STM32 环境监测系统 (STM32-EnvMonitor)

基于 STM32F4 + FreeRTOS 的多传感器数据采集与显示系统，支持 AHT20（温湿度）、BH1750（光照）、BMP280（气压）传感器，OLED 实时显示，UART JSON 数据上报。

系统架构

+--------------------------------------------------+
|              STM32F407 (主控)                     |
|  +----------+  +-----------+  +-----------+      |
|  | FreeRTOS |  | Sensor    |  | OLED      |      |
|  | 调度器   |  | Manager   |  | Driver    |      |
|  +----+-----+  +-----+-----+  +-----+-----+      |
|       |               |               |            |
|  +----+----+----+-----+------+--------+---+       |
|  |         任务层                     |       |
|  | +------+ +------+ +------+ +----+ |       |
|  | |Sensor| |Display| |Report| |LED | |       |
|  | |Task  | |Task  | |Task  | |Task| |       |
|  | +--+---+ +--+---+ +--+---+ +-+--+ |       |
|  |    |        |        |       |     |       |
|  +----+--------+--------+-------+-----+       |
|       |                           |            |
|  +----+--------+--------+---------+---+       |
|  |         BSP驱动层                 |       |
|  | +------+ +------+ +------+ +----+ |       |
|  | |AHT20 | |BH1750| |BMP280| |SSD | |       |
|  | |(T/H) | |(Lux) | |(P)   | |1306| |       |
|  | +------+ +------+ +------+ +----+ |       |
|  +--------+--------+------+-------+       |
|                                                    |
|  HAL库 + FreeRTOS + CMSIS                          |
+--------------------------------------------------+
       |I2C1      |I2C1    |USART1
   +---+----+  +---+----+  +---+----+
   | AHT20  |  |BH1750 |  | PC/串口|
   | BMP280 |  |OLED   |  | 终端   |
   +--------+  +-------+  +--------+

功能特性

• 多传感器采集: AHT20(温湿度)、BH1750(光照)、BMP280(气压)
• 实时显示: 0.96寸OLED四页面循环显示
• 数据上报: UART JSON格式协议, 115200波特率
• RTOS调度: FreeRTOS多任务, 优先级调度
• 统一接口: 传感器管理中间件(register/get/read模式)
• I2C总线保护: 信号量互斥, 支持多设备共享总线
• LED状态指示: 根据系统状态自动切换闪烁频率

硬件清单

器件	型号	说明
MCU	STM32F407VGT6	Cortex-M4, 168MHz, 1MB Flash
温湿度传感器	AHT20	I2C, ±0.3°C / ±2%RH
光照传感器	BH1750FVI	I2C, 1-65535 lux
气压传感器	BMP280	I2C, 300-1100 hPa
OLED显示屏	0.96寸 SSD1306	I2C, 128x64
晶振	8MHz HSE	外部高速晶振

接线说明

STM32F407        AHT20/BMP280/BH1750    OLED (SSD1306)      USB-TTL
-----------      -------------------    --------------      --------
PB6 (I2C1_SCL) -- SCL                  -- SCL
PB7 (I2C1_SDA) -- SDA                  -- SDA
PA8 (GPIO)     --                      -- RST
PA9  (USART1_TX)                       -- (NC)
PA10 (USART1_RX)                       -- (NC)
3.3V           -- VCC                  -- VCC              -- VCC
GND            -- GND                  -- GND              -- GND
                                         3.3V  -- VCC
                                                        -- RX (PA9)
                                                        -- TX (PA10)

注意:
- AHT20地址: 0x38 | BMP280地址: 0x76 | BH1750地址: 0x23 | OLED地址: 0x3C
- 所有I2C设备共享同一总线 (I2C1: PB6/PB7)
- I2C上拉电阻: 使用4.7K上拉到3.3V (大多数模块已自带)

UART数据协议

JSON格式, 每行一条, 115200波特率:

{"type":"boot","device":"STM32-EnvMonitor","ver":"1.0"}
{"T":25.5,"H":60.2,"L":450,"P":1013.2,"ts":12345}

字段说明:

字段	含义	单位	范围
T	温度	°C	-40~85
H	湿度	%RH	0~100
L	光照	lux	0~65535
P	气压	hPa	300~1100
ts	时间戳	ms	系统运行毫秒数

项目结构

STM32-EnvMonitor/
|-- CMakeLists.txt              # CMake构建文件
|-- .gitignore                  # Git忽略规则
|-- README.md                   # 项目文档
|
|-- Core/
|   |-- Inc/
|   |   |-- main.h              # 主头文件 (引脚定义/外设声明)
|   |   +-- stm32f4xx_hal_conf.h  # HAL库裁剪配置
|   +-- Src/
|       +-- main.c              # 主函数 (初始化/任务创建)
|
|-- Drivers/
|   |-- BSP/                    # 板级支持包 (硬件驱动)
|   |   |-- aht20.h/c           # AHT20温湿度驱动
|   |   |-- bh1750.h/c          # BH1750光照驱动
|   |   |-- bmp280.h/c          # BMP280气压驱动
|   |   |-- oled.h/c            # OLED SSD1306驱动
|   |   +-- oledfont.h          # OLED ASCII字模 (6x8/8x16)
|   +-- Middleware/              # 中间件
|       +-- sensor_manager.h/c  # 传感器统一管理接口
|
+-- User/
    |-- Inc/
    |   +-- task_define.h       # FreeRTOS任务/队列/信号量定义
    +-- Src/
        |-- sensor_task.c       # 传感器采集任务
        |-- display_task.c      # OLED显示任务
        |-- report_task.c       # UART数据上报任务
        +-- led_task.c          # LED状态指示任务

FreeRTOS任务设计

任务	优先级	栈大小	周期	功能
SensorTask	高	256字	1000ms	采集所有传感器数据
DisplayTask	中高	512字	500ms	OLED四页面循环显示
ReportTask	中	512字	2000ms	UART JSON数据上报
LedTask	低	128字	500ms	LED状态闪烁指示

编译

前提条件

• ARM GCC工具链 (arm-none-eabi-gcc)
• CMake >= 3.20
• STM32F4 HAL库
• FreeRTOS源码

编译步骤

1. 克隆项目:

git clone https://github.com/jun-chy/STM32-EnvMonitor.git
cd STM32-EnvMonitor

# 将HAL库和FreeRTOS放入Libraries目录
# Libraries/
#   |-- STM32F4xx_HAL_Driver/
#   |-- CMSIS/
#   +-- FreeRTOS/

2. 使用CMake构建:

mkdir build && cd build
cmake -DCMAKE_TOOLCHAIN_FILE=../cmake/arm-none-eabi.cmake ..
make -j4

3. 生成 STM32_EnvMonitor.bin 和 STM32_EnvMonitor.hex

烧录

# OpenOCD + ST-Link
openocd -f interface/stlink.cfg -f target/stm32f4x.cfg \
  -c "program STM32_EnvMonitor.elf verify reset exit"

# 或使用STM32CubeProgrammer

依赖

依赖	版本	说明
STM32F4 HAL	1.27+	ST官方HAL库
CMSIS	5.x	ARM Cortex微控制器软件接口标准
FreeRTOS	10.x	实时操作系统内核

开发环境

推荐使用以下任一方式:

• STM32CubeIDE - ST官方免费IDE, 集成CubeMX
• VS Code + CMake - 轻量级, 配合Cortex-Debug插件
• Keil MDK - 商业IDE, 需手动导入文件
• PlatformIO - 开源生态, 配置灵活

许可证

MIT License