第11章 嵌入式通信与物联网

11 第 11 章 嵌入式通信与物联网

嵌入式系统很少独立工作，往往需要与上位机、云平台或其他节点通信。本章深入介绍 UART、SPI、I2C、CAN 四种常用总线协议，并扩展到 Wi-Fi、LoRa 等无线通信与 MQTT 物联网协议，最后结合农业物联网场景给出综合案例。

11.1 本章知识导图

图 11-1 本章知识导图：从有线总线到物联网协议的完整通信体系。

11.2 有线通信总线对比

表 11-1 四种常用有线通信总线对比

特性	UART	SPI	I2C	CAN
信号线数	2（TX/RX）	4（SCK/MOSI/MISO/CS）	2（SCL/SDA）	2（CANH/CANL）
通信方式	异步全双工	同步全双工	同步半双工	异步半双工
主从关系	点对点	一主多从	多主多从	多主多从
典型速率	115200 bps	数十 Mbps	100/400 kbps	1 Mbps
传输距离	短（<15m）	很短（<1m）	短（<1m）	长（可达 1km）
典型应用	调试串口、GPS	Flash、LCD、ADC	传感器、EEPROM	汽车/工业网络

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11.3 UART 串口通信

UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter）是最常用的调试和通信接口。第 3 章已介绍基本配置，本节补充 DMA 收发和协议帧设计。

11.3.1 DMA 接收不定长数据

利用 UART 空闲中断 + DMA 实现不定长数据接收，是工程中最常用的方案：

/* 全局缓冲区 */
#define RX_BUF_SIZE  256
uint8_t rx_buf[RX_BUF_SIZE];
volatile uint16_t rx_len = 0;
volatile uint8_t rx_flag = 0;

/* 启动 DMA 接收 */
void UART_StartReceive(void)
{
    __HAL_UART_ENABLE_IT(&huart1, UART_IT_IDLE);
    HAL_UART_Receive_DMA(&huart1, rx_buf, RX_BUF_SIZE);
}

/* 空闲中断回调（在 USARTx_IRQHandler 中调用） */
void UART_IDLE_Handler(void)
{
    if (__HAL_UART_GET_FLAG(&huart1, UART_FLAG_IDLE)) {
        __HAL_UART_CLEAR_IDLEFLAG(&huart1);
        HAL_UART_DMAStop(&huart1);
        rx_len = RX_BUF_SIZE - __HAL_DMA_GET_COUNTER(huart1.hdmarx);
        rx_flag = 1;
        HAL_UART_Receive_DMA(&huart1, rx_buf, RX_BUF_SIZE);
    }
}

11.3.2 自定义协议帧

工程通信需要定义帧结构保证数据完整性：

表 11-2 自定义通信协议帧格式

帧头	长度	命令	数据	校验
0xAA 0x55	1字节（数据域长度）	1字节	N字节	1字节（异或校验）

typedef struct __attribute__((packed)) {
    uint8_t header[2];  /* 0xAA, 0x55 */
    uint8_t length;     /* 数据域长度 */
    uint8_t cmd;        /* 命令码 */
    uint8_t data[64];   /* 数据域 */
    uint8_t checksum;   /* XOR 校验 */
} FrameTypeDef;

uint8_t Frame_CalcChecksum(const uint8_t *buf, uint16_t len)
{
    uint8_t xor_val = 0;
    for (uint16_t i = 0; i < len; i++) {
        xor_val ^= buf[i];
    }
    return xor_val;
}

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11.4 CAN 总线深入

CAN（Controller Area Network）最初为汽车网络设计，因其高可靠性和长距离传输能力，在工业控制和农业装备中广泛应用。STM32F103 内置 bxCAN 控制器。

11.4.1 CAN 帧结构

表 11-3 CAN 标准数据帧各字段

字段	位数	说明
SOF	1	帧起始（显性位）
标识符（ID）	11	仲裁用，数值越小优先级越高
RTR	1	0=数据帧，1=远程帧
控制域	6	含DLC（数据长度 0~8）
数据域	0~64	0~8字节有效数据
CRC	16	循环冗余校验
ACK	2	接收方确认
EOF	7	帧结束

11.4.2 STM32 CAN 收发

/* CAN 发送数据 */
CAN_TxHeaderTypeDef tx_header;
uint8_t tx_data[8];
uint32_t tx_mailbox;

void CAN_SendData(uint32_t id, uint8_t *data, uint8_t len)
{
    tx_header.StdId = id;
    tx_header.IDE   = CAN_ID_STD;
    tx_header.RTR   = CAN_RTR_DATA;
    tx_header.DLC   = len;

    HAL_CAN_AddTxMessage(&hcan, &tx_header, data, &tx_mailbox);
}

/* CAN 接收回调 */
void HAL_CAN_RxFifo0MsgPendingCallback(CAN_HandleTypeDef *hcan_inst)
{
    CAN_RxHeaderTypeDef rx_header;
    uint8_t rx_data[8];

    HAL_CAN_GetRxMessage(hcan_inst, CAN_RX_FIFO0, &rx_header, rx_data);

    /* 根据 ID 分发处理 */
    switch (rx_header.StdId) {
        case 0x101:  /* 温湿度节点 */
            Process_TempHumi(rx_data, rx_header.DLC);
            break;
        case 0x102:  /* 土壤湿度节点 */
            Process_Soil(rx_data, rx_header.DLC);
            break;
    }
}

/* 过滤器配置——只接收 0x100~0x1FF 的帧 */
void CAN_FilterConfig(void)
{
    CAN_FilterTypeDef filter;
    filter.FilterBank           = 0;
    filter.FilterMode           = CAN_FILTERMODE_IDMASK;
    filter.FilterScale          = CAN_FILTERSCALE_32BIT;
    filter.FilterIdHigh         = 0x100 << 5;
    filter.FilterIdLow          = 0;
    filter.FilterMaskIdHigh     = 0x700 << 5;
    filter.FilterMaskIdLow      = 0;
    filter.FilterFIFOAssignment = CAN_RX_FIFO0;
    filter.FilterActivation     = ENABLE;
    HAL_CAN_ConfigFilter(&hcan, &filter);
}

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11.5 Wi-Fi 通信（ESP8266）

ESP8266 是低成本 Wi-Fi 模块，通过 AT 指令与 STM32 串口通信，可将嵌入式设备接入互联网。

11.5.1 AT 指令基础

表 11-4 常用 ESP8266 AT 指令

指令	功能	示例响应
AT	测试连接	OK
AT+CWMODE=1	设为 Station 模式	OK
AT+CWJAP="SSID","PASS"	连接 Wi-Fi	WIFI CONNECTED
AT+CIPSTART="TCP","IP",PORT	建立 TCP 连接	CONNECT
AT+CIPSEND=N	发送 N 字节数据	>

11.5.2 STM32 驱动 ESP8266

/* 发送 AT 指令并等待响应 */
uint8_t ESP_SendCmd(const char *cmd, const char *expected,
                    uint32_t timeout_ms)
{
    rx_flag = 0;
    HAL_UART_Transmit(&huart2, (uint8_t *)cmd, strlen(cmd), 100);
    HAL_UART_Transmit(&huart2, (uint8_t *)"\r\n", 2, 10);

    uint32_t start = HAL_GetTick();
    while (HAL_GetTick() - start < timeout_ms) {
        if (rx_flag) {
            rx_flag = 0;
            if (strstr((char *)rx_buf, expected)) return 1;
        }
    }
    return 0;
}

/* 初始化 ESP8266 并连接 Wi-Fi */
uint8_t ESP_Init(const char *ssid, const char *pass)
{
    char cmd[128];
    if (!ESP_SendCmd("AT", "OK", 2000)) return 0;
    if (!ESP_SendCmd("AT+CWMODE=1", "OK", 2000)) return 0;
    snprintf(cmd, sizeof(cmd), "AT+CWJAP=\"%s\",\"%s\"", ssid, pass);
    if (!ESP_SendCmd(cmd, "WIFI GOT IP", 10000)) return 0;
    return 1;
}

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11.6 LoRa 远距离通信

LoRa（Long Range）是一种低功耗广域网（LPWAN）技术，适用于农业环境监测等远距离、低速率场景。

表 11-5 LoRa 与 Wi-Fi 对比

特性	LoRa	Wi-Fi
通信距离	1~15 km（开阔地）	50~100 m
数据速率	0.3~50 kbps	数十 Mbps
功耗	极低（电池供电数月~年）	高（需持续供电）
频段	免授权（433/470/868/915 MHz）	2.4/5 GHz
拓扑	星型	星型/Mesh
适用场景	农田监测、水质检测	室内设备联网

SX1278 模块通过 SPI 接口与 STM32 通信，基本流程：配置频率/扩频因子/带宽 → 发送/接收数据包。

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11.7 MQTT 物联网协议

MQTT（Message Queuing Telemetry Transport）是物联网中最流行的轻量级消息协议，基于发布/订阅模型。

11.7.1 核心概念

图 11-2 MQTT 发布/订阅模型：发布者和订阅者通过 Broker 解耦通信。

表 11-6 MQTT QoS 等级

QoS	语义	说明
0	最多一次（At most once）	不确认，可能丢失
1	至少一次（At least once）	确认机制，可能重复
2	恰好一次（Exactly once）	四次握手，开销最大

11.7.2 嵌入式 MQTT 报文构造

MQTT CONNECT 报文由固定头 + 可变头 + 有效载荷组成。嵌入式端通常使用轻量级 MQTT 库（如 MQTTPacket），或手动构造报文通过 TCP 发送：

/* 简化的 MQTT PUBLISH 报文构造 */
uint16_t MQTT_BuildPublish(uint8_t *buf, const char *topic,
                           const char *payload)
{
    uint16_t topic_len = strlen(topic);
    uint16_t payload_len = strlen(payload);
    uint16_t remain_len = 2 + topic_len + payload_len;
    uint16_t idx = 0;

    buf[idx++] = 0x30;                     /* PUBLISH, QoS0 */
    buf[idx++] = (uint8_t)remain_len;      /* 剩余长度（<128） */
    buf[idx++] = (uint8_t)(topic_len >> 8);
    buf[idx++] = (uint8_t)(topic_len);
    memcpy(&buf[idx], topic, topic_len);
    idx += topic_len;
    memcpy(&buf[idx], payload, payload_len);
    idx += payload_len;

    return idx;
}

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11.8 综合案例：农业物联网数据采集

将前面学习的技术整合，构建一个农业温室环境监测系统：

图 11-3 农业物联网系统架构：多个 CAN 节点采集数据，网关汇聚后通过 Wi-Fi/MQTT 上报云平台。

系统特点：

• CAN 总线连接多个传感器节点，距离可达数百米，适合温室大棚
• 网关节点汇聚数据，本地 OLED 显示，同时通过 ESP8266 上云
• MQTT 主题设计：farm/{zone}/temp、farm/{zone}/humi、farm/{zone}/soil
• 支持远程下发控制指令（如开启灌溉、调节通风）

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11.9 本章小结

• 有线通信：UART 用于调试和短距点对点；SPI 用于高速外设；I2C 用于低速传感器；CAN 用于长距离多节点网络
• 无线通信：ESP8266 Wi-Fi 适合近距离联网；LoRa 适合远距离低功耗场景
• MQTT 协议：发布/订阅模型适合物联网的一对多通信
• 系统集成：CAN 总线 + Wi-Fi 网关 + MQTT 云平台是农业物联网的典型架构

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11.10 习题

1. 比较 UART、SPI、I2C、CAN 四种总线的适用场景，各举一个实际应用。
2. 设计一个通信协议帧格式，要求支持帧头检测、长度可变数据域和 CRC 校验。
3. CAN 总线仲裁机制如何保证高优先级消息先发送？
4. 比较 LoRa 和 Wi-Fi 在农业物联网中的优劣势。
5. 设计一个 3 节点的温室监测系统：节点 1 采集温湿度，节点 2 采集光照和土壤湿度，网关节点汇聚数据通过 MQTT 上报。画出系统架构图并设计 CAN ID 分配和 MQTT 主题规划。

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