全栈物联网项目：结合 C/C++、Python、Node.js 和 React 开发智能温控系统（附代码示例）

1. 项目概述

本文详细介绍了一个基于STM32微控制器和AWS IoT云平台的智能温控器项目。该项目旨在实现远程温度监控和控制,具有以下主要特点:

• 使用STM32F103微控制器作为主控芯片,负责数据采集、处理和控制逻辑
• 采用DHT22数字温湿度传感器,精确采集环境温湿度数据
• 通过ESP8266 WiFi模块实现无线通信,支持远程访问
• 采用MQTT协议与AWS IoT Core云平台通信,实现数据上报和远程控制
• 提供Web界面和手机APP,实现便捷的远程监控和控制
• 集成继电器控制模块,可直接控制制冷/制热设备
• 本地OLED显示屏,实时显示当前温湿度和设定温度

该项目集成了嵌入式开发、无线通信、云计算和移动应用等多项技术,是一个典型的物联网应用案例。通过这个项目,用户可以随时随地监控和调节室内温度,提高生活舒适度和能源使用效率。

2. 系统设计

2.1 硬件设计

智能温控器的硬件系统主要由以下模块组成:

• STM32F103: 主控制器,负责数据采集、处理和控制
• DHT22: 高精度数字温湿度传感器,用于采集环境温湿度数据
• OLED显示屏: 128x64像素,显示当前温湿度、设定温度和工作状态
• ESP8266: WiFi模块,用于无线通信,支持Station和AP模式
• 继电器: 控制制冷/制热设备的开关,支持高达10A电流
• 按键模块: 用于本地温度设置和模式切换
• LED指示灯: 指示设备工作状态

2.2 软件架构

软件系统采用分层架构设计,主要包括以下几个层次:

• 应用层: 实现用户界面和交互逻辑

  • Web界面: 基于HTML5/CSS3/JavaScript开发,支持PC和移动端访问
  • 手机APP: 使用React Native开发,支持iOS和Android平台
  • 本地显示与控制: 实现OLED显示和按键控制功能

• 业务逻辑层: 实现核心业务功能

  • 温度控制算法: PID控制算法,根据当前温度和目标温度调节制冷/制热设备
  • 数据处理: 温湿度数据滤波、统计分析、异常检测等
  • 设备状态管理: 管理设备工作模式、定时任务等

• 通信层: 实现设备与云平台的数据交互

  • MQTT客户端: 实现MQTT协议,负责数据上报和指令接收
  • WiFi管理: 管理WiFi连接,支持SmartConfig配网
  • AWS IoT SDK: 集成AWS IoT设备SDK,实现设备认证、安全通信等功能

• 驱动层: 实现硬件模块的驱动程序

  • DHT22驱动: 实现温湿度数据采集
  • OLED驱动: 实现显示屏控制
  • ESP8266驱动: 实现AT指令集封装
  • 继电器驱动: 实现继电器开关控制

• 硬件抽象层: 提供硬件相关的底层接口

  • GPIO: 通用输入输出接口
  • I2C: 用于OLED显示屏通信
  • UART: 用于ESP8266通信
  • Timer: 用于定时任务和延时功能

3. 代码实现

本节将展示智能温控器的核心代码实现,包括温度采集、MQTT通信和温度控制算法。每段代码都附有详细说明,以便读者理解。

3.1 温度采集

以下代码实现了从DHT22传感器读取温度数据的功能:

#include "dht22.h"

float readTemperature() {
    uint8_t data[5] = {0};
    
    // 发送起始信号
    DHT22_Start();
    
    // 等待DHT22响应
    if (DHT22_CheckResponse() == 0) {
        // 读取40位数据
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            data[i] = DHT22_ReadByte();
        }
        
        // 校验数据
        if ((data[0] + data[1] + data[2] + data[3]) == data[4]) {
            // 计算温度值
            float temperature = (data[2] & 0x7F) * 256 + data[3];
            temperature /= 10.0;
            
            // 处理负温度
            if (data[2] & 0x80) {
                temperature *= -1;
            }
            
            return temperature;
        }
    }
    
    // 读取失败,返回错误值
    return -999.0;
}

说明:

1. 函数首先发送起始信号,然后等待DHT22传感器响应。
2. 如果响应正常,读取40位数据(5个字节)。
3. 对读取的数据进行校验,确保数据完整性。
4. 将读取的数据转换为实际温度值,考虑了负温度的情况。
5. 如果读取失败,返回一个错误值(-999.0)。

3.2 MQTT通信

以下代码实现了与AWS IoT平台的MQTT通信功能:

#include "mqtt_client.h"
#include "esp8266.h"

// 发布温度数据到MQTT主题
void mqtt_publish_temperature(float temperature) {
    char payload[50];
    snprintf(payload, sizeof(payload), "{\"temperature\": %.2f}", temperature);
    
    mqtt_publish("device/temperature", payload, strlen(payload), 0, 0);
}

// MQTT消息回调函数
void mqtt_callback(char* topic, byte* payload, unsigned int length) {
    char message[100];
    memcpy(message, payload, length);
    message[length] = '\0';
    
    if (strcmp(topic, "device/setTemp") == 0) {
        float setTemp = atof(message);
        updateSetTemperature(setTemp);
    }
}

// 设置并连接MQTT客户端
void setupMQTT() {
    mqtt_client.setServer(MQTT_BROKER, MQTT_PORT);
    mqtt_client.setCallback(mqtt_callback);
    
    while (!mqtt_client.connected()) {
        if (mqtt_client.connect("STM32TempController", MQTT_USERNAME, MQTT_PASSWORD)) {
            mqtt_client.subscribe("device/setTemp");
        } else {
            delay(5000);
        }
    }
}

说明:

1. mqtt_publish_temperature函数用于将温度数据发布到MQTT主题。它将温度值格式化为JSON字符串，然后发布到"device/temperature"主题。
2. mqtt_callback函数处理接收到的MQTT消息。当收到"device/setTemp"主题的消息时，它会更新设定温度。
3. setupMQTT函数用于初始化MQTT连接，包括设置MQTT服务器、设置回调函数，以及建立连接并订阅相关主题。
4. 使用while循环确保MQTT客户端成功连接，如果连接失败会每5秒重试一次。
5. 成功连接后，订阅"device/setTemp"主题以接收温度设置指令。

3.3 温度控制算法

以下代码实现了基于PID算法的温度控制：

#include "pid.h"

// PID参数定义
#define KP 2.0   // 比例系数
#define KI 0.5   // 积分系数
#define KD 1.0   // 微分系数

PID_TypeDef tempPID;

// 初始化PID控制器
void initTempControl() {
    PID_Init(&tempPID, KP, KI, KD, PID_DIRECTION_DIRECT);
    PID_SetOutputLimits(&tempPID, 0, 100);  // 输出限制在0-100%
}

// 计算温度控制输出
int computeTempControl(float currentTemp, float setTemp) {
    PID_Compute(&tempPID, currentTemp, setTemp);
    return (int)PID_GetOutput(&tempPID);
}

// 执行温度控制
void executeTempControl(int controlOutput) {
    if (controlOutput > 0) {
        // 制冷模式
        setCooling(controlOutput);
        setHeating(0);
    } else {
        // 制热模式
        setCooling(0);
        setHeating(-controlOutput);
    }
}

说明:

1. 定义了PID控制器的参数：KP（比例系数）、KI（积分系数）和KD（微分系数）。这些参数需要根据实际系统进行调整以获得最佳控制效果。
2. initTempControl函数初始化PID控制器，设置PID参数和输出限制。
3. computeTempControl函数根据当前温度和设定温度计算控制输出。输出范围为0-100，表示控制强度的百分比。
4. executeTempControl函数根据PID控制器的输出执行实际的温度控制。正值表示需要制冷，负值表示需要制热。
5. 控制输出通过setCooling和setHeating函数（未显示）来控制制冷和制热设备的工作强度。

3.4 主循环

以下是设备主循环的代码实现：

#include "main.h"

void setup() {
    initHardware();
    initTempControl();
    setupMQTT();
}

void loop() {
    // 读取当前温度
    float currentTemp = readTemperature();
    
    // 获取设定温度
    float setTemp = getSetTemperature();
    
    // 计算控制输出
    int controlOutput = computeTempControl(currentTemp, setTemp);
    
    // 执行温度控制
    executeTempControl(controlOutput);
    
    // 更新显示
    updateDisplay(currentTemp, setTemp);
    
    // 发布温度数据到MQTT
    mqtt_publish_temperature(currentTemp);
    
    // 处理MQTT消息
    mqtt_client.loop();
    
    // 延时
    delay(5000);  // 每5秒执行一次循环
}

说明：

1. setup函数在设备启动时执行一次，用于初始化硬件、温度控制器和MQTT连接。
2. loop函数是主循环，会不断重复执行。
3. 在每次循环中，程序会读取当前温度、获取设定温度、计算并执行温度控制。
4. 更新本地显示，显示当前温度和设定温度。
5. 将当前温度数据发布到MQTT主题。
6. 调用mqtt_client.loop()处理接收到的MQTT消息。
7. 每次循环后延时5秒，以控制采样和控制频率。

3.5 Web端实现

Web端采用React框架开发,实现了温度监控和远程控制功能。以下是关键组件和代码示例:

3.5.1 温度显示组件

import React, { useState, useEffect } from 'react';
import { Line } from 'react-chartjs-2';

const TemperatureChart = () => {
  const [tempData, setTempData] = useState([]);

  useEffect(() => {
    // 从API获取温度数据
    const fetchData = async () => {
      const response = await fetch('/api/temperature');
      const data = await response.json();
      setTempData(data);
    };

    fetchData();
    // 每5分钟更新一次数据
    const interval = setInterval(fetchData, 300000);

    return () => clearInterval(interval);
  }, []);

  const chartData = {
    labels: tempData.map(d => d.time),
    datasets: [
      {
        label: '温度 (°C)',
        data: tempData.map(d => d.temperature),
        fill: false,
        borderColor: 'rgb(75, 192, 192)',
        tension: 0.1
      }
    ]
  };

  return (
    <div>
      <h2>温度趋势图</h2>
      <Line data={chartData} />
    </div>
  );
};

export default TemperatureChart;

这个组件使用react-chartjs-2库创建了一个温度趋势图。它通过useEffect钩子从API获取温度数据,并每5分钟更新一次。

这个组件允许用户设置目标温度。它使用useState钩子管理设定温度的状态,并通过API将新的温度设置发送到服务器。

3.5.3 主应用组件

import React from 'react';
import TemperatureChart from './TemperatureChart';
import TemperatureControl from './TemperatureControl';

const App = () => {
  return (
    <div>
      <h1>智能温控器控制面板</h1>
      <TemperatureChart />
      <TemperatureControl />
    </div>
  );
};

export default App;

主应用组件整合了温度显示和控制组件,构成了完整的Web控制界面。

3.5.4 API路由

在后端，我们使用Express.js来处理API请求。以下是主要的API路由实现：

const express = require('express');
const router = express.Router();
const mqtt = require('mqtt');

const client = mqtt.connect('mqtt://your-aws-iot-endpoint');

// 获取温度数据
router.get('/api/temperature', async (req, res) => {
  try {
    // 这里应该从数据库或缓存中获取温度数据
    const tempData = await getTemperatureData();
    res.json(tempData);
  } catch (error) {
    console.error('获取温度数据失败:', error);
    res.status(500).json({ error: '获取温度数据失败' });
  }
});

// 设置温度
router.post('/api/setTemperature', (req, res) => {
  const { temperature } = req.body;
  
  // 通过MQTT发送温度设置指令
  client.publish('device/setTemp', JSON.stringify({ temperature }), (err) => {
    if (err) {
      console.error('发送温度设置失败:', err);
      res.status(500).json({ error: '温度设置失败' });
    } else {
      res.json({ message: '温度设置成功' });
    }
  });
});

module.exports = router;

这段代码实现了两个主要的API端点：

1. GET /api/temperature：获取温度数据
2. POST /api/setTemperature：设置目标温度

3.5.5 安全性考虑

在实际部署中，我们需要考虑Web应用的安全性。以下是一些关键的安全措施：

1. 使用HTTPS：确保所有的通信都是加密的。
2. 实现用户认证：使用JWT（JSON Web Tokens）进行用户认证。
3. 输入验证：对所有用户输入进行验证，防止注入攻击。

const https = require('https');
const fs = require('fs');

const options = {
  key: fs.readFileSync('path/to/key.pem'),
  cert: fs.readFileSync('path/to/cert.pem')
};

https.createServer(options, app).listen(443, () => {
  console.log('HTTPS server running on port 443');
});

const jwt = require('jsonwebtoken');

// 中间件：验证JWT token
const authenticateToken = (req, res, next) => {
  const authHeader = req.headers['authorization'];
  const token = authHeader && authHeader.split(' ')[1];

  if (token == null) return res.sendStatus(401);

  jwt.verify(token, process.env.TOKEN_SECRET, (err, user) => {
    if (err) return res.sendStatus(403);
    req.user = user;
    next();
  });
};

// 使用中间件保护路由
router.get('/api/temperature', authenticateToken, async (req, res) => {
  // ...
});

const { body, validationResult } = require('express-validator');

router.post('/api/setTemperature', 
  body('temperature').isFloat({ min: 16, max: 30 }),
  (req, res) => {
    const errors = validationResult(req);
    if (!errors.isEmpty()) {
      return res.status(400).json({ errors: errors.array() });
    }
    // 处理请求...
  }
);

4.项目总结

本智能温控器项目成功地实现了以下目标：

1. 准确的温度采集：使用DHT22传感器实现了高精度的温度数据采集。
2. 智能温度控制：通过PID算法实现了精确的温度控制，可以根据设定温度自动调节制冷或制热设备。
3. 远程监控和控制：利用MQTT协议和AWS IoT平台，实现了设备的远程监控和控制功能。
4. 用户友好界面：通过Web界面和移动APP，为用户提供了直观、方便的操作界面。

在项目开发过程中，我们遇到并解决了以下挑战：

1. 温度控制算法的调优：PID参数的调整需要反复试验，以达到最佳的控制效果。
2. MQTT通信的稳定性：在网络不稳定的情况下，需要实现重连机制以确保通信的可靠性。
3. 功耗优化：通过优化采样频率和休眠策略，降低了设备的整体功耗。