2026-08-08 21:13:56 +08:00
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# 智能水产投料机 V1.2.0
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2026-08-08 20:04:09 +08:00
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## 工程概述
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本工程基于 **STM32F103RCT6** + **STM32Cube HAL** + **Keil MDK**，实现设备的控制、联网与投喂。
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- **BootLoader**：`STM32F103_BootLoader/`，负责 OTA 固件烧录、试运行计数与失败回滚
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2026-08-08 21:13:56 +08:00
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- **应用固件**：`STM32F103_App1/`，当前运行版本 V1.2.0
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2026-08-08 20:04:09 +08:00
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- **双网络通道**：4G(Air780E/EG) 优先，WiFi(ESP-01S) 兜底，见下文"双通道网络"
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## 产品型号配置
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同一套板子适配两种产品，编译前在 `Inc/main.h` 顶部通过一个宏二选一：
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```c
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#define PRODUCT_WITH_FEED_SCALE 0
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| 取值 | 产品 | 投喂行为 |
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| `1` | 智能水产投料机（接 RS485 磅秤） | `feeding` 按 `onceWt` 定量自动投喂，带重量反增/超时保护；`sw1` 指令被忽略 |
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| `0` | 基础四路继电器（不接磅秤） | `feeding` / `sw1` 直接开关投喂继电器 1，由平台侧自行计时 |
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## 硬件接口
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| 接口 | 用途 | 引脚 | 参数 |
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| USART1 | 蓝牙串口调试 / 日志输出 | PA9/PA10 | 115200-8N1 |
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| USART2 | RS485 喂料秤 | PA2/PA3 | 9600-8N1 |
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| USART3 | 4G Air780E/EG MQTT+GNSS | PB10/PB11 | 921600-8N1（见下文波特率自适应） |
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| UART4 | WiFi ESP-01S | PC10/PC11 | 115200→921600-8N1（见下文 WiFi 波特率同步） |
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| ESP_RST | WiFi 模块复位 | PA5 | 低电平 500ms 复位 |
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| Relay1 | 投喂电机控制 | PB7 | 高电平吸合 |
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| Relay2~4 | 备用控制 | PB8/PC0/PC2 | 高电平吸合 |
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| I2C（软件） | AT24C02 配置存储 | PA11/PA12 | 页写入 |
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| SPI（软件） | W25Q64 外部 Flash | PB3/PB4/PA15/PB5 | OTA 固件暂存 |
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| ADC1 | 电池电压检测 | PA0 | 低电量上报 `pow:0` |
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| PA8 | 手动模式检测 | PA8 | 高电平=手动模式 |
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| PC13 | LED2 心跳 / TPL5010 喂狗 | PC13 | 每 1s 翻转（见下文看门狗） |
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## 看门狗（双狗架构）
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| 看门狗 | 超时 | 喂狗点 | 作用 |
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| IWDG（片内独立看门狗） | ~26s（LSI 漂移下最短 ~17s） | APP 主循环、`app_bg_service()`（所有 AT/OTA 等待每 20ms 让出一次）；BL 的擦除/拷贝循环 | 固件卡死 → 复位；BL 启动，OTA 试运行期计一次试错 |
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| TPL5010（外置硬件狗） | 7 分钟 | PC13(LED2) 电平翻转：APP `activeEvents()` 每秒翻转；BL 进入时及长循环中翻转 | MCU 完全失控（含 IWDG 失效）时的最后兜底 |
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注意：LED2 同时承担运行指示和外部狗喂狗，**修改 LED2 闪烁逻辑时必须保持周期性翻转**，否则 7 分钟后整板复位。
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## 双通道网络（4G 优先，WiFi 兜底）
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网络层 `HardWare/NETWORK/network.c` 对业务层屏蔽底层模组差异，业务只调 `NET_*` 接口；4G 后端（`CAR/air780e.c`，模组内置 MQTT）与 WiFi 后端（`NETWORK/net_wifi.c`，TCP 透传 + 软件 MQTT）同构，运行时互斥切换。
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### 通道切换状态机
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4G 模式：无 SIM 卡 / 无信号（AT+CSQ 判定）→ 每 10s 重试 air780e_init()，
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连续 3 次仍不可用 → 切 WiFi（NET_NO_SIM_SWITCH_COUNT）
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WiFi 连接（net_wifi_init，阻塞式，期间 bg_delay 喂狗）：
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① 等已保存热点自动连接（20s，SmartConfig/历史 CWJAP 保存的 AP）
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② 连代码里固定的 SSID/PASS（esp8266.h 的 WIFI_SSID/WIFI_PASS，60s 倒计时）
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③ ESP-Touch SmartConfig 智能配网（60s 倒计时，配到的热点由模块保存）
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全部失败 → 切回 4G，如此循环
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WiFi 运行：30s MQTT PINGREQ 心跳；TCP 断开(CLOSED)/心跳超时 → 自动重连，重连失败回 4G
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### WiFi 通道实现要点
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- **TCP 透传 + 软件 MQTT**：ESP-01S 用 `AT+CIPMODE=1` + `AT+CIPSEND` 进透传，MQTT 3.1.1 协议栈在 MCU 软件实现（`HardWare/WIFI/mqtt_client.c`），不用 AT+MQTT
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- **WiFi 波特率同步**：ESP-01S 出厂/RESTORE 后 115200，初始化时探测并用 `AT+UART_DEF=921600` 固化（掉电保存），MCU 侧 `UART4_SetBaudRate()` 同步；失败自动回滚维持 115200
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- **接收缓冲共享**：WiFi 与 4G 互斥运行，共用 `Rx_Buf`/`U2_CopyBuff`（`stm32f1xx_it.c` 两路 IDLE 均带激活后端守卫），RAM 增量 <2KB
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- **AT 应答严格匹配**：发送后才清接收缓冲（防上一条应答迟到尾巴造成"假成功"）、二进制安全匹配、收到 `ERROR`/`FAIL` 立即失败；进透传前先 `AT+CIPCLOSE` 清残留连接、`CIPMUX=0` 先于 `CIPMODE=1`
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- **ORE 自愈**：921600 高波特率下 UART 溢出会让 HAL 中止 DMA 接收，`HAL_UART_ErrorCallback` 里按当前激活通道立即重新武装
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- **WiFi 通道不支持 OTA**：收到升级指令回复平台 "WiFi channel, OTA via 4G only"
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## 4G 波特率自适应（115200 → 921600）
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- Air780E 出厂/自适应模式只覆盖 9600~115200；921600 必须用 `AT+IPR` 固定。
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- APP 联网时**永远先按 115200 探测**（避免向自适应侦测窗口发送其他波特率的乱码）：
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- 通 → 发 `AT+IPR=921600` + `AT&W` 固化，切换到 921600（日志出现 `baud -> 921600`）；
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- 不通（模块已固化 921600）→ 直接切 921600 连接。
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- 切换由 `USART3_SetBaudRate()` 运行中重写 BRR 完成，不影响 GPIO/DMA/NVIC。
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## 4G 信号检测（AT+CSQ）
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- 网络附着（CGATT）成功后查询一次 `AT+CSQ`，rssi(0~31) 转百分比串口输出：`> 4G: signal 77% (rssi=24)`
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- 无信号（rssi=99 或 <2）：置 `g_no_signal_detected`，与无 SIM 走同一套重试/回退 WiFi 逻辑
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- 信号弱（<20%）：告警但继续联网
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## GPS 定位上报（仅 4G 通道，Air780EG）
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参考工程《air780EG-V1.1加入北斗GPS数据》移植实现（`air780e.c` 的 `air780e_gps_poll()`）。
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### 工作流程
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1. **GNSS 初始化**：4G 拨号（`AT+SAPBR=1,1`）成功后执行 `AT+CGNSPWR=1`（开 GNSS 电源）+ `AT+CGNSAID=31,1,1,1`（A-GPS 辅助定位）。非 EG 版本模组回 ERROR 时仅告警并关闭轮询（`s_gnss_present=0`），不影响联网
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2. **周期查询**：联网 60 秒后首次查询（`GPS_FIRST_DELAY_MS`，留搜星时间），之后每 5 分钟一次（`GPS_REPORT_INTERVAL_MS`）`AT+CGNSINF`
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3. **解析**：`+CGNSINF: run,fix,UTC,lat,lon,...`，手工按逗号切分（不依赖 sscanf scanset）。**定位无效（fix≠1）跳过本次上报**（室内常见），不发空串
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4. **坐标转换**：WGS-84 → GCJ-02（见下节）
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5. **上报**：模组内置 MQTT `AT+MPUB`，topic `/iot/data/up/<ClientID>`
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### 上报格式
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云平台字段标识符 **`GPS`**，**经度在前、纬度在后**（高德/GeoJSON 习惯）：
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```json
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{"header":"iot.prop.post","body":{"GPS":"115.924092,28.679470"}}
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```
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### 坐标系转换（WGS-84 → GCJ-02）
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GPS 模块输出 WGS-84 原始坐标，**直接输入高德地图会有 100~600m 加密偏移**（国内地图强制使用 GCJ-02"火星坐标系"）。固件在上报前用公开标准算法完成转换（`wgs84_to_gcj02()`，三角函数近似，中国境外自动跳过），上报的坐标可直接输入高德地图/坐标拾取器。
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> 注意：若改用百度地图，需要再转一层 GCJ-02 → BD-09。
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### 保护机制
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- OTA 下载期间（`g_net_tx_busy`）禁止 GPS 查询插队，避免污染 HTTP 数据流
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- 查询等待期间有平台下行命令（`+MSUB:`）插队时主动让行，不吞继电器指令
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### 使用注意
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- GPS 天线需能看到天空：室内基本无法定位（`> GPS: no fix, skip` 属正常），窗边/阳台通常可定，室外最佳；冷启动首次定位约 1~3 分钟
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- 验证：串口日志 `> GPS: 115.924092,28.679470`，或直接看平台 `GPS` 字段
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## OTA 升级
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### 流程
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```text
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平台下发 iot.ota.upgrade.post(url, crc16, ver)
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→ APP: 模块硬复位 → HTTP HEAD 拿大小 → 擦 W25Q64 槽 B
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→ 3072 字节/块分段下载（AT+HTTPPARA BREAK/BREAKEND + HTTPACTION + HTTPREAD）
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→ 每块写 W25Q64 并回读校验，全程累计 CRC16
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→ 整包 CRC + 栈顶/复位向量校验 → 可靠上报 result.post（等 OK + 重试）
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→ 写 OTA 信息区(状态 DOWNLOADED) → 复位进 BootLoader
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BootLoader:
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→ 擦除备份槽 → 备份当前 APP1 到槽 A（失败则中止更新，留在旧版本）
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→ 擦 APP1 → 写入新固件 → CRC + 向量校验 → 状态 INSTALLED → 跳转
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新 APP 试运行:
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→ MQTT 就绪 + 首次发布成功 + 3s → 上报 confirm.post
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→ 确认标志写 W25Q64（回读验证 + 3 次重试）→ 版本号存 EEPROM
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→ 下次启动 BL 清理 OTA 标志，升级完成
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### Flash 分区
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内部 Flash（256KB）：
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| 区域 | 地址 | 大小 |
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| BootLoader | `0x08000000` | 32KB |
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| APP1 运行区 | `0x08008000` | 224KB |
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W25Q64 外部 Flash（8MB）：
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| 区域 | 地址 | 用途 |
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| 槽 A | `0x000000` (256KB) | 当前固件备份（回滚镜像） |
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| 槽 B | `0x040000` (256KB) | 新固件下载暂存 |
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| 信息区 A/B | `0x080000` / `0x081000` (各 4KB) | OTA 状态双副本（magic + 序号 + checksum） |
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### 健康检查与回退
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新固件"健康" = 4G 附着 → MQTT 连接 → 首次发布成功。回退判据（**3 次真实故障**才回退）：
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- **看门狗复位**（IWDG/WWDG，固件真的卡死）→ BL 计一次试错（读 `RCC->CSR` 判别）；
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- **健康超时**（MQTT 就绪 1 分钟仍无首次发布）→ APP 复位前自行计一次；
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- **上电/按键/普通软件复位不计次**——现场断电、断网不会误触发回退；
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- 试运行期间完全断网 → 不计次、不回退，持续等待网络恢复。
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### 掉电/断网安全性
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| 故障点 | 结果 |
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| 下载中断网/掉电 | 信息区未更新，旧固件照常运行，平台可重推 |
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| BL 备份阶段掉电 | `backup_valid=0`，重启后重新备份 |
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| BL 擦写 APP1 中途掉电 | 状态 `COPYING` 视为 `DOWNLOADED`，重启后完整重做（备份不会被坏镜像覆盖） |
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| 备份创建失败 | **中止更新**，留在旧版本，下次重启重试 |
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| 回退过程掉电 | 重启后重新执行回退拷贝 |
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### 其他要点
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- **OTA 仅 4G 通道支持**：WiFi 通道收到升级指令回复平台 "WiFi channel, OTA via 4G only"；升级固件请确保设备插卡走 4G
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- OTA 触发时先强制停止投喂（断开继电器 1）
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- 下载期间蓝牙命令、秤轮询、LED 心跳、电量检测照常运行（`bg_delay` 切片让出），业务状态上报暂时屏蔽
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- 分段接收按 `+HTTPREAD: <len>` 声明长度收齐即处理，无静默等待；40KB 固件全程约 38 秒（含模块复位重连 ~15s）
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## 主要功能
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1. **双通道 MQTT 联网**：4G(Air780E/EG) 优先 + WiFi(ESP-01S) 兜底自动切换，见上文"双通道网络"
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2. **远程控制**：平台下发开关 `sw1/sw2/sw3/sw4`、`feeding` 指令（投料机模式下 `sw1` 被忽略，投喂只能走 `feeding`）
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3. **自动投喂**（`PRODUCT_WITH_FEED_SCALE = 1`）：
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- 平台设置单次投喂量 `onceWt`
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- 平台下发 `feeding=true` 启动投喂
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- 继电器 1 吸合，RS485 秤实时读取重量
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- 当重量减少 ≥ `onceWt` 时自动停止，带重量反增与 10 分钟超时保护
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4. **去皮/标定**：平台设置 `zero` 空载重量，设置后按最新原始重量重新计算剩余料重并立即上报
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5. **GPS 定位上报**：见上文专题（仅 4G 通道）
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6. **4G 信号检测**：见上文专题
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7. **OTA 升级**：见上文专题（仅 4G 通道）
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8. **蓝牙调试**：USART1 支持 `RESET/INFO/STATUS/R1ON~R4OFF/ALLON/ALLOFF/OTA/RECOVERY/HELP` 等命令
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9. **掉电安全（断电记忆）**：联网成功（MQTT 首次就绪）后按 EEPROM 恢复继电器上次状态，随后全量上报让平台与电路一致
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- 无秤模式（`PRODUCT_WITH_FEED_SCALE = 0`）：**四路全部恢复**（含 SW1）
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- 投料机模式（`PRODUCT_WITH_FEED_SCALE = 1`）：**继电器 1 不恢复且上电强制断开**（防止误投料浪费饲料），继电器 2~4 恢复
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## 平台数据字段
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| 字段 | 含义 | 说明 |
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| `ver` | 固件版本号 | 每次状态上报携带，平台可据此识别设备是否发生回退 |
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| `weight` | 空载重量 | 平台显示为去皮重量 `zero` |
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| `zero` | 剩余料重 | 平台显示为当前剩余料重 |
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| `onceWt` | 单次投喂量 | 每次投喂目标重量 |
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| `sw1` / `feeding` | 第一路继电器状态 | 1=投喂中，0=停止；无秤模式下两字段**同时上报**，平台两个开关同步刷新 |
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| `sw2~sw4` | 备用继电器状态 | 0/1 |
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| `pow` | 电量状态 | 1=正常，0=低电量 |
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| `GPS` | 定位坐标 | 仅 4G 通道(Air780EG)，GCJ-02 高德坐标系，格式 `"经度,纬度"`，每 5 分钟上报 |
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下行报文由 `m_app/proto.c` 按键名定位解析（`"sw2"` 不会误中 `"sw21"`，其他字段里的 true/false 不会造成误判）。
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## 串口调试命令
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通过 USART1（蓝牙串口）发送：
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```text
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RESET - 系统复位
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INFO - 打印 MQTT 配置
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STATUS - 打印继电器状态
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R1ON - 打开继电器 1
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R1OFF - 关闭继电器 1
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R2ON/R2OFF ~ R4ON/R4OFF - 控制继电器 2~4
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ALLON - 打开所有继电器
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ALLOFF - 关闭所有继电器
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OTA - 复位进入 BootLoader 检查升级
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RECOVERY - WiFi 模块 AT+RESTORE 恢复出厂（忘掉已存热点）+ 整机复位，用于测试 SmartConfig
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HELP - 显示支持命令
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SmartConfig 测试流程：关掉固定热点 → 发 `RECOVERY` → 设备复位走完 4G 重试进入 WiFi → 已存热点(20s)、固定热点(60s) 都失败后自动进 SmartConfig（60s 倒计时）→ 用 ESP-Touch APP 广播密码。
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## 代码分层（APP）
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`main.c` 只保留三行初始化和主循环，逻辑全部下沉到模块：
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```c
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int main(void)
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SCB->VTOR = FLASH_BASE | Application_1_Addr;
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Board_Init(); // 基础硬件：HAL/时钟/GPIO/DMA/UART/看门狗（SYSINIT/system.c）
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app_init(); // 业务模块初始化（SYSINIT/app_loop.c）
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app_loop_init();
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while (1) {
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IWDG_Feed();
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app_loop_process(); // 业务调度（SYSINIT/app_loop.c）
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}
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}
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```
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## 目录结构
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```text
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STM32F103_App1/
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├── Src/
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│ └── main.c # 仅 VTOR + Board_Init/app_init/主循环
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├── Inc/
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│ └── main.h # 产品型号宏 PRODUCT_WITH_FEED_SCALE、MQTT 默认配置
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├── m_app/
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│ ├── proto.c/h # 平台 JSON 报文取值工具（按键名定位）
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│ └── ota_app.h # Flash 分区定义（BootLoader 32K + APP1 224K）
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├── HardWare/
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│ ├── USER_CMD/ # 蓝牙串口命令处理
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│ ├── FEED_SCALE/ # RS485 喂料秤与定量投喂状态机
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│ ├── RELAY/ # 继电器控制、反馈检测、平台指令执行、断电记忆恢复
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│ ├── NETWORK/ # 网络层：network.c 通道切换/统一分发 + net_wifi.c WiFi 后端
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│ ├── WIFI/ # esp8266.c ESP-01S AT驱动/透传/SmartConfig + mqtt_client.c 软件MQTT
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│ ├── CAR/ # Air780E/EG AT 驱动、波特率自适应、CSQ 信号检测、GNSS 定位、OTA 下载
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│ ├── UART/ # USART1/2/3+UART4 初始化、运行中切波特率、中断/DMA 接收、ORE 自愈
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│ ├── 24C02/ # EEPROM 读写（页写入）
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│ ├── IIC/ # 软件 I2C
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│ ├── ADC/ # 电池电压检测
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│ ├── LED/ # 指示灯（LED2 兼任 TPL5010 喂狗）
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│ ├── LOG/ # 分级日志（USART1 输出）
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│ ├── SYSINIT/ # Board_Init/IWDG、app_init、主循环调度、后台任务切片
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│ └── W25Q64/ # 外部 Flash 驱动与 OTA 双槽信息区
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└── MDK-ARM/ # Keil 工程文件
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STM32F103_BootLoader/
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├── Src/main.c # 硬件初始化 + IWDG + 入口
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├── m_app/ota_boot.c # OTA 状态机：备份/烧录/试运行计数/回退/跳转
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├── HardWare/W25Q64/ # 外部 Flash 驱动（与 APP 共用设计）
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├── HardWare/LOG/ # 分级日志（与 APP 相同）
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└── MDK-ARM/ # Keil 工程文件
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```
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## 编译烧录
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**Keil GUI**：
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1. 打开 `MDK-ARM/STM32F103rb_App1.uvprojx`（BootLoader 工程同理）
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2. 按产品形态设置 `Inc/main.h` 中的 `PRODUCT_WITH_FEED_SCALE`
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3. 编译下载（先烧 BootLoader 到 `0x08000000`，APP1 起始地址 `0x08008000`）
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4. 首次启动会自动把默认 MQTT 配置写入 AT24C02
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**命令行**（CI/脚本可用）：
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```bash
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# 编译（Keil 安装目录的 UV4，-r 全量 -b 增量，-o 输出日志）
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/c/Keil_v5/UV4/UV4.exe -r -j0 STM32F103rb_App1.uvprojx -o build.txt
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# 烧录（J-Link 命令脚本，工程 MDK-ARM 目录下有现成的 jlink_flash.jlink）
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JLink.exe -CommanderScript jlink_flash.jlink
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## 版本
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2026-08-08 21:13:56 +08:00
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- Version: 1.2.0
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2026-08-08 20:04:09 +08:00
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- Author: Helei
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