全栈嵌入式C++、STM32、Modbus、FreeRTOS和MQTT协议：工业物联网（IIoT）可视化系统设计思路（附部分代码解析）

news2024/9/20 0:53:27

项目概述

随着工业4.0时代的到来，工业物联网（IIoT）在提高生产效率、降低运营成本和实现智能制造方面得到了广泛应用。本项目旨在开发一个全面的工业物联网监控系统，能够实时监测设备的温度、压力、振动和电流等参数，并通过云平台进行数据分析与可视化展示。该系统的设计包括硬件部分、嵌入式软件、云服务器架构和用户界面，力求实现高效、可靠的监控解决方案。

系统设计

硬件设计

本项目的硬件部分主要采用以下组件：

STM32H7微控制器：作为系统的核心，提供强大的性能和丰富的外设接口。
工业级温度传感器：监测设备的工作温度。
压力传感器：实时监测流体或气体的压力。
振动传感器：监测设备的振动状态，以评估设备的健康状况。
电流传感器：监测设备的电流消耗，及时发现异常情况。
Modbus通信模块：实现与传感器的Modbus RTU/TCP通信。
Ethernet模块：确保设备与云服务器的网络连接。
UPS电源管理模块：在电源故障情况下，保证系统的持续运行。

以下是硬件设计的结构示意图：

软件设计

软件部分包括嵌入式软件和云端服务，具体如下：

嵌入式软件

FreeRTOS：实现多任务管理，确保实时数据采集。
传感器驱动程序：与各类传感器进行通信，读取数据。
Modbus协议栈：支持Modbus RTU和TCP协议，确保数据传输的完整性。
MQTT协议：用于轻量级消息传递，支持设备与云端的通信。
数据采集与处理：负责采集传感器数据并进行初步处理。
故障检测算法：实时监测设备状态，及时预警。

云端服务

云端服务主要由以下组件组成：

AWS IoT / Azure IoT Hub / Google Cloud IoT：提供设备接入及数据存储。
EMQX / Mosquitto MQTT Broker：实现设备与云端的消息中转。
Nginx Web服务器：处理HTTP请求，实现Web服务。
Spring Boot / Node.js API：提供RESTful API，支持前端数据请求。
PostgreSQL数据库：存储历史数据。
InfluxDB时序数据库：用于存储时间序列数据，支持高效查询。

以下是系统架构的示意图：

大数据处理

为了处理大量实时数据，本项目采用以下技术：

Apache Kafka：实现高吞吐量的实时数据流处理。
Apache Spark：用于实时数据分析，支持复杂数据处理。
Hadoop：提供大数据存储解决方案。
Grafana / Kibana：用于数据可视化，提供实时监控面板。

用户界面

用户界面包括移动应用和Web前端，主要使用以下技术栈：

Flutter / React Native：开发跨平台的移动应用。
React.js / Vue.js：构建用户友好的Web前端，展示实时监测数据和趋势。

以下是用户界面的结构示意图：

用户界面功能

实时监控：用户可以实时查看各传感器的数据（如温度、压力、振动和电流）并进行状态监测。
历史数据查询：用户可以选择时间范围，查询历史数据，并生成相应的图表。
设备状态管理：用户可以查看设备的运行状态，设置阈值，并接收故障报警。
数据可视化：用户界面提供图表和仪表盘供用户查看数据趋势，便于快速分析设备运行情况。

代码实现

在本项目中，嵌入式软件和云端服务的代码实现是系统的核心，以下是一些关键模块的代码示例及详细解释。

1. 传感器数据采集任务

#include "FreeRTOS.h"
#include "task.h"
#include "sensor.h"

/* 传感器读取任务 */
void SensorReadTask(void *pvParameters) {
    while (1) {
        // 读取温度传感器数据
        float temperature = ReadTemperatureSensor();
        // 读取压力传感器数据
        float pressure = ReadPressureSensor();
        
        // 发送数据到MQTT Broker
        PublishData(temperature, pressure);
        
        // 每1秒读取一次数据
        vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(1000));
    }
}

代码解释：

SensorReadTask是一个FreeRTOS任务，用于定期读取传感器数据。
ReadTemperatureSensor() 和 ReadPressureSensor() 函数分别读取温度和压力传感器的数据。
PublishData()函数负责将读取的数据通过MQTT发布到云端。
vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(1000))使任务每秒执行一次。

2. MQTT通信模块

#include "mqtt.h"

/* MQTT连接回调函数 */
void OnMQTTConnect(mqtt_client_t *client, void *arg) {
    // 连接成功后，订阅传感器数据主题
    mqtt_subscribe(client, "sensor/data", 0);
}

/* 发布传感器数据 */
void PublishData(float temperature, float pressure) {
    char payload[100];
    snprintf(payload, sizeof(payload), "{\"temperature\": %.2f, \"pressure\": %.2f}", temperature, pressure);
    mqtt_publish(mqtt_client, "sensor/data", payload, strlen(payload), 0, 0);
}

代码解释：

OnMQTTConnect()函数在成功连接到MQTT Broker后订阅数据主题。
PublishData()将温度和压力数据格式化为JSON字符串，并发布到指定主题。
使用snprintf()构建有效载荷，确保安全性。

3. 数据存储与查询接口

@RestController
@RequestMapping("/api/data")
public class DataController {

    @Autowired
    private DataService dataService;

    @GetMapping("/history")
    public List<SensorData> getSensorData(@RequestParam String startDate, @RequestParam String endDate) {
        // 查询指定时间范围内的传感器数据
        return dataService.fetchDataBetweenDates(startDate, endDate);
    }
}

代码解释：

使用Spring Boot实现RESTful API。
DataController类提供了一个接口，用于获取历史传感器数据。
getSensorData()方法接收开始和结束日期作为参数，并从数据库中查询对应的数据。

4. 数据可视化组件

import React from 'react';
import { Line } from 'react-chartjs-2';

const SensorDataChart = ({ data }) => {
    const chartData = {
        labels: data.map(d => d.timestamp), // X轴为时间戳
        datasets: [
            {
                label: 'Temperature (°C)', // 温度数据集
                data: data.map(d => d.temperature), // 温度值
                borderColor: 'rgba(75, 192, 192, 1)', // 温度线的颜色
                fill: false, // 不填充区域
            },
            {
                label: 'Pressure (Pa)', // 压力数据集
                data: data.map(d => d.pressure), // 压力值
                borderColor: 'rgba(255, 99, 132, 1)', // 压力线的颜色
                fill: false, // 不填充区域
            },
        ],
    };

    return (
        <div>
            <h2>Sensor Data Over Time</h2>
            <Line data={chartData} /> {/* 使用Chart.js绘制折线图 */}
        </div>
    );
};

export default SensorDataChart;

代码解释：