实战：智能传感器节点

项目概述

本章构建一个完整的室内环境监测节点，综合运用前9章所有知识点：

系统架构图

关键概念

DHT22 驱动实现

/**
 * DHT22 单总线驱动
 * 需要精确的微秒延时，使用 DWT 计数器实现
 */
#define DHT22_PIN   GPIO_PIN_1
#define DHT22_PORT  GPIOA

/* DWT 微秒延时初始化（Cortex-M4 调试计数器）*/
void DWT_Delay_Init(void) {
  CoreDebug->DEMCR |= CoreDebug_DEMCR_TRCENA_Msk;
  DWT->CYCCNT = 0;
  DWT->CTRL  |= DWT_CTRL_CYCCNTENA_Msk;
}

void delay_us(uint32_t us) {
  uint32_t start   = DWT->CYCCNT;
  uint32_t cycles  = us * (SystemCoreClock / 1000000);
  while ((DWT->CYCCNT - start) < cycles);
}

static void DHT22_SetOutput(void) {
  GPIO_InitTypeDef g = {DHT22_PIN, GPIO_MODE_OUTPUT_OD, GPIO_NOPULL, GPIO_SPEED_FREQ_HIGH, 0};
  HAL_GPIO_Init(DHT22_PORT, &g);
}
static void DHT22_SetInput(void) {
  GPIO_InitTypeDef g = {DHT22_PIN, GPIO_MODE_INPUT, GPIO_PULLUP, GPIO_SPEED_FREQ_HIGH, 0};
  HAL_GPIO_Init(DHT22_PORT, &g);
}

typedef struct { float temp; float humi; uint8_t ok; } DHT22_Data_t;

DHT22_Data_t DHT22_Read(void) {
  DHT22_Data_t result = {0};
  uint8_t data[5] = {0};

  /* 主机发起：拉低 1.5ms，再释放（拉高）*/
  DHT22_SetOutput();
  HAL_GPIO_WritePin(DHT22_PORT, DHT22_PIN, GPIO_PIN_RESET);
  HAL_Delay(2);
  HAL_GPIO_WritePin(DHT22_PORT, DHT22_PIN, GPIO_PIN_SET);
  delay_us(30);
  DHT22_SetInput();

  /* 等待 DHT22 响应低电平（约80μs）*/
  uint32_t timeout = HAL_GetTick() + 10;
  while (HAL_GPIO_ReadPin(DHT22_PORT, DHT22_PIN) && HAL_GetTick() < timeout);
  while (!HAL_GPIO_ReadPin(DHT22_PORT, DHT22_PIN) && HAL_GetTick() < timeout);
  while (HAL_GPIO_ReadPin(DHT22_PORT, DHT22_PIN) && HAL_GetTick() < timeout);

  /* 读取 40 bit 数据 */
  for (int i = 0; i < 40; i++) {
    while (!HAL_GPIO_ReadPin(DHT22_PORT, DHT22_PIN));   /* 等待高电平 */
    delay_us(40);  /* 40μs 后采样：>28μs = 1，<28μs = 0（因为0只有26-28μs高）*/
    if (HAL_GPIO_ReadPin(DHT22_PORT, DHT22_PIN))
      data[i / 8] |= (1 << (7 - i % 8));
    while (HAL_GPIO_ReadPin(DHT22_PORT, DHT22_PIN));    /* 等待低电平 */
  }

  /* 校验（前4字节之和 = 第5字节）*/
  if ((data[0]+data[1]+data[2]+data[3]) == data[4]) {
    result.humi = ((data[0] << 8) | data[1]) / 10.0f;
    result.temp = (((data[2] & 0x7F) << 8) | data[3]) / 10.0f;
    if (data[2] & 0x80) result.temp = -result.temp;  /* 负温度 */
    result.ok = 1;
  }
  return result;
}

低功耗 STOP 模式实现

/**
 * 在 FreeRTOS Idle 任务钩子中进入 STOP 模式
 * 配置：FreeRTOSConfig.h 中 configUSE_IDLE_HOOK = 1
 */
void vApplicationIdleHook(void) {
  /* 进入 STOP 模式，降低功耗 */
  /* 由 RTC Alarm 或 EXTI 唤醒（SysTick 在 STOP 中停止！）*/
  HAL_PWR_EnterSTOPMode(PWR_LOWPOWERREGULATOR_ON, PWR_STOPENTRY_WFI);

  /* 唤醒后：时钟回到 HSI 16MHz，需要重新配置 PLL */
  SystemClock_Config();   /* 恢复 168MHz */
}

/**
 * 深度低功耗：STANDBY 模式（仅电池供电设备）
 * 唤醒后相当于复位，SRAM 数据丢失
 * 使用 RTC 每分钟唤醒一次，采集数据后再次进入 STANDBY
 */
void Enter_Standby_Mode(uint32_t wake_after_sec) {
  /* 配置 RTC 闹钟 N 秒后唤醒 */
  RTC_AlarmTypeDef sAlarm = {0};
  /* ... 省略 RTC 配置细节 ... */

  /* 清除 WU 标志，使能 WU 引脚 */
  __HAL_PWR_CLEAR_FLAG(PWR_FLAG_WU);
  HAL_PWR_EnableWakeUpPin(PWR_WAKEUP_PIN1);

  /* 进入 STANDBY（永不返回，只有复位/唤醒才能退出）*/
  HAL_PWR_EnterSTANDBYMode();
}

/* 功耗对比（STM32F407，3.3V 供电）：*/
/* 正常运行 168MHz   : ~50mA = ~165mW  */
/* SLEEP 模式（停CPU): ~25mA = ~82mW   */
/* STOP 模式         : ~1.1mA = ~3.6mW */
/* STANDBY 模式      : ~2.8μA = ~9.2μW */

Bootloader 基础概念与跳转

/**
 * Bootloader 跳转到应用程序
 * APP_ADDR = 0x08008000（Application 在 Flash 的起始地址）
 * 应用程序的链接脚本中 FLASH origin 也要改为 0x08008000
 * STM32CubeMX → SCB->VTOR = APP_ADDR（重定向中断向量表）
 */
#define APP_ADDR  0x08008000U

typedef void (*pFunction)(void);

void Bootloader_JumpToApp(void) {
  uint32_t app_sp    = *((uint32_t*) APP_ADDR);         /* 应用栈顶 */
  uint32_t app_reset = *((uint32_t*)(APP_ADDR + 4));    /* 应用复位向量 */

  /* 检查栈顶地址是否在 SRAM 范围内 */
  if ((app_sp & 0xFF000000) != 0x20000000) {
    /* 应用程序不存在或损坏，保持在 Bootloader */
    return;
  }

  /* 关闭所有中断，防止跳转后中断打入 Bootloader 的 ISR */
  __disable_irq();
  HAL_DeInit();

  /* 重定向中断向量表到应用程序地址 */
  SCB->VTOR = APP_ADDR;

  /* 设置主栈指针 */
  __set_MSP(app_sp);

  /* 跳转！*/
  pFunction jump = (pFunction)app_reset;
  jump();  /* 永不返回 */
}

/* Bootloader main 逻辑（简化）*/
int main(void) {
  HAL_Init();
  SystemClock_Config();
  USART1_Init();

  /* 等待 500ms，若收到升级命令进入升级流程 */
  if (Bootloader_CheckUpdate()) {
    Bootloader_ReceiveFirmware();   /* Ymodem/XMODEM 或自定义协议 */
  }

  Bootloader_JumpToApp();   /* 跳转到应用 */
  while(1);  /* 永不到达 */
}

完整项目数据上报格式

/* Task_Report：每 5 秒打包一次 JSON 上报 */
void Task_Report(void *pvParams) {
  SensorData_t data;
  char json_buf[128];
  static uint32_t seq = 0;

  for (;;) {
    /* 等待最新数据（超时 6 秒，超时则上报错误）*/
    if (xQueuePeek(qSensorData, &data, pdMS_TO_TICKS(6000)) == pdPASS) {
      snprintf(json_buf, sizeof(json_buf),
        "{\"seq\":%lu,\"t\":%.1f,\"h\":%.1f,\"p\":%.1f,\"ts\":%lu}\r\n",
        seq++, data.temperature, data.humidity,
        data.pressure / 100.0f,   /* Pa → hPa */
        data.timestamp);
    } else {
      snprintf(json_buf, sizeof(json_buf),
        "{\"seq\":%lu,\"err\":\"sensor_timeout\"}\r\n", seq++);
    }
    UART_DMA_Send((uint8_t*)json_buf, strlen(json_buf));
    vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(5000));
  }
}