基於 STM32 和 μC/OS 的智能温度監控系統設計與實現

——一個支持遠程監控與告警的嵌入式實踐項目

隨着物聯網與智能硬件的發展，環境監控系統已經成為工業、農業、智能家居等領域的重要組成部分。其中，温度監控作為最基礎的參數採集手段，其實時性、準確性和可靠性直接影響系統的整體性能。傳統的温度監控系統通常依賴本地顯示或上位機監控，缺乏遠程訪問與智能告警功能。

本項目基於 STM32 微控制器，結合 μC/OS 實時操作系統和 LWIP 網絡協議棧，實現了一套支持手機 App 遠程監控和温度告警的智能温度監控系統。通過多任務協作和網絡通信，該系統不僅具備高實時性和穩定性，還為物聯網應用提供了良好的實踐案例。本文將從系統設計、硬件選型、軟件架構到實現細節進行全面講解，為讀者提供完整的嵌入式項目參考。

一、項目背景與設計目標

在工業控制、智能家居、機房運維、冷鏈運輸等場景中，温度監控系統都是最基礎、也是最關鍵的組成部分之一。傳統温度監控方案通常存在以下問題：

• 數據只能本地查看，無法遠程實時獲取
• 業務邏輯與硬件耦合嚴重，擴展性差
• 告警機制簡單，難以動態配置
• 網絡功能依賴上位機，系統獨立性不足

隨着嵌入式設備算力的提升以及 RTOS 與 TCP/IP 協議棧的成熟，在 MCU 端直接實現網絡化、智能化的温度監控系統成為可能。

本項目基於 STM32 微控制器，通過移植 μC/OS（uCOS）實時操作系統 和 LWIP 網絡協議棧，實現了一個具備以下能力的智能温度監控系統：

• 實時採集環境温度
• 通過以太網/WiFi 將温度數據上傳
• 手機 App 遠程查看温度數據
• 支持遠程配置温度閾值
• 超限自動告警推送

該項目不僅是一個功能完整的應用系統，同時也非常適合作為 RTOS + 網絡協議棧綜合實戰案例。

源碼分享

直接放到之前寫的文章裏了，免費開源，下載學習即可。

https://blog.csdn.net/weixin_52908342/article/details/155970537

二、系統總體架構設計

2.1 系統架構概覽

整體系統採用 端–網–雲–App 的典型物聯網架構，核心結構如下：

+-------------------+
|     手機 App      |
|  温度顯示/配置    |
+---------▲---------+
          |
          | TCP / HTTP / Socket
          |
+---------▼---------+
|   STM32 設備端    |
| μC/OS + LWIP      |
| 温度採集 / 告警   |
+---------▲---------+
          |
          | 傳感器接口
          |
+---------▼---------+
|   温度傳感器      |
+-------------------+

2.2 設計目標拆解

從工程角度，本系統的設計目標可以拆解為四個層面：

1. 實時性

   • 温度採集任務具備確定性調度
   • 告警響應延遲可控

2. 穩定性

   • 多任務併發運行，互不干擾
   • 網絡異常不影響核心採集邏輯

3. 可擴展性

   • 可擴展更多傳感器
   • 可支持多種通信方式

4. 可維護性

   • 模塊化代碼結構
   • 明確的任務劃分與接口定義

三、硬件平台設計

3.1 主控芯片選型

項目採用 STM32 系列 MCU（如 STM32F4 / STM32F1 均可），主要考慮以下因素：

• Cortex-M 內核，性能與功耗平衡
• 豐富的外設資源（ADC、SPI、I2C、USART、ETH）
• 社區成熟，資料豐富
• 對 μC/OS 和 LWIP 支持良好

3.2 温度傳感器選型

温度傳感器可根據實際需求選擇，例如：

• DS18B20：

  • 數字温度傳感器
  • 單總線通信，抗干擾強

• NTC + ADC：

  • 成本低
  • 軟件需進行温度曲線擬合

• DHT11 / DHT22：

  • 同時支持温濕度

本項目以 DS18B20 為例進行説明。

四、軟件系統架構設計

4.1 為什麼選擇 μC/OS

μC/OS 是一款經典的實時操作系統，適合中小型嵌入式系統：

• 內核精簡、實時性強
• 任務管理、信號量、消息隊列機制成熟
• 學習價值高，非常適合理解 RTOS 原理

在本項目中，μC/OS 的核心作用是：

將“温度採集、網絡通信、告警處理、配置管理”等功能解耦為多個併發任務

4.2 任務劃分設計

系統任務劃分如下：

這種劃分方式遵循兩個原則：

• 時間敏感任務優先級高
• 邏輯職責單一，任務之間通過 OS 機制通信

4.3 任務間通信機制

系統中大量使用 μC/OS 提供的 IPC 機制：

• 消息隊列（Queue）

  • 温度數據從採集任務發送到網絡任務

• 信號量（Semaphore）

  • 保護共享配置數據

• 事件標誌組（Event Flag）

  • 告警觸發通知

這種方式避免了大量的全局變量，提高了系統健壯性。

五、LWIP 協議棧移植與網絡通信

5.1 LWIP 簡介

LWIP（Lightweight IP）是一個輕量級 TCP/IP 協議棧，專為嵌入式系統設計，具有以下特點：

• 佔用資源小
• 支持 TCP / UDP / HTTP
• 可運行在 RTOS 或裸機環境

本項目中，LWIP 運行在 μC/OS 之上，形成：

硬件 → 驅動 → LWIP → 應用層任務

5.2 網絡通信模型

系統採用 客户端模式：

• STM32 主動連接服務器或 App
• 週期性上報温度數據
• 接收遠程配置命令

通信數據格式可採用 JSON，例如：

{
  "temperature": 26.8,
  "min": 18,
  "max": 30,
  "alarm": false
}

這種格式具備良好的可讀性，便於 App 和後端解析。

六、温度監控與告警邏輯設計

6.1 温度採集與處理

温度採集流程如下：

1. 觸發傳感器採樣
2. 讀取原始數據
3. 進行濾波處理（滑動平均）
4. 轉換為實際温度值
5. 發送至消息隊列

通過濾波可以有效降低環境噪聲帶來的抖動。

6.2 閾值判斷與告警機制

系統支持 動態温度區間配置：

• 最低温度閾值
• 最高温度閾值

當温度超出區間時：

• 觸發告警事件
• 通過網絡立即上報
• App 顯示告警信息

告警邏輯運行在獨立任務中，避免影響採集實時性。

七、手機 App 遠程監控設計

手機 App 主要功能包括：

• 實時顯示温度曲線
• 查看歷史温度數據
• 設置温度上下限
• 接收告警通知

從系統角度看，App 只是一個 網絡客户端，真正的核心邏輯全部運行在 STM32 端，這使系統具備更強的獨立性和可靠性。

八、系統測試與運行效果

經過實際測試，系統表現如下：

• 温度採集週期穩定
• 網絡通信可靠
• 多任務併發運行無明顯抖動
• 告警響應及時

即使在網絡異常的情況下，系統仍能本地正常運行，網絡恢復後自動重連。

九、項目總結與擴展方向

9.1 項目總結

本項目完整地實踐了：

• STM32 外設驅動開發
• μC/OS 多任務實時系統設計
• LWIP 網絡協議棧移植與使用
• 嵌入式設備與 App 的通信

它不僅是一個功能完整的温度監控系統，更是一個 RTOS + 網絡綜合應用範例。

9.2 可擴展方向

後續可以進一步擴展：

• 支持 MQTT / 雲平台
• 增加濕度、氣壓等傳感器
• 引入 OTA 遠程升級
• 加入本地顯示與按鍵交互

本項目基於 STM32 微控制器，結合 μC/OS 實時操作系統和 LWIP 協議棧，實現了一個功能完善的智能温度監控系統。系統通過多任務併發設計，實現了温度採集、網絡通信、告警處理和遠程配置的有機協作。經過測試，系統在實時性、穩定性和可擴展性方面表現良好，能夠通過手機 App 實時監控温度數據並接收告警通知。

該項目不僅展示了嵌入式系統的實際應用能力，也為後續擴展物聯網功能（如 MQTT、雲端存儲和遠程升級）提供了良好的基礎。整體來看，這是一個兼具實用性與可學習價值的嵌入式智能監控解決方案。