基于STM32的智能充电桩：集成RTOS、MQTT与SQLite的先进管理系统设计思路

一、项目概述

随着电动车的普及，充电桩作为关键基础设施，其智能化、网络化管理显得尤为重要。本项目旨在基于STM32微控制器开发一款智能充电桩，能够实现高效的充电监控与管理。项目通过物联网技术，提供实时数据监测、远程管理、用户交互等功能，提升充电桩的使用效率和用户体验。

技术栈关键词

• 硬件：STM32微控制器、传感器、电源管理、Wi-Fi模块

• 软件：嵌入式开发（STM32 HAL、RTOS）、通信协议（MQTT、HTTP）、数据存储（SQLite）、云平台（AWS IoT）、安全性、用户界面设计（Web和移动应用）

二、系统架构

本项目的系统架构设计旨在满足充电桩的功能需求，包括设备监控、数据传输与存储、用户交互等。系统整体架构如下：

1. 硬件选择

• 单片机：选用STM32系列微控制器（如STM32F4系列），具有强大的处理能力和丰富的外设接口，支持多种通讯协议。

• 传感器：

  • 电流传感器：用于实时监测充电电流。

  • 温度传感器：用于监测充电桩的环境温度，防止过热。

  • 电源管理模块：确保充电桩在不同的负载下稳定供电。

  • 通信模块：采用Wi-Fi模块（如ESP8266），实现与云端的无线数据传输。

2. 软件设计

• 嵌入式开发：

  • 使用STM32 HAL库进行底层硬件操作，或基于FreeRTOS实现多任务调度和资源管理。

• 通信协议：

  • MQTT：设计为轻量级的消息传输协议，适合IoT设备的低带宽和高延迟环境。

  • HTTP：用于与云平台API的交互，提交数据和获取命令。

  • 数据存储：使用SQLite数据库，存储充电记录、设备状态和用户信息。

• 云平台集成：

  • 通过AWS IoT实现数据的云端管理与分析，支持设备的远程监控和控制。

3. 系统架构图

三、环境搭建和注意事项

在进行项目开发之前，首先需要搭建开发环境。以下是环境搭建的步骤和注意事项：

1. 开发工具

• IDE：安装STM32CubeIDE作为开发环境，支持代码编写、调试和烧录。

• 驱动安装：确保安装适合所选STM32开发板的驱动程序。

2. 库和依赖

• STM32 HAL库：在STM32CubeMX中配置所需的外设，并生成代码框架。

• FreeRTOS：如果选择使用RTOS，需集成FreeRTOS库，并配置任务优先级和堆栈大小。

• MQTT库：选择适合STM32的MQTT库（如Paho MQTT），并配置网络连接。

3. 注意事项

• 硬件连接：确保所有传感器和模块接线正确，避免短路及过载。

• 电源管理：在设计电源管理时，考虑充电桩的功耗，使用低功耗模式以延长设备运行时间。

• 代码备份：定期备份代码和数据，防止数据丢失。

四、代码实现过程

在此部分，我们将根据系统架构逐步实现各个功能模块的代码。我们将详细描述传感器模块、通信模块、数据存储模块和用户界面模块的实现过程。

1. 传感器模块

该模块负责实时采集充电状态和环境数据，包括电流和温度。我们将使用STM32 HAL库来实现传感器的初始化和数据读取。

1.1 硬件连接

• 电流传感器：将电流传感器的输出连接到STM32的ADC输入引脚。

• 温度传感器：将温度传感器（如DS18B20）连接到STM32的数字引脚。

1.2 初始化代码

#include "stm32f4xx_hal.h"

// ADC句柄
ADC_HandleTypeDef hadc1;

// 温度传感器引脚
#define TEMPERATURE_SENSOR_PIN GPIO_PIN_5
#define TEMPERATURE_SENSOR_PORT GPIOA

void ADC_Init(void) {
    __HAL_RCC_ADC1_CLK_ENABLE();

    hadc1.Instance = ADC1;
    hadc1.Init.ClockPrescaler = ADC_CLOCK_SYNC_PCLK_DIV4;
    hadc1.Init.Resolution = ADC_RESOLUTION_12B;
    hadc1.Init.ScanConvMode = ADC_SCAN_DISABLE;
    hadc1.Init.ContinuousConvMode = DISABLE;
    hadc1.Init.DiscontinuousConvMode = DISABLE;
    hadc1.Init.ExternalTrigConvEdge = ADC_EXTERNALTRIGCONVEDGE_NONE;
    hadc1.Init.ExternalTrigConv = ADC_SOFTWARE_START;
    hadc1.Init.DataAlign = ADC_DATAALIGN_RIGHT;
    hadc1.Init.NbrOfConversion = 1;
    HAL_ADC_Init(&hadc1);
}

float Read_Current(void) {
    // 启动ADC转换
    HAL_ADC_Start(&hadc1);
    // 等待转换完成
    HAL_ADC_PollForConversion(&hadc1, HAL_MAX_DELAY);
    // 读取ADC值
    uint32_t adc_value = HAL_ADC_GetValue(&hadc1);
    
    // 假设电流传感器输出为1V对应于1A
    float current = adc_value * (3.3f / 4096.0f); // 12位ADC, 3.3V参考电压
    return current;
}

float Read_Temperature(void) {
    // 此处应添加温度传感器的读取代码
    // 假设使用GPIO和外部库读取温度
    // 例如：使用OneWire库读取DS18B20的温度
    return temperature_value; // 返回读取的温度值
}

1.3 传感器数据读取函数

void Sensor_Read(void) {
    float current = Read_Current();
    float temperature = Read_Temperature();
    
    // 这里可以将数据发送到云端或存储到本地
    printf("Current: %.2f A, Temperature: %.2f C\n", current, temperature);
}

2. 通信模块

该模块用于将采集到的数据通过Wi-Fi模块发送至云平台。

2.1 Wi-Fi模块初始化

使用ESP8266 Wi-Fi模块进行通信，首先需要配置其AT命令。

#include "esp8266.h"

void WiFi_Init(void) {
    ESP8266_Init(); // 初始化ESP8266
    ESP8266_ConnectToAP("YOUR_SSID", "YOUR_PASSWORD");
}

2.2 MQTT通信实现

使用MQTT协议进行数据发布。

#include "mqtt.h"

void Publish_Data(float current, float temperature) {
    MQTT_Init();
    
    char payload[100];
    sprintf(payload, "{\"current\": %.2f, \"temperature\": %.2f}", current, temperature);
    
    MQTT_Publish("charging_station/data", payload);
}

3. 数据存储模块

在本项目中，我们使用SQLite数据库存储充电记录和设备状态。

3.1 SQLite初始化

确保已在项目中集成SQLite库。

#include "sqlite3.h"

sqlite3 *db;

void Database_Init(void) {
    // 打开或创建数据库
    int rc = sqlite3_open("charging_station.db", &db);
    if (rc) {
        printf("Can't open database: %s\n", sqlite3_errmsg(db));
        return;
    } else {
        printf("Opened database successfully\n");
    }

    // 创建充电记录表
    const char *sql = "CREATE TABLE IF NOT EXISTS charging_records ("
                      "id INTEGER PRIMARY KEY AUTOINCREMENT, "
                      "current REAL, "
                      "temperature REAL, "
                      "timestamp DATETIME DEFAULT CURRENT_TIMESTAMP);";

    char *errMsg;
    rc = sqlite3_exec(db, sql, 0, 0, &errMsg);
    if (rc != SQLITE_OK) {
        printf("SQL error: %s\n", errMsg);
        sqlite3_free(errMsg);
    } else {
        printf("Table created successfully\n");
    }
}

3.2 插入数据到数据库

在数据库初始化完成后，我们需要实现一个函数来将采集到的电流和温度数据插入到SQLite数据库中。

void Insert_Record(float current, float temperature) {
    char *errMsg;
    char sql[256];

    // 准备插入数据的SQL语句
    sprintf(sql, "INSERT INTO charging_records (current, temperature) VALUES (%f, %f);", current, temperature);

    // 执行SQL语句
    int rc = sqlite3_exec(db, sql, 0, 0, &errMsg);
    if (rc != SQLITE_OK) {
        printf("SQL error: %s\n", errMsg);
        sqlite3_free(errMsg);
    } else {
        printf("Record inserted successfully: Current = %.2f, Temperature = %.2f\n", current, temperature);
    }
}

3.3 数据存储逻辑

在主循环中，我们将传感器读取、数据插入和数据发布整合在一起，以实现完整的数据处理流程。

void Main_Loop(void) {
    // 初始化数据库
    Database_Init();
    
    while (1) {
        // 读取传感器数据
        float current = Read_Current();
        float temperature = Read_Temperature();

        // 插入记录到数据库
        Insert_Record(current, temperature);
        
        // 发送数据到云端
        Publish_Data(current, temperature);

        // 延时一段时间，例如每10秒读取一次
        HAL_Delay(10000);
    }
}

4. 用户界面模块

用户界面模块可以通过Web应用或移动应用来显示充电桩的状态和历史数据。以下是如何实现一个简单的Web应用来显示充电记录。

4.1 Web应用基础设置

假设我们使用Flask作为后端框架，创建一个简单的Web服务器以处理用户请求。

from flask import Flask, jsonify
import sqlite3

app = Flask(__name__)

def get_db_connection():
    conn = sqlite3.connect('charging_station.db')
    conn.row_factory = sqlite3.Row  # 将行转换为字典
    return conn

@app.route('/api/records', methods=['GET'])
def get_records():
    conn = get_db_connection()
    records = conn.execute('SELECT * FROM charging_records ORDER BY timestamp DESC').fetchall()
    conn.close()
    
    return jsonify([dict(record) for record in records])  # 将记录转换为JSON格式

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

4.2 前端界面

在前端，我们可以使用HTML和JavaScript进行数据展示。创建一个简单的HTML文件，以展示从后端获取的充电记录。

<!DOCTYPE html>
<html lang="en">
<head>
    <meta charset="UTF-8">
    <meta name="viewport" content="width=device-width, initial-scale=1.0">
    <title>充电桩监控</title>
    <style>
        body {
            font-family: Arial, sans-serif;
            margin: 20px;
            background-color: #f4f4f4;
        }
        table {
            width: 100%;
            border-collapse: collapse;
            margin-top: 20px;
        }
        th, td {
            padding: 10px;
            border: 1px solid #ddd;
            text-align: center;
        }
        th {
            background-color: #4CAF50;
            color: white;
        }
    </style>
</head>
<body>

<h1>充电桩监控系统</h1>
<h2>充电记录</h2>
<table>
    <thead>
        <tr>
            <th>ID</th>
            <th>电流 (A)</th>
            <th>温度 (°C)</th>
            <th>时间戳</th>
        </tr>
    </thead>
    <tbody id="records"></tbody>
</table>

<script>
    async function fetchRecords() {
        try {
            const response = await fetch('/api/records');
            const data = await response.json();
            const recordsTable = document.getElementById('records');
            recordsTable.innerHTML = ''; // 清空表格内容

            data.forEach(record => {
                const row = document.createElement('tr');
                row.innerHTML = `
                    <td>${record.id}</td>
                    <td>${record.current}</td>
                    <td>${record.temperature}</td>
                    <td>${record.timestamp}</td>
                `;
                recordsTable.appendChild(row);
            });
        } catch (error) {
            console.error('获取记录失败:', error);
        }
    }

    // 每5秒刷新一次记录
    setInterval(fetchRecords, 5000);
    fetchRecords(); // 初次加载记录
</script>

</body>
</html>

五、项目总结

本项目成功开发了一款基于STM32微控制器的智能充电桩，充分利用物联网技术，实现了充电监控、数据存储和用户交互功能。通过传感器实时监测充电状态和环境数据，结合Wi-Fi模块和MQTT协议，将数据高效地发送至云平台，并通过SQLite数据库进行本地存储，确保数据的安全和完整性。

项目中的各个模块，如传感器模块、通信模块、数据存储模块和用户界面模块，均经过精心设计与实现，使得系统整体架构清晰、功能分明。用户可以通过Web界面轻松访问和监控充电记录，提升了用户体验。同时，系统具备良好的扩展性，未来可以根据需求增加更多功能，如用户身份认证、移动应用支持等。

通过本项目的实施，团队成员不仅深化了对嵌入式系统开发和物联网技术的理解，更提高了团队协作和项目管理能力。未来，我们将继续优化系统性能，完善安全机制，努力将智能充电桩打造成高效、可靠的电动车充电解决方案。

时序图

以下是系统各模块间交互的时序图，展示了数据读取、存储和传输的流程：