基于 STM32 和 μC/OS 的智能温度监控系统设计与实现

——一个支持远程监控与告警的嵌入式实践项目

随着物联网与智能硬件的发展，环境监控系统已经成为工业、农业、智能家居等领域的重要组成部分。其中，温度监控作为最基础的参数采集手段，其实时性、准确性和可靠性直接影响系统的整体性能。传统的温度监控系统通常依赖本地显示或上位机监控，缺乏远程访问与智能告警功能。

本项目基于 STM32 微控制器，结合 μC/OS 实时操作系统和 LWIP 网络协议栈，实现了一套支持手机 App 远程监控和温度告警的智能温度监控系统。通过多任务协作和网络通信，该系统不仅具备高实时性和稳定性，还为物联网应用提供了良好的实践案例。本文将从系统设计、硬件选型、软件架构到实现细节进行全面讲解，为读者提供完整的嵌入式项目参考。

一、项目背景与设计目标

在工业控制、智能家居、机房运维、冷链运输等场景中，温度监控系统都是最基础、也是最关键的组成部分之一。传统温度监控方案通常存在以下问题：

• 数据只能本地查看，无法远程实时获取
• 业务逻辑与硬件耦合严重，扩展性差
• 告警机制简单，难以动态配置
• 网络功能依赖上位机，系统独立性不足

随着嵌入式设备算力的提升以及 RTOS 与 TCP/IP 协议栈的成熟，在 MCU 端直接实现网络化、智能化的温度监控系统成为可能。

本项目基于 STM32 微控制器，通过移植 μC/OS（uCOS）实时操作系统 和 LWIP 网络协议栈，实现了一个具备以下能力的智能温度监控系统：

• 实时采集环境温度
• 通过以太网/WiFi 将温度数据上传
• 手机 App 远程查看温度数据
• 支持远程配置温度阈值
• 超限自动告警推送

该项目不仅是一个功能完整的应用系统，同时也非常适合作为 RTOS + 网络协议栈综合实战案例。

源码分享

直接放到之前写的文章里了，免费开源，下载学习即可。

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

二、系统总体架构设计

2.1 系统架构概览

整体系统采用 端–网–云–App 的典型物联网架构，核心结构如下：

+-------------------+
|     手机 App      |
|  温度显示/配置    |
+---------▲---------+
          |
          | TCP / HTTP / Socket
          |
+---------▼---------+
|   STM32 设备端    |
| μC/OS + LWIP      |
| 温度采集 / 告警   |
+---------▲---------+
          |
          | 传感器接口
          |
+---------▼---------+
|   温度传感器      |
+-------------------+

2.2 设计目标拆解

从工程角度，本系统的设计目标可以拆解为四个层面：

1. 实时性

   • 温度采集任务具备确定性调度
   • 告警响应延迟可控

2. 稳定性

   • 多任务并发运行，互不干扰
   • 网络异常不影响核心采集逻辑

3. 可扩展性

   • 可扩展更多传感器
   • 可支持多种通信方式

4. 可维护性

   • 模块化代码结构
   • 明确的任务划分与接口定义

三、硬件平台设计

3.1 主控芯片选型

项目采用 STM32 系列 MCU（如 STM32F4 / STM32F1 均可），主要考虑以下因素：

• Cortex-M 内核，性能与功耗平衡
• 丰富的外设资源（ADC、SPI、I2C、USART、ETH）
• 社区成熟，资料丰富
• 对 μC/OS 和 LWIP 支持良好

3.2 温度传感器选型

温度传感器可根据实际需求选择，例如：

• DS18B20：

  • 数字温度传感器
  • 单总线通信，抗干扰强

• NTC + ADC：

  • 成本低
  • 软件需进行温度曲线拟合

• DHT11 / DHT22：

  • 同时支持温湿度

本项目以 DS18B20 为例进行说明。

四、软件系统架构设计

4.1 为什么选择 μC/OS

μC/OS 是一款经典的实时操作系统，适合中小型嵌入式系统：

• 内核精简、实时性强
• 任务管理、信号量、消息队列机制成熟
• 学习价值高，非常适合理解 RTOS 原理

在本项目中，μC/OS 的核心作用是：

将“温度采集、网络通信、告警处理、配置管理”等功能解耦为多个并发任务

4.2 任务划分设计

系统任务划分如下：

这种划分方式遵循两个原则：

• 时间敏感任务优先级高
• 逻辑职责单一，任务之间通过 OS 机制通信

4.3 任务间通信机制

系统中大量使用 μC/OS 提供的 IPC 机制：

• 消息队列（Queue）

  • 温度数据从采集任务发送到网络任务

• 信号量（Semaphore）

  • 保护共享配置数据

• 事件标志组（Event Flag）

  • 告警触发通知

这种方式避免了大量的全局变量，提高了系统健壮性。

五、LWIP 协议栈移植与网络通信

5.1 LWIP 简介

LWIP（Lightweight IP）是一个轻量级 TCP/IP 协议栈，专为嵌入式系统设计，具有以下特点：

• 占用资源小
• 支持 TCP / UDP / HTTP
• 可运行在 RTOS 或裸机环境

本项目中，LWIP 运行在 μC/OS 之上，形成：

硬件 → 驱动 → LWIP → 应用层任务

5.2 网络通信模型

系统采用 客户端模式：

• STM32 主动连接服务器或 App
• 周期性上报温度数据
• 接收远程配置命令

通信数据格式可采用 JSON，例如：

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

这种格式具备良好的可读性，便于 App 和后端解析。

六、温度监控与告警逻辑设计

6.1 温度采集与处理

温度采集流程如下：

1. 触发传感器采样
2. 读取原始数据
3. 进行滤波处理（滑动平均）
4. 转换为实际温度值
5. 发送至消息队列

通过滤波可以有效降低环境噪声带来的抖动。

6.2 阈值判断与告警机制

系统支持 动态温度区间配置：

• 最低温度阈值
• 最高温度阈值

当温度超出区间时：

• 触发告警事件
• 通过网络立即上报
• App 显示告警信息

告警逻辑运行在独立任务中，避免影响采集实时性。

七、手机 App 远程监控设计

手机 App 主要功能包括：

• 实时显示温度曲线
• 查看历史温度数据
• 设置温度上下限
• 接收告警通知

从系统角度看，App 只是一个 网络客户端，真正的核心逻辑全部运行在 STM32 端，这使系统具备更强的独立性和可靠性。

八、系统测试与运行效果

经过实际测试，系统表现如下：

• 温度采集周期稳定
• 网络通信可靠
• 多任务并发运行无明显抖动
• 告警响应及时

即使在网络异常的情况下，系统仍能本地正常运行，网络恢复后自动重连。

九、项目总结与扩展方向

9.1 项目总结

本项目完整地实践了：

• STM32 外设驱动开发
• μC/OS 多任务实时系统设计
• LWIP 网络协议栈移植与使用
• 嵌入式设备与 App 的通信

它不仅是一个功能完整的温度监控系统，更是一个 RTOS + 网络综合应用范例。

9.2 可扩展方向

后续可以进一步扩展：

• 支持 MQTT / 云平台
• 增加湿度、气压等传感器
• 引入 OTA 远程升级
• 加入本地显示与按键交互

本项目基于 STM32 微控制器，结合 μC/OS 实时操作系统和 LWIP 协议栈，实现了一个功能完善的智能温度监控系统。系统通过多任务并发设计，实现了温度采集、网络通信、告警处理和远程配置的有机协作。经过测试，系统在实时性、稳定性和可扩展性方面表现良好，能够通过手机 App 实时监控温度数据并接收告警通知。

该项目不仅展示了嵌入式系统的实际应用能力，也为后续扩展物联网功能（如 MQTT、云端存储和远程升级）提供了良好的基础。整体来看，这是一个兼具实用性与可学习价值的嵌入式智能监控解决方案。