STM32F103 实现温湿度数据采集并上传机智云的完整方案

1+2单片机电子设计2025-12-16 8:48

引言

物联网（IoT）技术的快速发展，让各类终端设备的数据采集与云端交互成为常态。STM32F103 作为意法半导体推出的经典 ARM Cortex-M3 内核微控制器，凭借高性价比、稳定的性能和丰富的外设，成为物联网终端开发的首选芯片之一。机智云作为一站式物联网开发平台，提供了设备接入、数据可视化、远程控制等全流程解决方案，极大降低了物联网项目的开发门槛。本文将详细讲解如何基于 STM32F103 实现温湿度数据采集，并通过串口 / ESP8266 模块将数据上传至机智云平台，从硬件选型、电路设计、软件编程到平台配置，全方位拆解实现过程，帮助开发者快速掌握物联网终端与云端的对接方法。

一、系统整体架构设计

本系统的核心目标是实现 "终端采集 - 数据传输 - 云端接收 - 可视化展示" 的全流程，整体架构分为三层：感知层、传输层和应用层。

  1. 感知层：以 STM32F103C8T6 最小系统板为核心控制器，搭配 DHT11 温湿度传感器完成环境温湿度数据的采集，DHT11 是一款低成本、单总线通信的数字传感器，测量范围为温度 0~50℃（精度 ±2℃）、湿度 20%~90% RH（精度 ±5% RH），满足常规环境监测需求。
  2. 传输层：采用 ESP8266-01S WiFi 模块作为无线通信载体，STM32F103 通过串口与 ESP8266 通信，将采集到的温湿度数据按照机智云协议封装后，由 ESP8266 发送至机智云服务器；也可选择串口转以太网模块，适用于有线网络场景，本文以 WiFi 传输为例。
  3. 应用层：机智云平台接收设备上传的数据，提供数据可视化面板、历史数据查询、设备在线状态监测等功能，同时支持手机 App / 小程序远程查看数据。

系统工作流程：STM32F103 定时读取 DHT11 的温湿度数据→对数据进行格式处理→按照机智云串口透传协议封装数据→通过串口发送给 ESP8266→ESP8266 连接 WiFi 并将数据上传至机智云→用户通过机智云平台查看实时温湿度数据。

二、硬件选型与电路设计

2.1 核心硬件清单

器件名称 型号 数量 用途
微控制器 STM32F103C8T6 1 核心控制、数据采集与处理
温湿度传感器 DHT11 1 采集环境温湿度
WiFi 通信模块 ESP8266-01S 1 无线数据传输
STM32 最小系统板 定制 1 提供电源、下载、串口接口
电源模块 5V/3.3V 1 为各模块供电
杜邦线、面包板 - 若干 电路连接
USB 转串口模块 CH340 1 STM32 程序下载与调试

2.2 关键电路设计

（1）STM32 与 DHT11 的连接

DHT11 采用单总线通信，只需一根数据线即可完成数据传输，电路设计要点：

  • DHT11 的 VCC 引脚接 3.3V（或 5V，兼容两种电压），GND 接 GND；
  • DHT11 的 DATA 引脚接 STM32F103 的 PA0 引脚，同时串联一个 4.7KΩ 上拉电阻（保证总线空闲时为高电平）；
  • 注意：DHT11 的数据传输对时序要求严格，布线时尽量缩短 DATA 线长度，避免干扰。
（2）STM32 与 ESP8266 的连接

ESP8266-01S 采用串口通信，需注意电平匹配（ESP8266 为 3.3V 电平，STM32F103 的串口引脚可兼容 3.3V）：

  • ESP8266 的 VCC 接 3.3V（严禁接 5V，否则烧毁模块），GND 接 GND；
  • ESP8266 的 TXD 接 STM32 的 RXD（PB11），RXD 接 STM32 的 TXD（PB10）；
  • 为保证 ESP8266 稳定工作，建议在 3.3V 电源端并联 100μF 和 0.1μF 电容，滤除电源噪声；
  • 可选：将 ESP8266 的 RST 引脚接 STM32 的 GPIO 口，便于 STM32 复位 ESP8266。
（3）电源电路设计

系统需提供稳定的 3.3V 和 5V 电源：

  • 采用 USB 供电（5V），通过 AMS1117-3.3V 稳压芯片将 5V 转为 3.3V，为 STM32、DHT11、ESP8266 供电；
  • AMS1117 输出端并联电容，提升电源稳定性；
  • 所有模块的 GND 需共地，避免电位差导致通信异常。

三、机智云平台配置

3.1 注册与设备创建

  1. 登录机智云官网（https://www.gizwits.com/），完成开发者账号注册并实名认证；
  2. 进入 "开发者中心"，点击 "创建新产品"，填写产品名称（如 "温湿度监测仪"）、选择产品品类（"智能家居 - 环境监测"）、通信方式（"WiFi"）、数据传输方式（"透传"）；
  3. 产品创建完成后，进入 "数据点定义" 页面，添加自定义数据点：
    • 温度：数据类型为 "浮点型"，读写类型为 "只读"，标识符 "temp"，单位 "℃"；
    • 湿度：数据类型为 "浮点型"，读写类型为 "只读"，标识符 "humi"，单位 "% RH"；
  4. 保存数据点后，生成产品的 "Product Key" 和 "Product Secret"，后续设备接入需用到该信息。

3.2 设备激活与密钥获取

  1. 进入 "设备管理" 页面，点击 "添加测试设备"，生成设备的 "Device Secret" 和 "Device ID"；
  2. 记录产品的 Product Key、Product Secret，以及测试设备的 Device ID、Device Secret，后续 STM32 程序中需配置这些参数；
  3. 下载机智云提供的 "串口调试助手" 和 "手机 App 调试版"，用于后续调试。

3.3 协议解析

机智云串口透传协议采用固定格式封装数据，核心是将温湿度数据按照 "数据点标识符 + 数据值" 的格式封装，并添加帧头、帧尾、校验位。对于透传模式，STM32 需将采集到的温湿度数据封装为 JSON 格式（或机智云自定义二进制格式），本文采用 JSON 格式，示例：

json

复制代码 
{"temp":25.5,"humi":60.2}

ESP8266 连接机智云服务器后，将该 JSON 数据发送至指定端口即可。

四、STM32F103 软件编程

4.1 开发环境搭建

采用 Keil MDK-ARM V5 开发环境，配置步骤：

  1. 安装 STM32F103C8T6 的器件库（STM32F1xx_DFP）；
  2. 创建新工程，选择 "STM32F103C8T6" 芯片，配置工程参数（如堆栈大小、编译器版本）；
  3. 添加标准外设库（STM32F10x_StdPeriph_Lib），或采用 HAL 库开发，本文以标准外设库为例。

4.2 核心功能模块编程

（1）DHT11 驱动程序

DHT11 的通信时序是核心，需严格按照手册实现：

c

运行

复制代码 
// DHT11初始化
void DHT11_Init(void) {
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
    
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP; // 初始为输出
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
    DHT11_DQ_HIGH; // 总线拉高
}

// 读取DHT11一个字节数据
u8 DHT11_Read_Byte(void) {
    u8 i, byte = 0;
    for(i=0; i<8; i++) {
        while(DHT11_DQ_IN == 0); // 等待低电平结束
        Delay_us(30); // 延时30us，判断高电平时长
        byte <<= 1;
        if(DHT11_DQ_IN == 1) byte |= 0x01;
        while(DHT11_DQ_IN == 1); // 等待高电平结束
    }
    return byte;
}

// 读取温湿度数据
u8 DHT11_Read_Data(u8 *temp, u8 *humi) {
    u8 buf[5];
    u8 i;
    DHT11_DQ_LOW;
    Delay_ms(18); // 拉低总线18ms
    DHT11_DQ_HIGH;
    Delay_us(30); // 释放总线30us
    GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_0); // 改为输入模式
    if(DHT11_DQ_IN == 0) {
        while(DHT11_DQ_IN == 0); // 等待响应信号
        while(DHT11_DQ_IN == 1); // 等待响应结束
        for(i=0; i<5; i++) buf[i] = DHT11_Read_Byte(); // 读取40位数据
        GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_0); // 改为输出模式
        // 校验数据
        if((buf[0]+buf[1]+buf[2]+buf[3]) == buf[4]) {
            *humi = buf[0];
            *temp = buf[2];
            return 0;
        }
    }
    return 1;
}

注意：延时函数需精准，建议采用定时器实现 us 级延时，避免软件延时误差导致数据读取失败。

（2）串口通信配置

配置 STM32 的 USART3（PB10/TX、PB11/RX），用于与 ESP8266 通信，波特率 115200（ESP8266 默认波特率）：

c

运行

复制代码 
void USART3_Init(u32 bound) {
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    USART_InitTypeDef USART_InitStructure;
    NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
    
    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_USART3, ENABLE);
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);
    
    // TXD PB10
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_10;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);
    
    // RXD PB11
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_11;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;
    GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);
    
    // 串口配置
    USART_InitStructure.USART_BaudRate = bound;
    USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;
    USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;
    USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No;
    USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;
    USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx;
    USART_Init(USART3, &USART_InitStructure);
    
    // 中断配置（可选，用于接收ESP8266的响应）
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = USART3_IRQn;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 1;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
    NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
    
    USART_ITConfig(USART3, USART_IT_RXNE, ENABLE); // 开启接收中断
    USART_Cmd(USART3, ENABLE); // 使能串口
}

// 串口发送字符串
void USART3_Send_String(u8 *str) {
    while(*str) {
        while(USART_GetFlagStatus(USART3, USART_FLAG_TC) == RESET);
        USART_SendData(USART3, *str++);
    }
}
（3）ESP8266 配置与数据上传

ESP8266 需先配置 WiFi 连接和机智云服务器地址，STM32 通过串口发送 AT 指令配置 ESP8266：

c

运行

复制代码 
// 配置ESP8266连接WiFi并接入机智云
u8 ESP8266_Config(void) {
    u8 retry = 0;
    USART3_Send_String("AT+CWMODE=1\r\n"); // 设置为STA模式
    Delay_ms(500);
    USART3_Send_String("AT+CWJAP=\"WiFi名称\",\"WiFi密码\"\r\n"); // 连接WiFi
    Delay_ms(2000);
    // 连接机智云服务器（TCP）
    USART3_Send_String("AT+CIPSTART=\"TCP\",\"mqtt.gizwits.com\",8883\r\n");
    Delay_ms(1000);
    USART3_Send_String("AT+CIPMODE=1\r\n"); // 透传模式
    Delay_ms(500);
    USART3_Send_String("AT+CIPSEND\r\n"); // 开始透传
    Delay_ms(500);
    return 0;
}

// 封装温湿度数据并上传
void Gizwits_Send_Data(u8 temp, u8 humi) {
    u8 data_buf[64];
    // 封装JSON格式数据
    sprintf((char*)data_buf, "{\"temp\":%d.0,\"humi\":%d.0}\r\n", temp, humi);
    USART3_Send_String(data_buf); // 发送至ESP8266
}

注意：需根据机智云实际的 MQTT 服务器地址和端口调整 AT 指令，透传模式下发送的数据会直接转发至服务器。

（4）主函数设计

主函数实现初始化、数据采集、定时上传的逻辑：

c

运行

复制代码 
int main(void) {
    u8 temp = 0, humi = 0;
    u8 err_cnt = 0;
    SysTick_Init(); // 系统滴答定时器初始化
    DHT11_Init(); // DHT11初始化
    USART3_Init(115200); // 串口3初始化
    Delay_ms(1000);
    ESP8266_Config(); // 配置ESP8266
    
    while(1) {
        if(DHT11_Read_Data(&temp, &humi) == 0) { // 读取温湿度
            Gizwits_Send_Data(temp, humi); // 上传数据
            err_cnt = 0;
        } else {
            err_cnt++;
            if(err_cnt > 5) {
                // 读取失败，复位ESP8266
                ESP8266_Config();
                err_cnt = 0;
            }
        }
        Delay_ms(5000); // 每5秒上传一次
    }
}

4.3 程序下载与调试

  1. 通过 J-Link 或 ST-Link 将程序下载至 STM32F103C8T6；
  2. 打开串口调试助手，连接 STM32 的调试串口，查看 ESP8266 的 AT 指令响应，确认 WiFi 连接和服务器接入是否成功；
  3. 若数据上传失败，排查：WiFi 密码是否正确、ESP8266 电平是否匹配、串口波特率是否一致、机智云数据点格式是否匹配。

五、系统测试与优化

5.1 功能测试

  1. 硬件上电后，观察 ESP8266 的指示灯（常亮表示已连接 WiFi）；
  2. 登录机智云开发者中心，进入 "设备调试" 页面，查看实时数据是否与实际环境温湿度一致；
  3. 使用手机 App 连接设备，验证远程查看功能是否正常；
  4. 长时间运行测试，记录数据上传的稳定性和准确率。

5.2 常见问题与优化方案

  1. DHT11 数据读取不稳定：优化延时函数，增加数据校验次数，在 DATA 引脚增加抗干扰电容；
  2. ESP8266 频繁掉线：检查电源稳定性，增加 ESP8266 的复位机制，在程序中定期检测连接状态，掉线后自动重连；
  3. 数据上传延迟：减少数据封装的冗余内容，调整上传周期（如改为 10 秒一次），避免频繁发送数据导致网络拥堵；
  4. 温湿度精度不足：可更换 DHT22 传感器（温度精度 ±0.5℃，湿度精度 ±2% RH），并在程序中增加数据滤波算法（如滑动平均滤波）。

5.3 性能优化

  1. 采用低功耗模式：STM32 在数据采集间隔期间进入睡眠模式，降低功耗，适用于电池供电场景；
  2. 数据压缩：将浮点型数据转为整型传输，减少数据量，提升传输效率；
  3. 异常处理：增加温湿度数据范围校验（如温度超出 0~50℃时标记为异常），避免无效数据上传。

六、扩展功能与应用场景

6.1 功能扩展

  1. 增加报警功能：当温湿度超出阈值时，STM32 控制蜂鸣器报警，并向机智云上传报警信息；
  2. 远程控制：在机智云添加 "控制" 数据点，实现远程设置采集周期、报警阈值等；
  3. 数据存储：在 STM32 外接 SD 卡模块，本地存储历史温湿度数据，避免云端数据丢失；
  4. 多传感器扩展：增加光照、PM2.5 等传感器，实现多维度环境监测。

6.2 应用场景

  1. 智能家居：实时监测室内温湿度，联动空调、加湿器等设备；
  2. 农业大棚：远程监测大棚内温湿度，指导灌溉、通风等操作；
  3. 仓储环境：监测仓库温湿度，防止货物因温湿度异常损坏；
  4. 工业现场：监测生产车间温湿度，保障设备正常运行。

结论

本文详细阐述了基于 STM32F103 的温湿度数据采集与机智云上传方案，从硬件设计、平台配置到软件编程，形成了一套完整的物联网终端开发流程。通过 DHT11 完成温湿度采集，ESP8266 实现无线传输，机智云提供云端可视化，整个系统具备低成本、易开发、高稳定性的特点。开发者可基于该方案进行二次开发，扩展更多功能，适配不同的应用场景。

在实际开发过程中，需重点关注硬件电路的抗干扰设计、串口通信的时序匹配、机智云协议的正确封装，以及系统的稳定性测试。随着物联网技术的普及，STM32 与机智云的结合将在智能家居、工业物联网、智慧农业等领域发挥更大的作用，帮助开发者快速实现从终端到云端的全链路物联网解决方案。

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