OTA 智能控制终端

基于 STM32F103C8T6 的智能控制终端，集成 FreeRTOS、Modbus RTU、CANopen、ThingsBoard MQTT 遥测/控制，以及基于 W25Q64 的 OTA 启动升级流程。

功能特性

• 基于 FreeRTOS 的应用程序，包含四个主要运行任务：
  • SensorTask：采集 AHT20、INA226、ADC 系统电压、CPU 温度
  • ModbusTask：Modbus RTU 从站
  • CANopenTask：基于 CanFestival 的 CANopen 从站
  • MQTTTask：通过 ML307 Cat.1 / ESP8266 AT 接入 ThingsBoard MQTT
• Modbus、CANopen、MQTT 共用同一套寄存器模型。
• 协议任务与传感器任务之间通过互斥锁保护共享数据访问。
• ThingsBoard 遥测上报内容包括：
  • 环境温度
  • 环境湿度
  • 设备电压
  • 系统电流
  • 设备功率
  • 系统/ADC 电压
  • CPU 温度
• 通过协议共享输出位远程控制：
  • LED1
  • LED2
  • 蜂鸣器
  • 继电器
• 云端 OTA 流程：
  • 应用程序通过 MQTT 下载固件分片
  • 固件写入 W25Q64 的 block 0
  • 元数据存入 AT24C02
  • Bootloader 将固件从 W25Q64 复制到内部 Flash A 区
• Bootloader 固件槽选择：
  • block 0：云端 OTA 自动升级槽
  • block 1：原始/回退应用槽，通过 ESC/PA8 选择
  • block 2：第二应用槽，通过 OK/PB12 选择
• Bootloader 带简化版 SSD1306 OLED 状态显示。

仓库结构

APP1.0/           主应用：FreeRTOS + 传感器 + Modbus + CANopen + MQTT + OTA 下载
APP1.1/           最小 OTA 验证固件，LED2 闪烁测试
Bootloader_std/   Bootloader：启动选择、W25Q64 到 A 区更新、OLED 提示

硬件组成

• MCU：STM32F103C8T6
• 外部 Flash：W25Q64，使用 SPI1
• EEPROM：AT24C02，使用软件 I2C
• 显示屏：SSD1306 OLED，使用 I2C
• 主通信模块：ML307 Cat.1
• 可选 WiFi 通道：代码中保留 ESP8266 支持，通过 MQTT_WIFI_4G_ENABLE 选择
• 传感器：
  • AHT20 温湿度
  • INA226 电压/电流/功率
  • MCU 内部 ADC 采样系统电压和 CPU 温度
• Bootloader 启动按键：
  • ESC：PA8，选择 W25Q64 block 1
  • OK：PB12，选择 W25Q64 block 2

原理图引脚映射

仓库中的代码与原理图网络名对应关系如下。这一节可以直接作为复刻硬件或移植固件时的最小接线参考。

功能	原理图网络名	STM32 引脚	说明
调试串口	TXD1 / RXD1	PA9 / PA10	USART1，用于 APP 日志和 Bootloader 命令窗口
Modbus RTU	TXD2 / RXD2	PA2 / PA3	USART2，连接 RS485 收发器
RS485 方向控制	RS485WR2	PB2	高电平发送，低电平接收
4G / WiFi AT 串口	TXD3 / RXD3	PB10 / PB11	USART3，连接 ML307 或 ESP8266
CAN 总线	CANTX / CANRX	PA12 / PA11	CAN1，当前固件配置为 500 kbps
OLED / EEPROM / AHT20	SCL1 / SDA1	PB6 / PB7	共用软件 I2C 总线
W25Q64 SPI	FLASH_SCK / FLASH_MISO / FLASH_MOSI / FLASH_CS	PA5 / PA6 / PA7 / PA4	APP 和 Bootloader 共用 OTA 存储
INA226 总线	SCL1 / SDA1	PB6 / PB7	与 EEPROM / OLED 共用同一 I2C 总线
电压采样	ADC_VR	PA1	ADC1_IN1，用于板级电压采样
Boot 按键 ESC	SW_LEFT	PA8	Bootloader 选择 W25Q64 block 1
Boot 按键 OK	SW_OK	PB12	Bootloader 选择 W25Q64 block 2
LED1	LED1	PB9	低电平点亮
LED2	LED2	PB8	低电平点亮
蜂鸣器	BEEP	PC13	高电平有效
继电器	RELAY	PB1	高电平有效

原理图中其它按键通过 H2 扩展接口引出，当前开源固件启动流程暂未使用。

接口说明

• J4 USB 转串口：
  • TXD1 / RXD1 通过 CH340G 接到 PC 调试串口
  • 推荐用于 Bootloader 交互和 APP 日志采集
• J3 RS485：
  • 差分 A/B 由 SP3485 收发器输出
  • 固件通过 PB2 控制收发方向
• J2 CAN：
  • 差分 CANH/CANL 由 SIT1040 收发器输出
• P1 4G Cat.1：
  • ML307 的 AT 串口使用 PB10/PB11
• J1 ESP-12F：
  • 可选 ESP8266 AT 通道，同样复用 PB10/PB11

板级功能模块

原理图按多个小功能块组织。对于第一次接手项目的人，下表可以快速说明每个模块的器件、作用以及在固件中的用途。

原理图模块	主要器件	作用	固件用途
STM32 主控	STM32F103C8T6	核心控制器	运行 Bootloader 和 FreeRTOS 主应用
USB 转串口	CH340G	PC 下载/日志串口	承载 USART1 调试输出和 Bootloader CLI
4G Cat.1 模块	ML307	主 MQTT/ThingsBoard 通信链路	由 USART3 的 AT 驱动使用
ESP8266 WiFi 模块	ESP-12F / ESP8266MOD	可选 WiFi 通信链路	与 USART3 共用 AT 通道
CAN 收发器	SIT1040QT	MCU CAN 转差分 CAN 总线	供 CAN1 / CANopenTask 使用
RS485 收发器	SP3485EN	MCU UART 转差分 RS485 总线	供 USART2 / Modbus RTU 从站使用
SPI Flash	W25Q64JVSSIQ	外部 OTA 固件存储	APP 写 OTA 包，Bootloader 负责搬运到内部 Flash
EEPROM	24C02	存放 OTA 元数据和少量持久化信息	挂在软件 I2C 总线上
温湿度传感器	AHT20	采集环境温度和湿度	由 SensorTask 通过 I2C 读取
电流/功率监测	INA226AIDGSR	采集总线电压、电流、功率	由 SensorTask 通过 I2C 读取
OLED 显示	0.96" I2C OLED	本地状态显示	主要用于 Bootloader 启动/升级提示
继电器驱动	S8050 + relay	控制外部负载通断	通过共享输出寄存器位控制
蜂鸣器驱动	S8050 + buzzer	提供声音提示	通过共享输出寄存器位控制
指示灯	LED1 / LED2	提供状态指示	通过共享输出寄存器位控制
启动按键区	多按键网络	本地启动选择和人机交互	当前 Bootloader 主要使用 SW_LEFT 和 SW_OK
ADC 分压 / 电位器	分压电阻 + VR1	板级电压 / 模拟量采样	通过 PA1 的 ADC_VR 采样
电源模块	AMS1117-3.3	从 5V 生成 VCC3V3	为 MCU 和外设供电
时钟模块	8 MHz HSE + 32.768 kHz LSE	主系统时钟和 RTC 时钟	提供 STM32 时钟源
JTAG 调试接口	调试排针	SWD/JTAG 下载与调试	用于 Keil / OpenOCD / CMSIS-DAP 工作流

模块备注

• APP 和 Bootloader 共用同一条 W25Q64 + AT24C02 OTA 存储链路。
• PB6/PB7 被 OLED、AHT20、INA226、EEPROM 共用，因此复刻硬件时要注意上拉和总线负载。
• PB10/PB11 在板级上被 ML307 和 ESP8266 复用，但当前开源工程默认以 ML307 作为主 MQTT 通道。
• Bootloader 的本地交互刻意保持简单：OLED + PA8 + PB12 + UART1。

Boot 按键说明

• PA8 对应原理图左键，在 Bootloader 中作为 ESC 使用。
• PB12 对应原理图中间确认键，在 Bootloader 中作为 OK 使用。
• 两个按键均为低电平有效，Bootloader 内部开启上拉输入进行采样。

Flash 布局

STM32 内部 Flash：

0x08000000 - 0x08004FFF   Bootloader / B 区，20 KB
0x08005000 - 0x0800FFFF   Application / A 区，44 KB

外部 W25Q64 槽位：

block 0   云端 OTA 自动升级槽
block 1   APP1.0 原始/回退槽
block 2   第二测试/应用槽
block 3+  预留

编译

工程为 Keil MDK 工程。

应用程序：

& 'D:\keil 5\UV4\UV4.exe' -r '.\APP1.0\APP1.0.uvprojx' -j0 -t 'APP1.0' -o '.\APP1.0\.vscode\uv4.log'

Bootloader：

& 'D:\keil 5\UV4\UV4.exe' -r '.\Bootloader_std\bootloader_std.uvprojx' -j0 -t 'Bootloader_Std' -o '.\Bootloader_std\Bootloader_Std_build.log'

烧录

下面是使用 OpenOCD + CMSIS-DAP 的示例：

& 'D:\openOCD\OpenOCD-20250613-0.12.0\bin\openocd.exe' -f interface/cmsis-dap.cfg -f target/stm32f1x.cfg -c "program Bootloader_std/Objects/project.hex verify reset exit"
& 'D:\openOCD\OpenOCD-20250613-0.12.0\bin\openocd.exe' -f interface/cmsis-dap.cfg -f target/stm32f1x.cfg -c "program APP1.0/Objects/project.hex verify reset exit"

Bootloader 行为

上电复位后，Bootloader OLED 显示：

BOOT
ESC B1
OK B2

启动选择逻辑：

• 在启动窗口期通过 UART1 发送字符 w，进入 Bootloader 命令行。
• 按下 ESC/PA8，将 W25Q64 block 1 复制到 A 区。
• 按下 OK/PB12，将 W25Q64 block 2 复制到 A 区。
• 如果没有按键：
  • 若 OTA 标志已置位：将 W25Q64 block 0 复制到 A 区。
  • 若 OTA 标志未置位：直接跳转到 A 区应用程序。

当所选块长度为 0，或超出 A 区容量时，Bootloader 会拒绝执行更新。

ThingsBoard / MQTT 说明

MQTT 侧通过 AT 指令实现，并订阅以下主题：

v1/devices/me/attributes
v1/devices/me/rpc/request/+
v2/fw/response/+/chunk/#

OTA 采用 256 字节固件分片，以兼顾 ML307 与云端链路的稳定性。APP 在下载完成后会把固件写入 W25Q64 block 0，并把元数据写入 AT24C02，随后复位进入 Bootloader。

验证状态

当前整理后的实测状态：

• APP1.0 编译通过。
• Bootloader 编译通过，并且仍然小于 20 KB B 区限制。
• 44 KB 的 APP1.0 固件可通过 ThingsBoard OTA 在约一分钟内完成升级。
• Bootloader 能正确校验长度/CRC 并完成 A 区升级。
• Modbus、CANopen、MQTT、传感器采集和输出控制已联合测试通过。
• Bootloader 的 ESC/OK 按键选择和 OLED 状态显示已测试通过。

开源前说明

• 设备凭证和服务端 ThingsBoard 配置不会包含在仓库中。
• Objects/、Listings/、.vscode/ 以及本地日志等生成文件均已忽略。