基于 STM32F103 + FreeRTOS 的智能水域监测系统设计与实现



一、项目概述

本项目设计了一套基于 STM32F103C8T6 微控制器 + FreeRTOS 实时操作系统的智能水域监测设备。系统集成 pH、ORP、TDS、浊度、光照、温湿度等多路水质传感器，通过 ESP8266 WiFi 模块将数据上传至 OneNet 物联网云平台，并配备 OLED 显示屏 实现本地数据可视化，同时支持手机 APP 远程实时监控。

图1：设备正在运行

二、硬件平台

模块	型号 / 参数
主控 MCU	STM32F103C8T6 (Cortex-M3, 72MHz)
RTOS	FreeRTOS (CMSIS-RTOS v2 接口)
HAL 库	STM32F1xx HAL Driver
开发环境	STM32CubeMX + Keil MDK 5
WiFi 模块	ESP8266 (UART2, AT 指令驱动)
显示模块	0.96 寸 OLED (I2C, 128x64)
云平台	OneNet IoT (MQTT 协议)

传感器清单

参数	传感器 / 接口	说明
pH 值	ADC (DMA)	酸碱度
ORP	ADC (DMA)	氧化还原电位（支持负值）
TDS	ADC (DMA)	溶解性总固体 (ppm)
浊度	ADC (DMA)	水质浑浊度 (NTU)
光照	ADC (DMA)	环境光照 (lux)
温度	DHT11	环境温度 (摄氏度)
湿度	DHT11	环境湿度 (百分比)

图2：设备 OLED 屏显示内容

三、FreeRTOS 多任务架构

系统采用 4 任务并行 架构，充分利用 FreeRTOS 提供的同步机制实现任务间高效通信：

任务	优先级	栈大小	周期	功能
SensorTask	Normal	1KB	连续循环	ADC + DHT11 传感器采集，互斥锁保护共享数据
OledTask	BelowNormal	1.5KB	100ms	OLED 双页显示，增量刷新优化
KeyTask	Low	512B	20ms	按键扫描，消息队列传递翻页事件
NetTask	Low	3KB	事件驱动	ESP8266 WiFi + OneNet MQTT，二值信号量驱动

RTOS 同步机制

• 互斥锁 (Mutex)：保护 g_sensor_data 全局传感器数据，防止 SensorTask 写入时被 OledTask/NetTask 读到不完整数据
• 二值信号量 (Binary Semaphore)：UART2 接收中断释放信号量，NetTask 获取并处理，实现中断到任务的低延迟传递
• 消息队列 (Message Queue)：KeyTask 检测按键后 put 页码，OledTask get 翻页事件，实现任务间解耦通信

核心代码：任务创建与同步对象初始化

void App_Init(void)
{
    sensorMutexHandle = osMutexNew(NULL);
    uart2RxSemaphore = osSemaphoreNew(1, 0, NULL);
    keyQueue = osMessageQueueNew(4, sizeof(uint8_t), NULL);

    sensorTaskHandle = osThreadNew(SensorTask, NULL, &sensorTask_attributes);
    oledTaskHandle   = osThreadNew(OledTask, NULL, &oledTask_attributes);
    keyTaskHandle    = osThreadNew(KeyTask, NULL, &keyTask_attributes);
    netTaskHandle    = osThreadNew(NetTask, NULL, &netTask_attributes);
}

四、OLED 双页显示设计

OLED 采用双页显示方案，通过按键切换页面：

• 第 0 页：pH / ORP / 温度 / WiFi 状态
• 第 1 页：TDS / 浊度 / 光照 / 湿度

同时实现了 增量刷新优化：仅当数值变化时才更新对应 OLED 区域，大幅减少 I2C 通信量，提升显示流畅度。

五、网络通信与云端对接

ESP8266 WiFi 连接

ESP8266 通过 UART2 串口与 STM32 通信，采用 AT 指令驱动，实现了 4 步渐进连接 + MQTT 重试 + 冷却机制 (cooldown) 的非阻塞连接策略。

OneNet 云平台 MQTT 对接

系统通过 MQTT 协议接入 OneNet 物联网平台，支持：

• 属性上报：每 2s 通过 OneNet 物模型上传全部 7 路传感器数据
• 心跳保活：维持 MQTT 长连接
• 命令下发：订阅平台 reply topic，支持云端指令接收

图3：手机 APP 图标

六、与裸机版对比

此 FreeRTOS 版本由裸机版迁移而来，主要改进点：

方面	裸机版	FreeRTOS 版
架构	单 while(1) 大循环	4 任务并行
传感器保护	无	互斥锁 (Mutex)
UART 接收	轮询	中断 + 二值信号量
按键通信	直接读写全局变量	消息队列 (Message Queue)
OLED 刷新	全量刷新	增量刷新优化
HAL 平台	StdPeriph Lib	HAL + CubeMX
WiFi 超时	Delay_ms 阻塞	FreeRTOS 非阻塞延时

图4：设备运行 + 手机 APP 实时在线数据展示

七、总结

本项目完整实现了从传感器采集 - 本地显示 - 云端上传 - APP 远程监控的全链路 IoT 闭环，核心亮点：

• FreeRTOS 多任务 + 互斥锁 / 信号量 / 消息队列三种同步机制的规范应用
• ESP8266 非阻塞 WiFi 连接状态机 + 重试 / 冷却机制，健壮的断线恢复能力
• OLED 增量刷新优化，减少无效 I2C 通信
• OneNet MQTT 物模型标准对接，支持云端双向通信

项目源码：GitHub - water-monitor