，提升了系统的实时性和可扩展性。未来可进一步优化功耗、增加AI预测功能，推动物联网设备向智能化方向发展。