STM32 嵌入式系统设计：传感器采集与低功耗通信实战

// dht22.c
static void _set_pin_output(DHT22_Device_t *dev) {
    GPIO_InitTypeDef gpio = {0};
    gpio.Pin = dev->gpio_pin;
    gpio.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
    gpio.Pull = GPIO_NOPULL;
    gpio.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW;
    HAL_GPIO_Init(dev->gpio_port, &gpio);
}

int8_t DHT22_ReadData(DHT22_Device_t *dev) {
    // 1. 主机拉低总线至少 18ms
    _set_pin_output(dev);
    HAL_GPIO_WritePin(dev->gpio_port, dev->gpio_pin, GPIO_PIN_RESET);
    HAL_Delay(20);
    // 2. 切换为输入，等待从机响应...
    // 3. 调用_read_bit() 读取 40 位数据...
    // 4. 校验数据，解析到 dev->temperature 和 dev->humidity
    // 5. 返回成功或错误码
}

这样在业务任务中只需关注结果：

DHT22_Device_t my_dht22;
DHT22_Init(&my_dht22, GPIOA, GPIO_PIN_1);
if (DHT22_ReadData(&my_dht22) == DHT22_OK) {
    // 直接使用 my_dht22.temperature 和 my_dht22.humidity
}

好处是更换传感器型号或引脚时，只需修改 dht22.c 和初始化参数，业务代码纹丝不动。光照传感器 BH1750 也采用类似封装。

3.2 低功耗休眠与唤醒机制

这是延长电池寿命的关键。利用 STM32 的 Stop 模式，配合 RTC 或外部中断唤醒。

1. 任务设计：创建独立的'电源管理'任务。系统正常工作时采集、发送任务运行，完成后通知电源管理任务。
2. 唤醒处理：RTC 唤醒后，MCU 从 Stop 模式复位重启（保持 RAM 内容）。需在 main 开始时判断唤醒来源，恢复外设时钟和 IO 状态，继续调度。
3. 通信模块断电：休眠前通过 GPIO 控制 MOS 管，彻底切断 LoRa 模块电源，使其零功耗。

进入休眠：

void enter_stop_mode(uint32_t wakeup_seconds) {
    // 1. 挂起所有不必要的外设时钟（如 ADC、I2C）
    // 2. 配置 RTC 在 wakeup_seconds 后产生唤醒中断
    HAL_RTCEx_SetWakeUpTimer_IT(&hrtc, wakeup_seconds, RTC_WAKEUPCLOCK_CK_SPRE_16BITS);
    // 3. 设置所有 IO 口为模拟输入（防漏电，根据实际需要调整）
    // 4. 执行 HAL_PWR_EnterSTOPMode(PWR_LOWPOWERREGULATOR_ON, PWR_STOPENTRY_WFI);
}

3.3 数据帧的幂等性设计

为保证数据在不可靠信道中可靠传输，设计简单的应用层协议。

1. 帧结构：[帧头 (2B) | 设备 ID(2B) | 数据长度 (1B) | 命令字 (1B) | 数据载荷 (NB) | CRC16(2B)]。
2. 幂等性：数据载荷包含时间戳。即使重传多次，服务器端可根据'设备 ID+ 时间戳'判断重复数据，避免重复入库。

实现示例（发送端）：

typedef struct {
    uint16_t device_id;
    uint32_t timestamp; // 来自 RTC
    float temperature;
    float humidity;
    float light_lux;
} sensor_data_t;

void lora_send_sensor_data(sensor_data_t *data) {
    uint8_t buffer[64];
    int len = 0;
    buffer[len++] = 0xAA; // 帧头
    buffer[len++] = 0x55; // 填充设备 ID、长度、命令字...
    memcpy(&buffer[len], data, sizeof(sensor_data_t));
    len += sizeof(sensor_data_t);
    // 计算 CRC16，填充到 buffer 末尾...
    uart_send_bytes(buffer, len); // 先通过 UART 打印，便于调试
    lora_send_bytes(buffer, len); // 再通过 LoRa 发送
}

4. 性能与安全性考量

1. 电流实测：STM32F4 在 Run 模式（100MHz）下约 20mA，Stop 模式（RTC 运行）下约 50μA。LoRa 发送瞬间约 120mA。每 5 分钟唤醒工作 10 秒，平均电流约为 (10s*20mA + 290s*0.05mA) / 300s ≈ 0.7mA，对于 2000mAh 电池，理论续航超过 100 天。
2. 看门狗配置：同时启用独立看门狗（IWDG）和窗口看门狗（WWDG）。IWDG 防止程序跑飞，WWDG 监控高优先级任务是否卡死。
3. 固件更新安全边界：Flash 划分为 Bootloader 区、应用程序 A 区、应用程序 B 区（备份）和参数区。Bootloader 跳转前校验 CRC 或哈希值，升级中断可回滚。

5. 生产环境避坑指南

1. 引脚复用冲突：务必在 CubeMX 中检查 Pinout view，确认没有黄色警告。初期规划好所有外设引脚分配。
2. 时钟树配置错误：I2C 时钟频率过高或不稳定，RTC 时钟源选择错误会导致休眠不准。核对 SystemClock_Config 生成的代码。
3. JTAG/SWD 调试接口占用：默认 PA13-PA15、PB3-PB4 用于调试。若配置为普通 GPIO 会导致仿真器无法连接。在 Debug 中选择 Serial Wire 释放部分引脚。
4. 中断优先级配置不当：FreeRTOS 的 Systick 和 PendSV 优先级必须最低。硬件外设中断优先级可适当设高。遵循'关键实时中断高优先级，系统管理中断低优先级'。
5. 未处理的 HardFault：添加 HardFault_Handler 函数，记录错误信息，排查内存访问越界、栈溢出等致命错误。

6. 总结与项目扩展

通过该项目，实践了嵌入式开发中的工程化思想：模块化设计解耦硬件、操作系统管理复杂逻辑、低功耗设计延长寿命、协议设计保证可靠。这套框架具有很强的可移植性。

如果想挑战更复杂的工业场景，可以尝试扩展 Modbus RTU 从站 支持。将数据映射到 Modbus 保持寄存器中，任何支持 Modbus 的主站（如 PLC、上位机）都可以读取数据，提升项目应用价值。

嵌入式开发路上坑很多，每填平一个，功力就增长一分。动手试试吧。