基于STM32的传感器数据采集系统设计：Qt、RS485、Modbus Rtu协议（代码示例）

一、项目概述

项目目标与用途

本项目旨在设计并实现一个基于STM32F103RCT6微控制器的传感器数据采集系统。该系统通过多个传感器实时监测环境参数，并将采集到的数据传输至上位机进行处理和分析。系统的主要应用领域包括环境监测、工业控制、智能家居等。通过该系统，用户能够实时获取传感器数据，进行数据存储和分析，并具备限位报警、状态判断、故障监测等功能，以提高监测的及时性和有效性。

技术栈关键词

  • 硬件: STM32F103RCT6微控制器、RS485、RS232接口、传感器模块

  • 通信协议: Modbus RTU

  • 软件: Qt开发环境

  • 编程语言: C/C++、Qt

二、系统架构

系统架构设计

本系统由三个主要部分组成：传感器、数据采集模块和上位机。系统架构的设计如下图所示：

数据采集
RS485
数据处理
限位报警
状态判断
故障监测
传感器
数据采集模块
上位机
用户界面
报警模块
状态监测模块
故障检测模块

系统组件选择

  1. 单片机: 选用STM32F103RCT6微控制器，具有高性能和丰富的外设接口，适合复杂的数据采集任务。

  2. 通信协议: 采用RS485接口，以Modbus RTU协议进行数据通信，适合长距离和多点通信，确保数据的完整性和可靠性。

  3. 传感器: 选择温度、湿度、气体等多种传感器，能够满足不同环境监测需求。

  4. 上位机软件: 使用Qt开发环境，提供直观的用户交互界面，支持实时数据显示和历史数据分析。

三、环境搭建和注意事项

环境搭建

  1. 硬件环境:

    • STM32开发板（如STM32F103RCT6）

    • RS485转USB模块

    • 各类传感器（如DHT11、MQ系列气体传感器等）

  2. 软件环境:

    • 安装STM32CubeIDE或Keil进行固件开发。

    • 安装Qt Creator，配置Qt环境以进行上位机软件开发。

注意事项

  • 电源管理: 确保电源电压稳定，避免对微控制器和传感器造成损害。

  • RS485通信: 在RS485通信中，确保信号的正确连接和终端电阻的匹配，以防止信号反射和干扰。

  • 数据传输稳定性: 在长距离通信时，注意数据线的屏蔽和布线，以提高抗干扰能力。

四、代码实现过程

为了实现基于STM32的传感器数据采集系统，我们需要按照系统架构设计逐步实现各个功能模块。以下将详细介绍数据采集模块和上位机模块的代码实现过程，包括系统初始化、数据采集、数据传输、界面设计等方面。

4.1 数据采集模块实现

4.1.1 系统初始化

在STM32F103RCT6微控制器中，首先需要进行系统的初始化，包括时钟配置、GPIO初始化和UART配置。以下是系统初始化的代码示例：

#include "stm32f10x.h"void SystemClock_Config(void);
void GPIO_Config(void);
void UART_Config(void);int main(void) {HAL_Init();                // 初始化HAL库SystemClock_Config();      // 配置系统时钟GPIO_Config();             // 初始化GPIOUART_Config();             // 配置UARTwhile (1) {CollectSensorData();    // 采集传感器数据HAL_Delay(1000);        // 每秒采集一次}
}

4.1.2 GPIO配置

在数据采集模块中，GPIO配置用于控制RS485的发送和接收模式。以下是GPIO配置的代码示例：

void GPIO_Config(void) {__HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();  // 使能GPIOA时钟GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};// 配置RS485 DE引脚为输出GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_1; // 假设DE连接在PA1GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);
}

4.1.3 UART配置

UART配置用于RS485通信，设置波特率和数据格式。以下是UART配置的代码示例：

void UART_Config(void) {__HAL_RCC_USART1_CLK_ENABLE();  // 使能USART1时钟UART_HandleTypeDef huart1;huart1.Instance = USART1;huart1.Init.BaudRate = 9600;huart1.Init.WordLength = UART_WORDLENGTH_8B;huart1.Init.StopBits = UART_STOPBITS_1;huart1.Init.Parity = UART_PARITY_NONE;huart1.Init.Mode = UART_MODE_TX_RX;huart1.Init.HwFlowCtl = UART_HWCONTROL_NONE;huart1.Init.OverSampling = UART_OVERSAMPLING_16;if (HAL_UART_Init(&huart1) != HAL_OK) {// 初始化失败，处理错误Error_Handler();}
}

4.1.4 传感器数据采集

在数据采集模块中，我们需要实现从传感器读取数据的功能。以下是读取温度和湿度传感器数据的示例代码：

void ReadTemperature(uint8_t *data) {// 假设使用某种传感器读取温度// 这里应实现具体的传感器读取逻辑data[0] = 25; // 示例：读取到的温度值
}void ReadHumidity(uint8_t *data) {// 假设使用某种传感器读取湿度// 这里应实现具体的传感器读取逻辑data[1] = 60; // 示例：读取到的湿度值
}void CollectSensorData() {uint8_t sensorData[10];ReadTemperature(sensorData);ReadHumidity(sensorData + 1);// 发送数据到上位机RS485_SendData(sensorData, sizeof(sensorData));
}

4.1.5 RS485数据发送

RS485通信需要在发送数据前控制DE引脚的状态。以下是数据发送的代码示例：

void RS485_SendData(uint8_t *data, uint16_t length) {// 控制DE引脚为高电平，设置为发送模式HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_1, GPIO_PIN_SET);// 发送数据到上位机HAL_UART_Transmit(&huart1, data, length, HAL_MAX_DELAY);// 控制DE引脚为低电平，设置为接收模式HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_1, GPIO_PIN_RESET);
}

4.2 上位机模块实现

上位机模块负责接收来自数据采集模块的数据，并在用户界面上实时显示这些数据。以下将详细介绍上位机模块的关键实现步骤，包括Qt界面的设计、数据接收与解析、数据展示等。

4.2.1 Qt环境配置

首先，需要在计算机上安装Qt SDK，并创建一个新的Qt Widgets应用程序项目。确保在项目设置中选择适当的Qt版本，并配置好编译环境。

4.2.2 界面设计

在Qt Creator中，可以使用Qt Designer工具设计用户界面。以下是一个简单的界面设计步骤：

  1. 创建主窗口: 在Qt Designer中创建一个QMainWindow，命名为MainWindow。

  2. 添加控件: 在主窗口中添加以下控件：

  • QLabel: 显示温度和湿度信息。

  • QPushButton: 用于开始和停止数据接收。

  • QTableWidget: 显示历史数据。

  • QTextEdit: 用于显示日志信息。

设计完成后，将界面保存。

4.2.3 代码实现

在MainWindow类中，编写数据接收和显示的逻辑。以下是关键代码部分的实现：

#include <QMainWindow>
#include <QSerialPort>
#include <QSerialPortInfo>
#include <QTimer>class MainWindow : public QMainWindow {Q_OBJECTpublic:MainWindow(QWidget *parent = nullptr);~MainWindow();private slots:void readSerialData(); // 读取串口数据void startReceiving();  // 开始接收数据void stopReceiving();   // 停止接收数据private:QSerialPort *serial;    // 串口对象QLabel *temperatureLabel; // 温度标签QLabel *humidityLabel;    // 湿度标签QTableWidget *dataTable;  // 数据表格
};MainWindow::MainWindow(QWidget *parent): QMainWindow(parent), serial(new QSerialPort(this)) {// 界面初始化setupUi(this);// 配置串口serial->setPortName("COM3"); // 设置串口名称serial->setBaudRate(QSerialPort::Baud9600);// 连接信号和槽connect(serial, &QSerialPort::readyRead, this, &MainWindow::readSerialData);
}MainWindow::~MainWindow() {if (serial->isOpen()) {serial->close();}
}void MainWindow::startReceiving() {if (serial->open(QIODevice::ReadOnly)) {// 启动接收数据qDebug() << "串口已打开";} else {qDebug() << "无法打开串口";}
}void MainWindow::stopReceiving() {if (serial->isOpen()) {serial->close();qDebug() << "串口已关闭";}
}void MainWindow::readSerialData() {while (serial->canReadLine()) {QString line = serial->readLine();QStringList sensorData = line.split(',');if (sensorData.size() >= 2) {// 更新温度和湿度标签temperatureLabel->setText("温度: " + sensorData[0] + " °C");humidityLabel->setText("湿度: " + sensorData[1] + " %");// 在数据表格中记录历史数据int rowCount = dataTable->rowCount();dataTable->insertRow(rowCount);dataTable->setItem(rowCount, 0, new QTableWidgetItem(sensorData[0]));dataTable->setItem(rowCount, 1, new QTableWidgetItem(sensorData[1]));}}
}

4.2.5 故障监测与报警功能

在上位机中，我们可以实现一个简单的故障监测机制，以便在传感器数据超过设定阈值时发出警报。以下是监测函数的完整实现代码。

void MainWindow::checkForAlerts(double temperature, double humidity) {QString alertMessage;// 检查温度是否超过警戒线if (temperature > 30.0) {alertMessage += "警报：温度超过30°C!\n";}// 检查湿度是否超过警戒线if (humidity > 80.0) {alertMessage += "警报：湿度超过80%!\n";}// 如果有警报信息，显示在文本框中if (!alertMessage.isEmpty()) {QTextEdit *logTextEdit = findChild<QTextEdit *>("logTextEdit");if (logTextEdit) {logTextEdit->append(alertMessage);}}
}

在readSerialData函数中调用checkForAlerts，以便在接收到数据后立即检查是否存在报警情况：

void MainWindow::readSerialData() {while (serial->canReadLine()) {QString line = serial->readLine();QStringList sensorData = line.split(',');if (sensorData.size() >= 2) {// 更新温度和湿度标签double temperature = sensorData[0].toDouble();double humidity = sensorData[1].toDouble();temperatureLabel->setText("温度: " + QString::number(temperature, 'f', 2) + " °C");humidityLabel->setText("湿度: " + QString::number(humidity, 'f', 2) + " %");// 调用报警检查函数checkForAlerts(temperature, humidity);// 在数据表格中记录历史数据int rowCount = dataTable->rowCount();dataTable->insertRow(rowCount);dataTable->setItem(rowCount, 0, new QTableWidgetItem(QString::number(temperature)));dataTable->setItem(rowCount, 1, new QTableWidgetItem(QString::number(humidity)));}}
}

在适当的时机（例如在关闭程序时）调用saveDataToFile函数，以确保数据被保存。

4.2.7 主函数

最后，确保在主函数中创建并显示主窗口，同时设置接收数据的启动和停止事件。

int main(int argc, char *argv[]) {QApplication app(argc, argv);MainWindow window;// 开始接收数据window.startReceiving();window.show();return app.exec();
}

4.3 整体系统流程

4.3.1 数据采集流程

  1. 系统启动: STM32微控制器初始化，配置时钟、GPIO和UART。

  2. 传感器数据采集: 定时采集传感器数据，读取温度和湿度信息。

  3. 数据传输: 通过RS485接口将采集到的数据发送给上位机，采用Modbus RTU协议格式化数据。

  4. 数据发送: 控制RS485的发送和接收模式，确保数据的完整性。

4.3.2 上位机数据处理流程

  1. 串口配置: 打开指定的串口，设置波特率和数据格式。

  2. 数据接收: 接收来自STM32的数据并解析。

  3. 数据展示: 实时更新界面上的数据标签，显示温度和湿度值。同时，将历史数据保存到数据表格中，以供后续查询与分析。

  4. 故障监测与报警: 在每次接收数据时，调用监测函数检查温度和湿度是否超出设定阈值。如果超出，则在日志框中打印警报信息，提示用户注意。

  5. 数据持久化: 在适当的时机（例如用户点击“保存”按钮或关闭软件时），将历史数据写入CSV文件，便于后续查看和分析。

4.3.3 整体系统工作流程图

用户 上位机 STM32微控制器 传感器 启动上位机软件 打开串口 确认串口打开 采集传感器数据 返回温度、湿度数据 发送数据(温度, 湿度) loop [数据采集与发送] 解析数据 更新界面显示 检查限位 触发报警 显示警报信息 记录正常数据 alt [超出限位] [正常状态] 保存数据 将数据写入文件 关闭串口 用户 上位机 STM32微控制器 传感器

五、项目总结

5.1 项目主要功能

本项目实现了一个基于STM32F103RCT6微控制器的传感器数据采集系统，主要功能包括：

  1. 传感器数据采集: 通过多个传感器（如温度、湿度传感器）实时采集环境数据。

  2. 数据传输: 采用RS485接口与Modbus RTU协议，将采集到的数据实时传送至上位机。

  3. 上位机数据处理: 使用Qt开发环境实现用户界面，实时显示温度、湿度数据，并支持历史数据记录和展示。

  4. 故障监测与报警: 实现对传感器数据的阈值监测，超出设定范围时发出警报，并在界面中记录相关信息。

  5. 数据持久化: 支持将历史数据保存为CSV文件，便于后续分析与查看。

5.2 实现过程总结

该系统的实现过程经历了以下几个阶段：

  • 需求分析与设计: 针对项目需求，设计了系统架构和数据流，并选择了合适的硬件组件和通信协议。

  • 硬件开发: 在STM32开发板上实现了数据采集模块，配置了GPIO、UART和RS485接口，编写了数据采集和发送的代码。

  • 上位机开发: 使用Qt进行上位机软件的开发，设计了用户界面，编写了数据接收、解析及显示的逻辑代码。

  • 系统集成与测试: 将硬件和上位机软件进行集成，进行了系统测试，确保数据的准确性和系统的稳定性。

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