shuichan_old/V1.3/STM32F103_App1

智能水产投料机 V1.3.0

工程概述

本工程基于 STM32F103RCT6 + STM32Cube HAL + Keil MDK，实现设备的控制、联网与投喂。

• BootLoader：STM32F103_BootLoader/，负责 OTA 固件烧录、试运行计数与失败回滚
• 应用固件：STM32F103_App1/，当前运行版本 V1.3.0
• 双网络通道：4G(Air780E/EG) 优先，WiFi(ESP-01S) 兜底，见下文"双通道网络"

产品型号配置

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：

#define PRODUCT_WITH_FEED_SCALE   0

取值	产品	投喂行为
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
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

硬件接口

接口	用途	引脚	参数
USART1	蓝牙串口调试 / 日志输出	PA9/PA10	115200-8N1
USART2	RS485 喂料秤	PA2/PA3	9600-8N1
USART3	4G Air780E/EG MQTT+GNSS	PB10/PB11	921600-8N1（见下文波特率自适应）
UART4	WiFi ESP-01S	PC10/PC11	115200→921600-8N1（见下文 WiFi 波特率同步）
ESP_RST	WiFi 模块复位	PA5	低电平 500ms 复位
Relay1	投喂电机控制	PB7	高电平吸合
Relay2~4	备用控制	PB8/PC0/PC2	高电平吸合
I2C（软件）	AT24C02 配置存储	PA11/PA12	页写入
SPI（软件）	W25Q64 外部 Flash	PB3/PB4/PA15/PB5	OTA 固件暂存
ADC1	电池电压检测	PA0	低电量上报 pow:0
PA8	手动模式检测	PA8	高电平=手动模式
PC13	LED2 心跳 / TPL5010 喂狗	PC13	每 1s 翻转（见下文看门狗）

看门狗（双狗架构）

看门狗	超时	喂狗点	作用
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
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

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。

双通道网络（4G 优先，WiFi 兜底）

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。

通道切换状态机

EEPROM（偏移 130）记忆上次成功联网方式（4G / WiFi固定热点 / WiFi配网热点），仅方式变化时写一次；开机优先跑上次成功的方式：

上次 4G 成功：4G（无 SIM/无信号每 10s 重试，3 次失败）→ WiFi → 回 4G…循环
上次 WiFi 成功：WiFi 一轮建链失败 → 4G（同上重试）→ 回 WiFi…循环

WiFi 建链子顺序（net_wifi_init，阻塞式，期间 bg_delay 喂狗）：
  ① 上次是配网热点：AT+CIPSTATUS 查已存 AP 自动连接（10s，STATUS:2=已拿到IP）
  ② AT+CWJAP 连代码里固定的 SSID/PASS（esp8266.h 的 WIFI_SSID/WIFI_PASS，60s 倒计时）
  ③ ESP-Touch SmartConfig 智能配网（60s 倒计时，配到的热点由模块保存）
  全部失败 → 回 4G
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

注：已存 AP 的判断用 AT+CIPSTATUS 主动查询而非被动等 WIFI GOT IP 打印—— 后者在波特率同步阶段就会被清缓冲擦掉，永远等不到。

WiFi 通道实现要点

• 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
• 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
• 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
• 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
• 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；DMA 填满（连续流无 IDLE 间隙）时在 HAL_UART_RxCpltCallback 里搬运并重启，防接收停摆
• WiFi 通道 OTA：支持，透传 TCP 上软件实现 HTTP Range 分块下载，见下文"OTA 升级"章节

4G 波特率自适应（115200 → 921600）

• Air780E 出厂/自适应模式只覆盖 9600~115200；921600 必须用 AT+IPR 固定。
• 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）：
  • 通 → 发 AT+IPR=921600 + AT&W 固化，切换到 921600（日志出现 baud -> 921600）；
  • 不通（模块已固化 921600）→ 直接切 921600 连接。
• 切换由 USART3_SetBaudRate() 运行中重写 BRR 完成，不影响 GPIO/DMA/NVIC。

4G 信号检测（AT+CSQ）

• 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)
• 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
• 信号弱（<20%）：告警但继续联网

GPS 定位上报（仅 4G 通道，Air780EG）

参考工程《air780EG-V1.1加入北斗GPS数据》移植实现（air780e.c 的 air780e_gps_poll()）。

工作流程

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
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
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
4. 坐标转换：WGS-84 → GCJ-02（见下节）
5. 上报：模组内置 MQTT AT+MPUB，topic /iot/data/up/<ClientID>

上报格式

云平台字段标识符 GPS，经度在前、纬度在后（高德/GeoJSON 习惯）：

{"header":"iot.prop.post","body":{"GPS":"115.924092,28.679470"}}

坐标系转换（WGS-84 → GCJ-02）

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。

注意：若改用百度地图，需要再转一层 GCJ-02 → BD-09。

保护机制

• OTA 下载期间（g_net_tx_busy）禁止 GPS 查询插队，避免污染 HTTP 数据流
• 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

使用注意

• 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
• 验证：串口日志 > GPS: 115.924092,28.679470，或直接看平台 GPS 字段

OTA 升级

流程

平台下发 iot.ota.upgrade.post(url, crc16, ver)
  → APP: 模块硬复位 → HTTP HEAD 拿大小 → 擦 W25Q64 槽 B
  → 3072 字节/块分段下载（AT+HTTPPARA BREAK/BREAKEND + HTTPACTION + HTTPREAD）
  → 每块写 W25Q64 并回读校验，全程累计 CRC16
  → 整包 CRC + 栈顶/复位向量校验 → 可靠上报 result.post（等 OK + 重试）
  → 写 OTA 信息区(状态 DOWNLOADED) → 复位进 BootLoader
BootLoader:
  → 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）
  → 擦 APP1 → 写入新固件 → CRC + 向量校验 → 状态 INSTALLED → 跳转
新 APP 试运行:
  → MQTT 就绪 + 首次发布成功 + 3s → 上报 confirm.post
  → 确认标志写 W25Q64（回读验证 + 3 次重试）→ 版本号存 EEPROM
  → 下次启动 BL 清理 OTA 标志，升级完成

Flash 分区

内部 Flash（256KB）：

区域	地址	大小
BootLoader	0x08000000	32KB
APP1 运行区	0x08008000	224KB

W25Q64 外部 Flash（8MB）：

区域	地址	用途
槽 A	0x000000 (256KB)	当前固件备份（回滚镜像）
槽 B	0x040000 (256KB)	新固件下载暂存
信息区 A/B	0x080000 / 0x081000 (各 4KB)	OTA 状态双副本（magic + 序号 + checksum）

健康检查与回退

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）：

• 看门狗复位（IWDG/WWDG，固件真的卡死）→ BL 计一次试错（读 RCC->CSR 判别）；
• 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；
• 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；
• 试运行期间完全断网 → 不计次、不回退，持续等待网络恢复。

掉电/断网安全性

故障点	结果
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
BL 备份阶段掉电	backup_valid=0，重启后重新备份
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）
备份创建失败	中止更新，留在旧版本，下次重启重试
回退过程掉电	重启后重新执行回退拷贝

其他要点

• 双通道均支持 OTA：4G 用模组内置 HTTP（AT+HTTP* 分块）；WiFi 通道由 MCU 在透传 TCP 上软件实现 HTTP Range 分块下载（NETWORK/net_wifi_ota.c）：
  • 流程：收 OTA 指令 → 停投喂 → +++ 退透传（MQTT 连接被顶替，单连接限制）→ 连固件服务器 → 每 3072B 一个 GET（Range: bytes=off-end，MCU 自定节奏，防止服务器一次灌爆接收缓冲）→ 每块写 W25Q64 槽 B + 回读校验 + 累计 CRC16 → 整包 CRC + 固件头校验 → 重连 MQTT 上报 result → 写信息区复位进 BL
  • 下载期间 MQTT 断开属正常，进度只在开始/结束上报；失败自动重连 MQTT 恢复业务
• OTA 触发时先强制停止投喂（断开继电器 1）
• 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
• 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）

主要功能

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"
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）
3. 自动投喂（PRODUCT_WITH_FEED_SCALE = 1）：
   • 平台设置单次投喂量 onceWt
   • 平台下发 feeding=true 启动投喂
   • 继电器 1 吸合，RS485 秤实时读取重量
   • 当重量减少 ≥ onceWt 时自动停止，带重量反增与 10 分钟超时保护
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
5. GPS 定位上报：见上文专题（仅 4G 通道）
6. 4G 信号检测：见上文专题
7. OTA 升级：见上文专题（仅 4G 通道）
8. 蓝牙调试：USART1 支持 RESET/INFO/STATUS/R1ON~R4OFF/ALLON/ALLOFF/OTA/RECOVERY/HELP 等命令
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
   • 无秤模式（PRODUCT_WITH_FEED_SCALE = 0）：四路全部恢复（含 SW1）
   • 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

平台数据字段

字段	含义	说明
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
weight	空载重量	平台显示为去皮重量 zero
zero	剩余料重	平台显示为当前剩余料重
onceWt	单次投喂量	每次投喂目标重量
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
sw2~sw4	备用继电器状态	0/1
pow	电量状态	1=正常，0=低电量
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

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）。

串口调试命令

通过 USART1（蓝牙串口）发送：

RESET    - 系统复位
INFO     - 打印 MQTT 配置
STATUS   - 打印继电器状态
R1ON     - 打开继电器 1
R1OFF    - 关闭继电器 1
R2ON/R2OFF ~ R4ON/R4OFF - 控制继电器 2~4
ALLON    - 打开所有继电器
ALLOFF   - 关闭所有继电器
OTA      - 复位进入 BootLoader 检查升级
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
HELP     - 显示支持命令

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。

代码分层（APP）

main.c 只保留三行初始化和主循环，逻辑全部下沉到模块：

int main(void)
{
    SCB->VTOR = FLASH_BASE | Application_1_Addr;
    Board_Init();       // 基础硬件：HAL/时钟/GPIO/DMA/UART/看门狗（SYSINIT/system.c）
    app_init();         // 业务模块初始化（SYSINIT/app_loop.c）
    app_loop_init();
    while (1) {
        IWDG_Feed();
        app_loop_process();   // 业务调度（SYSINIT/app_loop.c）
    }
}

目录结构

STM32F103_App1/
├── Src/
│   └── main.c              # 仅 VTOR + Board_Init/app_init/主循环
├── Inc/
│   └── main.h              # 产品型号宏 PRODUCT_WITH_FEED_SCALE、MQTT 默认配置
├── m_app/
│   ├── proto.c/h           # 平台 JSON 报文取值工具（按键名定位）
│   └── ota_app.h           # Flash 分区定义（BootLoader 32K + APP1 224K）
├── HardWare/
│   ├── USER_CMD/           # 蓝牙串口命令处理
│   ├── FEED_SCALE/         # RS485 喂料秤与定量投喂状态机
│   ├── RELAY/              # 继电器控制、反馈检测、平台指令执行、断电记忆恢复
│   ├── NETWORK/            # 网络层：network.c 通道切换/统一分发 + net_wifi.c WiFi 后端 + net_wifi_ota.c WiFi OTA
│   ├── WIFI/               # esp8266.c ESP-01S AT驱动/透传/SmartConfig + mqtt_client.c 软件MQTT
│   ├── CAR/                # Air780E/EG AT 驱动、波特率自适应、CSQ 信号检测、GNSS 定位、OTA 下载
│   ├── UART/               # USART1/2/3+UART4 初始化、运行中切波特率、中断/DMA 接收、ORE 自愈
│   ├── 24C02/              # EEPROM 读写（页写入）
│   ├── IIC/                # 软件 I2C
│   ├── ADC/                # 电池电压检测
│   ├── LED/                # 指示灯（LED2 兼任 TPL5010 喂狗）
│   ├── LOG/                # 分级日志（USART1 输出）
│   ├── SYSINIT/            # Board_Init/IWDG、app_init、主循环调度、后台任务切片
│   └── W25Q64/             # 外部 Flash 驱动与 OTA 双槽信息区
└── MDK-ARM/                # Keil 工程文件

STM32F103_BootLoader/
├── Src/main.c              # 硬件初始化 + IWDG + 入口
├── m_app/ota_boot.c        # OTA 状态机：备份/烧录/试运行计数/回退/跳转
├── HardWare/W25Q64/        # 外部 Flash 驱动（与 APP 共用设计）
├── HardWare/LOG/           # 分级日志（与 APP 相同）
└── MDK-ARM/                # Keil 工程文件

编译烧录

Keil GUI：

1. 打开 MDK-ARM/STM32F103rb_App1.uvprojx（BootLoader 工程同理）
2. 按产品形态设置 Inc/main.h 中的 PRODUCT_WITH_FEED_SCALE
3. 编译下载（先烧 BootLoader 到 0x08000000，APP1 起始地址 0x08008000）
4. 首次启动会自动把默认 MQTT 配置写入 AT24C02

命令行（CI/脚本可用）：

# 编译（Keil 安装目录的 UV4，-r 全量 -b 增量，-o 输出日志）
/c/Keil_v5/UV4/UV4.exe -r -j0 STM32F103rb_App1.uvprojx -o build.txt

# 烧录（J-Link 命令脚本，工程 MDK-ARM 目录下有现成的 jlink_flash.jlink）
JLink.exe -CommanderScript jlink_flash.jlink

版本

• Version: 1.3.0
• Author: Helei