基于STM32的智能电表可视化设计：ESP8266、AT指令集、python后端Flask（代码示例）

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一、项目概述

随着智能家居的普及，智能电表作为家庭用电管理的重要工具，能够实时监测电流、电压及功率，并将数据传输至后台进行分析和可视化。本项目以STM32C8T6为核心，结合交流电压电流监测模块、ESP8266 Wi-Fi模块、OLED显示屏和继电器，构建一个智能电表系统。通过AT指令实现ESP8266与Python后端的通信，使得用户能够在可视化界面上实时查看用电情况。

项目目标

实现电流和电压的实时监测。
通过Wi-Fi将数据发送至Python后端。
在OLED显示屏上实时显示监测数据。
控制继电器开关，实现智能电器管理。

技术栈关键词

单片机：STM32C8T6
传感器：交流电压电流监测模块
通信模块：ESP8266
显示模块：OLED
控制模块：继电器
后端技术：Python、Flask、Matplotlib
通信协议：AT指令集

二、系统架构

系统架构设计基于模块化思想，各个功能模块相互独立又紧密协作。以下是系统架构的详细描述：

STM32C8T6：作为主控单元，负责数据采集、处理和控制。
电流电压监测模块：实时监测家用电器的电流和电压，提供数据给STM32。
ESP8266模块：实现Wi-Fi连接，通过AT指令与Python后端通信。
OLED显示模块：用于显示实时的电流、电压和功率信息。
继电器模块：根据设定条件控制电器的开关。

系统架构图

以下是系统架构图，清晰展示了各组件之间的交互关系：

三、环境搭建和注意事项

1. 开发环境搭建

软件开发：
- STM32开发环境：使用STM32CubeIDE进行代码编写和调试。
- Python开发环境：安装Python 3.x及Flask、requests等库，使用pip安装：
```
pip install Flask requests matplotlib
```
硬件准备：
- STM32C8T6开发板
- 交流电压电流监测模块（如ZMPT101B、ACS712）
- ESP8266 Wi-Fi模块
- OLED显示屏（I2C接口）
- 继电器模块
- 连接线和面包板

2. 注意事项

电源管理：确保所有模块的电源符合其工作电压，避免损坏。
通信设置：在使用ESP8266时，确保AT指令集正确配置，避免连接失败。
硬件连接：按照电路原理图连接各模块，确保连接牢固，避免短路和接触不良。
安全性：在进行电流监测时，务必注意安全，避免直接接触高压电源。

四、代码实现过程

在这一部分中，我们将详细介绍项目的代码实现过程，特别是如何使用AT指令与ESP8266进行通信，以及各个模块的具体实现。代码将按照系统架构的设计，逐步实现功能模块，确保逻辑清晰且易于理解。

1. 系统初始化

首先，我们需要初始化各个模块，包括电流电压监测模块、OLED显示模块、ESP8266模块和继电器模块。以下是系统初始化的代码示例：

#include "stm32f10x.h"
#include "oled.h"
#include "esp8266.h"
#include "current_sensor.h"
#include "relay.h"

void init_system() {
    // 初始化电流电压监测模块
    current_sensor_init();
    
    // 初始化OLED显示
    oled_init();
    
    // 初始化ESP8266
    esp8266_init();
    
    // 初始化继电器
    relay_init();
}

2. 数据采集

接下来，我们使用定时器定期采集电流和电压数据。在该函数中，我们将读取数据并在OLED上显示，并调用发送数据到服务器的函数。

void collect_data() {
    float voltage = read_voltage();  // 读取电压数据
    float current = read_current();   // 读取电流数据
    float power = voltage * current;  // 计算功率
    
    oled_display(voltage, current, power); // 在OLED上显示数据
    send_data_to_server(voltage, current, power); // 发送数据到服务器
}

3. 数据传输

在这一部分，我们将详细介绍如何使用ESP8266模块通过AT指令与Python后端进行通信。ESP8266通过串口与STM32连接，接收指令并执行相应的操作。

3.1 ESP8266模块配置

在开始发送数据之前，我们首先需要配置ESP8266模块连接到Wi-Fi网络。以下是一个示例代码，展示如何通过AT指令设置Wi-Fi连接：

void esp8266_init() {
    // 发送AT指令初始化ESP8266
    send_command_to_esp("AT\r\n");  // 检查模块是否响应
    delay(1000);

    send_command_to_esp("AT+RST\r\n");  // 重置ESP8266
    delay(2000);

    send_command_to_esp("AT+CWMODE=1\r\n");  // 设置为STA模式
    delay(1000);

    // 连接到Wi-Fi
    const char* ssid = "your_SSID";      // Wi-Fi名称
    const char* password = "your_PASSWORD"; // Wi-Fi密码
    char command[100];
    sprintf(command, "AT+CWJAP=\"%s\",\"%s\"\r\n", ssid, password);
    send_command_to_esp(command);  // 连接Wi-Fi
    delay(5000);  // 等待连接
}

3.2 发送数据到Python后端

一旦ESP8266连接到Wi-Fi，我们就可以使用AT指令将数据发送到Python后端。以下是发送数据的代码示例：

void send_data_to_server(float voltage, float current, float power) {
    char command[256];
    
    // 连接到服务器
    sprintf(command, "AT+CIPSTART=\"TCP\",\"192.168.1.100\",5000\r\n");  // 替换为后端服务器IP和端口
    esp8266_send_command(command);
    
    // 发送数据
    sprintf(command, "AT+CIPSEND\r\n");
    esp8266_send_command(command);
    
    // 构建JSON格式数据
    sprintf(command, "{\"voltage\": %.2f, \"current\": %.2f, \"power\": %.2f}\r\n", voltage, current, power);
    esp8266_send_command(command);
}

3.3 AT指令详解

以下是使用的AT指令的详细说明：

AT：测试模块是否响应。返回“OK”表示ESP8266正常工作。
AT+RST：重置ESP8266模块。这通常用于清除之前的设置。
AT+CWMODE=1：设置ESP8266为Station模式（STA），使其可以连接到Wi-Fi网络。
AT+CWJAP=“SSID”,“PASSWORD”：连接到指定的Wi-Fi网络。需要替换为实际的SSID和密码。
AT+CIPSTART：建立与指定IP和端口的TCP连接。
AT+CIPSEND：准备发送数据。发送此命令后，模块会等待数据输入。
数据内容：发送JSON格式的数据，包含电压、电流和功率信息。

4. OLED显示模块

OLED显示模块用于实时显示电压、电流和功率信息。以下是显示函数的示例：

void oled_display(float voltage, float current, float power) {
    // 清屏
    oled_clear();
    
    // 显示电压
    oled_print("Voltage: %.2f V", voltage);
    // 显示电流
    oled_print("Current: %.2f A", current);
    // 显示功率
    oled_print("Power: %.2f W", power);
}

5. 继电器控制

根据特定条件控制继电器的开关，以下是继电器控制的代码示例：

void control_relay(uint8_t state) {
    if (state) {
        relay_on();  // 开启继电器
    } else {
        relay_off(); // 关闭继电器
    }
}

6. 时序图

以下是系统的大致时序图，显示各模块之间的交互关系：

7. Python后端示例

后端使用Flask框架接收数据并进行可视化展示。以下是一个简单的Python后端示例代码：

from flask import Flask, request, jsonify
import matplotlib.pyplot as plt

app = Flask(__name__)

# 用于存储数据
data_store = []

@app.route('/data', methods=['POST'])
def receive_data():
    data = request.get_json()
    voltage = data['voltage']
    current = data['current']
    power = voltage * current  # 计算功率
    data_store.append({'voltage': voltage, 'current': current, 'power': power})
    print(f"Voltage: {voltage}, Current: {current}, Power: {power}")
    return jsonify({'status': 'success'})

@app.route('/visualize', methods=['GET'])
def visualize():
    # 数据可视化逻辑
    voltages = [data['voltage'] for data in data_store]
    currents = [data['current'] for data in data_store]
    
    plt.plot(voltages, label='Voltage (V)')
    plt.plot(currents, label='Current (A)')
    plt.xlabel('Time (s)')
    plt.ylabel('Value')
    plt.title('Voltage and Current Over Time')
    plt.legend()
    plt.show()
    return "Visualization complete!"

if __name__ == '__main__':
    app.run(host='0.0.0.0', port=5000)