基于GD32的物联网环境监测系统

关于本项目

本项目旨在设计并实现一套基于国产高性能微控制器GD32F470ZG的环境监测系统，以满足对环境参数进行实时、远程、智能化监测的需求。针对传统监测站建设成本高、覆盖范围有限的痛点，该系统利用物联网技术实现了低成本、低功耗的网格化监测方案。

系统以立创梁山派开发板为核心，集成了温湿度、TVOC和气压传感器，通过NB-IoT网络将数据上传至阿里云物联网平台，并最终在移动端App上进行实时展示，验证了国产MCU在环境监测领域的应用可行性。

核心功能

多参数环境感知

• 高精度采集：集成AHT21温湿度传感器、AGS10 TVOC传感器和WF183D气压传感器，实现对环境温度、相对湿度、挥发性有机化合物浓度及大气气压的精确采集。
• 数据处理：在MCU端进行原始数据的解析、校验（CRC）及单位转换，例如将湿度信号转换为相对湿度。

智能电源管理

• 双路供电切换：支持USB(5V)与3.7V锂电池双路供电。采用BQ25616RTWT芯片实现路径管理，当USB断开时自动无缝切换至电池供电。
• 充电与升：集成锂电池充电管理，并通过TPS61022RWUR将电池电压同步升压至5V，再降压至3.3V供系统使用，确保电压稳定。

远程通信与云平台

• NB-IoT 数据远传：利用EC-01F模组，通过AT指令与MQTT协议将JSON格式的环境数据发布到阿里云物联网平台。
• 云端规则引擎：在阿里云平台配置数据流转规则，解析设备上报的数据并转发至指定Topic，供移动端订阅。

移动端实时监控

• 跨平台 App：基于Flutter框架开发的移动应用程序，支持Android和iOS 。
• 实时数据同步：App通过MQTT协议连接云平台，订阅数据Topic，实时接收并解析JSON数据，动态更新UI界面显示的各项环境指标。

技术架构

硬件架构

• 主控单元：GD32F470ZG(Arm® Cortex®-M4, 240MHz)，负责传感器驱动与系统调度。
• 传感器组：
  • 温湿度：AHT21(I2C接口)
  • TVOC：AGS10(I2C接口)
  • 气压：WF183D(UART接口)
• 通信模块：EC-01F NB-IoT模组(UART接口，支持3GPP R14)。
• 电源系统：BQ25616(充电管理)+TPS61022(升压)+TMI3411(降压)。
• PCB 设计：采用四层板设计，合理布局电源层与地层，优化射频与模拟电路隔离。

软件架构

• 嵌入式固件:
  • 开发环境：VS Code+EIDE+ARM Compiler 5。
  • 驱动开发：实现软件I2C、硬件UART驱动及AT指令解析。
  • 算法实现：传感器数据校准与CRC8校验计算。
• 云端平台：阿里云IoT Platform，利用物模型(TSL)定义数据结构，配置规则引擎实现数据流转。
• 移动端:
  • 框架：Flutter(Dart语言)。
  • 通信库：使用mqtt_client插件实现与阿里云的MQTT通信。

认证与管理

• 一机一密：设备端使用ProductKey、DeviceName、DeviceSecret三元组进行阿里云身份认证，确保接入安全。
• 用户鉴权：移动App端实现了基础的用户登录验证机制，保护监控数据的访问权限。