100 篇文章精通 STM32F103（第 25 篇）：物联网设备健壮性设计 —— 故障自恢复与稳定运行

大家好！在前 24 篇中，我们实现了物联网设备的 “数据上传 + 远程控制” 双向通信，但在复杂实际环境（如户外信号弱、电源波动、网络中断）中，设备仍会频繁出现故障：网络断开后无法重连、指令执行一半突然断电导致数据丢失、传感器异常导致采集值错误…… 这些问题会让设备 “离线” 或 “失控”，失去物联网监控的意义。这一篇我们将从 “健壮性设计的核心目标” 讲起，详解五大关键保障技术（网络重连、数据备份、故障检测、指令重试、异常报警），通过 “户外温湿度监测设备” 的实操优化，让你的设备在恶劣环境下也能稳定运行，实现 “无人值守” 的核心需求。

一、为什么需要健壮性设计？用 “户外监控摄像头” 理解痛点

物联网设备（如户外传感器、远程水表）的运行环境远比实验室复杂，常见故障场景就像 “户外摄像头突然罢工”：

网络波动：基站信号临时中断，设备与云端断开连接，数据无法上传，指令无法接收；电源不稳：锂电池电压下降或瞬间断电，未保存的采集数据丢失，设备重启后参数重置；硬件异常：传感器接触不良导致采集值跳变（如温度突然从 25℃变为 80℃），指令执行后无反馈；云端异常：云端平台临时维护，设备连接被拒绝，需等待恢复后自动重试。

健壮性设计的本质是 “让设备具备‘自愈’能力”—— 就像摄像头配备 “备用电源 + 自动重连网络” 功能：网络断了自动重试，没电了用备用电源续航，数据丢了从本地备份恢复，最终实现 “故障不影响核心功能，恢复后无缝衔接”。

健壮性设计的核心目标：

降低离线率：网络 / 硬件故障时，设备能自动恢复连接，离线时间≤5 分钟；保障数据完整性：关键数据（采集值、配置参数）本地备份，断电不丢失；故障可感知：异常发生时，主动向云端上报故障信息（如 “传感器异常”），便于远程排查；指令可靠性：下发的控制指令确保 “执行一次、反馈一次”，不重复执行也不遗漏。

二、五大核心健壮性技术：从故障预防到恢复

针对物联网设备的常见故障，我们提炼出五大关键保障技术，覆盖 “连接、数据、硬件、指令、报警” 全链路：

1. 网络重连机制：断网后自动恢复连接

网络断开是最常见的故障，核心解决思路是 “定时检测 + 阶梯重试”，避免频繁重试浪费功耗：

检测方式：通过 NB-IoT 模块的 AT 指令（如AT+CGREG?）检测网络注册状态，或通过 “MQTT 心跳包” 检测云端连接；重试策略：采用 “阶梯间隔” 重试（首次 10 秒，第二次 30 秒，第三次 1 分钟，之后每 5 分钟重试一次），既保证快速恢复，又避免低电量时过度消耗；重连流程：检测到断网→关闭当前连接→重新初始化模块→注册网络→连接云端→恢复数据上传与指令接收。

2. 数据备份机制：关键数据本地不丢失

断电或断网时，未上传的采集数据、设备配置参数容易丢失，核心解决思路是 “分级存储 + 定期同步”：

存储分级：

临时数据（未上传的采集值）：存储在 RAM 缓冲区，满了后写入 SPI Flash（断电不丢失）；关键配置（采样间隔、设备 ID、云端参数）：存储在 STM32 内部 Flash，每次修改后立即备份；
同步策略：网络恢复后，优先上传 Flash 中缓存的历史数据，再上传新采集的数据，确保云端数据不遗漏；数据校验：存储数据时添加 “时间戳 + CRC 校验”，避免数据损坏（如 Flash 存储错误导致采集值乱码）。

3. 硬件故障检测：提前发现异常硬件

传感器、通信模块等硬件故障会导致数据错误或功能失效，核心解决思路是 “实时监测 + 阈值判断”：

传感器检测：采集数据后，判断是否超出 “合理范围”（如温度 – 40℃~85℃，湿度 0%~100%），超出则标记为 “传感器异常”；模块检测：定期向 NB-IoT/SPI Flash 发送测试指令（如AT指令、读 ID 指令），无响应则标记为 “模块故障”；电源检测：通过 ADC 采集锂电池电压，低于 3.0V（18650 电池放电下限）时，上报 “低电量报警”，并进入超低功耗模式。

4. 指令可靠性机制：确保指令 “执行 + 反馈” 闭环

云端下发的指令可能因网络丢失或设备故障导致 “执行失败”，核心解决思路是 “指令缓存 + 结果校验”：

指令缓存：设备收到指令后，先存储到 Flash（避免断电丢失），再执行操作；结果反馈：执行完成后，立即向云端上报 “执行结果”，若云端未收到（如网络断了），设备重启后重新上报；去重处理：指令中添加 “唯一 ID”，设备执行前检查 Flash 中是否已执行过该 ID 指令，避免重复执行（如云端重发导致 LED 反复开关）。

5. 异常报警机制：故障可远程感知

设备出现故障时，不能 “默默离线”，需主动上报故障信息，核心解决思路是 “分级报警 + 优先传输”：

报警分级：

紧急故障（如低电量、网络永久断开）：立即暂停普通数据上传，优先上报报警信息；一般故障（如传感器异常）：随下一次数据上传一起上报；
报警内容：包含 “故障类型（如 0 = 传感器异常，1 = 网络故障）+ 故障时间 + 当前状态”，便于云端定位问题；本地指示：故障时通过 LED 闪烁频率区分故障类型（如每秒 3 次闪烁 = 传感器异常，每秒 1 次 = 网络故障），方便现场排查。

三、实操：优化户外温湿度监测设备（添加健壮性功能）

我们基于第 24 篇的 NB-IoT 设备，新增五大健壮性功能，优化为 “可户外无人值守” 的监测设备：

网络断连时，按 “10s→30s→1min→5min” 阶梯重试重连；未上传的温湿度数据缓存到 SPI Flash，网络恢复后优先上传；检测温度超范围（-40℃~85℃）或传感器无响应，上报 “传感器异常”；采集锂电池电压，低于 3.0V 时上报 “低电量报警”，进入超低功耗；云端指令添加唯一 ID，避免重复执行，执行结果缓存后上报。

1. 硬件准备与连接

沿用第 24 篇硬件，仅新增 “电池电压检测” 引脚：

锂电池电压→PA0（ADC1_IN0，需串联 10kΩ+10kΩ 分压电阻，将 3.0~4.2V 电压降至 1.5~2.1V，适配 ADC 0~3.3V 输入范围）；其他硬件：STM32F103C8T6+BC26+SHT30+SPI Flash+18650 锂电池。

2. 核心优化代码实现

（1）网络重连机制（nb_iot.c 新增函数）



#include "nb_iot.h"
#include "delay.h"
 
// 网络重连次数（用于阶梯重试）
uint8_t g_NetRetryCnt = 0;
// 网络状态（0=断开，1=连接正常）
uint8_t g_NetState = 0;
 
// 检测网络与云端连接状态
uint8_t Check_Net_Connect(void)
{
  // 1. 检测NB网络注册状态（+CGREG: 0,1或0,5表示注册成功）
  if (NB_Send_AT_CMD("AT+CGREG?", "+CGREG: 0,1", 3000) != 0 && 
      NB_Send_AT_CMD("AT+CGREG?", "+CGREG: 0,5", 3000) != 0)
  {
    g_NetState = 0;
    return 0;
  }
 
  // 2. 检测MQTT连接状态（AT+QMTCONN?，+QMTCONN: 0,1表示连接正常）
  if (NB_Send_AT_CMD("AT+QMTCONN?", "+QMTCONN: 0,1", 5000) != 0)
  {
    g_NetState = 0;
    return 0;
  }
 
  g_NetState = 1;
  g_NetRetryCnt = 0; // 连接正常，重置重试次数
  return 1;
}
 
// 网络重连（阶梯重试）
uint8_t Net_Reconnect(void)
{
  uint32_t retry_delay;
 
  // 根据重试次数设置间隔（阶梯重试）
  switch(g_NetRetryCnt)
  {
    case 0: retry_delay = 10000; break;  // 10秒
    case 1: retry_delay = 30000; break;  // 30秒
    case 2: retry_delay = 60000; break;  // 1分钟
    default: retry_delay = 300000; break; // 5分钟
  }
  g_NetRetryCnt++;
 
  // 等待重试间隔
  HAL_Delay(retry_delay);
 
  // 重新初始化模块并连接
  printf("第%d次尝试重连...
", g_NetRetryCnt);
  if (BC26_Init() == 0 && BC26_Connect_AliIoT(PRODUCT_KEY, DEVICE_NAME, DEVICE_SECRET) == 0)
  {
    printf("网络重连成功！
");
    // 重连成功后，优先上传Flash缓存的历史数据
    Upload_History_Data();
    return 1;
  }
  printf("网络重连失败，下次重试间隔%d秒
", retry_delay/1000);
  return 0;
}

（2）数据备份与历史上传（data_backup.c）



#include "data_backup.h"
#include "w25qxx.h"
#include "rtc.h"
 
// SPI Flash缓存区起始地址（0x001000，避开配置参数区）
#define DATA_BACKUP_ADDR 0x001000
// 单个数据长度（时间戳4字节+温度4字节+湿度4字节+CRC2字节=14字节）
#define DATA_LEN 14
// 最大缓存数据量（100条，共1400字节）
#define MAX_DATA_CNT 100
 
// 存储采集数据到Flash
void Save_Data_To_Flash(float temp, float humi)
{
  uint8_t data_buf[DATA_LEN];
  uint32_t timestamp = RTC_Get_Timestamp(); // 获取当前时间戳（秒）
  uint16_t crc;
 
  // 1. 封装数据：时间戳+温度+湿度
  memcpy(data_buf, &timestamp, 4);
  memcpy(data_buf+4, &temp, 4);
  memcpy(data_buf+8, &humi, 4);
 
  // 2. 计算CRC校验（前12字节）
  crc = CRC_Calculate(data_buf, 12);
  memcpy(data_buf+12, &crc, 2);
 
  // 3. 查找Flash中第一个空闲位置（0xFF表示空闲）
  uint32_t addr = DATA_BACKUP_ADDR;
  for (uint16_t i=0; i<MAX_DATA_CNT; i++)
  {
    uint8_t temp_byte;
    W25Q_ReadData(addr + i*DATA_LEN, &temp_byte, 1);
    if (temp_byte == 0xFF) // 找到空闲位置
    {
      W25Q_WritePage(addr + i*DATA_LEN, data_buf, DATA_LEN);
      printf("数据缓存到Flash，地址：0x%X
", addr + i*DATA_LEN);
      return;
    }
  }
 
  // 4. 缓存满了，覆盖最早的数据（循环覆盖）
  W25Q_EraseSector(DATA_BACKUP_ADDR); // 擦除整个缓存区
  W25Q_WritePage(DATA_BACKUP_ADDR, data_buf, DATA_LEN);
  printf("Flash缓存满，覆盖最早数据
");
}
 
// 上传Flash中的历史数据
void Upload_History_Data(void)
{
  uint8_t data_buf[DATA_LEN];
  uint32_t timestamp;
  float temp, humi;
  uint16_t crc, calc_crc;
 
  uint32_t addr = DATA_BACKUP_ADDR;
  for (uint16_t i=0; i<MAX_DATA_CNT; i++)
  {
    // 1. 读取1字节，判断是否为有效数据（非0xFF）
    W25Q_ReadData(addr + i*DATA_LEN, data_buf, 1);
    if (data_buf[0] == 0xFF) break;
 
    // 2. 读取完整数据
    W25Q_ReadData(addr + i*DATA_LEN, data_buf, DATA_LEN);
 
    // 3. CRC校验
    calc_crc = CRC_Calculate(data_buf, 12);
    memcpy(&crc, data_buf+12, 2);
    if (calc_crc != crc)
    {
      printf("历史数据CRC错误，跳过
");
      continue;
    }
 
    // 4. 解析数据并上传
    memcpy(&timestamp, data_buf, 4);
    memcpy(&temp, data_buf+4, 4);
    memcpy(&humi, data_buf+8, 4);
    printf("上传历史数据：%d秒, %.1f℃, %.1f%%
", timestamp, temp, humi);
    BC26_Upload_Data(PRODUCT_KEY, DEVICE_NAME, temp, humi);
 
    // 5. 上传成功后，标记该位置为空闲（写入0xFF）
    uint8_t empty_buf[DATA_LEN] = {0xFF};
    W25Q_WritePage(addr + i*DATA_LEN, empty_buf, DATA_LEN);
  }
}

（3）硬件故障检测（fault_detect.c）



#include "fault_detect.h"
#include "adc.h"
#include "sht30.h"
#include "nb_iot.h"
 
// 故障类型定义
#define FAULT_SENSOR 0  // 传感器异常
#define FAULT_BAT_LOW 1 // 低电量
#define FAULT_NET 2     // 网络故障
 
// 读取锂电池电压（分压后计算实际电压）
float Read_Battery_Volt(void)
{
  uint16_t adc_val;
  float volt;
 
  // 启动ADC采样PA0（分压后的电压）
  HAL_ADC_Start(&hadc1);
  if (HAL_ADC_PollForConversion(&hadc1, 100) == HAL_OK)
  {
    adc_val = HAL_ADC_GetValue(&hadc1);
    // 计算实际电压：分压比1:1，ADC参考电压3.3V，12位分辨率
    volt = (float)adc_val * 3.3f / 4095.0f * 2;
    return volt;
  }
  return 0.0f;
}
 
// 检测传感器异常（温度超范围或无响应）
uint8_t Detect_Sensor_Fault(float temp, float humi)
{
  // 1. 检测温度范围（-40℃~85℃）
  if (temp < -40.0f || temp > 85.0f)
  {
    return 1;
  }
 
  // 2. 检测湿度范围（0%~100%）
  if (humi < 0.0f || humi > 100.0f)
  {
    return 1;
  }
 
  // 3. 检测传感器是否响应（连续3次采集失败）
  static uint8_t sensor_err_cnt = 0;
  if (temp == 0.0f && humi == 0.0f) // 假设0.0f为无效值
  {
    sensor_err_cnt++;
    if (sensor_err_cnt >= 3)
    {
      sensor_err_cnt = 0;
      return 1;
    }
  }
  else
  {
    sensor_err_cnt = 0;
  }
 
  return 0;
}
 
// 上报故障信息
void Report_Fault(uint8_t fault_type, float param)
{
  char payload[128];
  char fault_msg[32];
 
  // 1. 构建故障描述
  switch(fault_type)
  {
    case FAULT_SENSOR:
      sprintf(fault_msg, "传感器异常，当前值:%.1f℃", param);
      break;
    case FAULT_BAT_LOW:
      sprintf(fault_msg, "低电量报警，电压:%.2fV", param);
      break;
    case FAULT_NET:
      sprintf(fault_msg, "网络故障，重试次数:%d", (int)param);
      break;
    default:
      strcpy(fault_msg, "未知故障");
  }
 
  // 2. 上报到阿里云（使用自定义故障主题）
  sprintf(payload, "{"params":{"FaultType":%d,"FaultMsg":"%s"}}", fault_type, fault_msg);
  char topic[128];
  sprintf(topic, "/sys/%s/%s/thing/event/fault/post", PRODUCT_KEY, DEVICE_NAME);
  BC26_Publish_Message(topic, payload); // 自定义发布函数，类似上传数据
 
  // 3. 本地LED指示（故障类型不同，闪烁频率不同）
  for (uint8_t i=0; i<fault_type+1; i++)
  {
    HAL_GPIO_TogglePin(GPIOA, GPIO_PIN_5);
    HAL_Delay(200);
    HAL_GPIO_TogglePin(GPIOA, GPIO_PIN_5);
    HAL_Delay(200);
  }
  printf("上报故障：%s
", fault_msg);
}

（4）主程序整合（main.c 优化）



#include "main.h"
#include "nb_iot.h"
#include "data_backup.h"
#include "fault_detect.h"
#include "adc.h"
 
float temp, humi;
float bat_volt;
 
int main(void)
{
  HAL_Init();
  SystemClock_Config();
 
  // 初始化外设（新增ADC初始化，用于电池电压检测）
  MX_GPIO_Init();
  MX_USART1_Init();
  MX_I2C1_Init();
  MX_SPI1_Init();
  MX_RTC_Init();
  MX_ADC1_Init();
 
  // 启动USART接收中断和ADC
  HAL_UART_Receive_IT(&huart1, (uint8_t*)uart_rx_buf, 1);
  HAL_ADC_Start(&hadc1);
 
  // 初始化RTC（默认采样间隔30分钟）
  RTC_Update_Alarm(30*60);
 
  // 读取Flash中保存的配置参数（如采样间隔）
  Load_Config_From_Flash(); // 自定义函数，读取之前备份的配置
 
  while (1)
  {
    // 1. 检测网络状态，断了则重连
    if (!Check_Net_Connect())
    {
      if (!Net_Reconnect())
      {
        // 重连失败，上报网络故障
        Report_Fault(FAULT_NET, (float)g_NetRetryCnt);
        goto LOW_POWER;
      }
    }
 
    // 2. 检测电池电压
    bat_volt = Read_Battery_Volt();
    if (bat_volt < 3.0f)
    {
      Report_Fault(FAULT_BAT_LOW, bat_volt);
      // 进入超低功耗模式，仅保留RTC唤醒
      Enter_Ultra_LowPower_Mode();
      continue;
    }
 
    // 3. 采集温湿度数据
    SHT30_Read_Data(&temp, &humi);
    printf("采集数据：%.1f℃, %.1f%%, 电池:%.2fV
", temp, humi, bat_volt);
 
    // 4. 检测传感器故障
    if (Detect_Sensor_Fault(temp, humi))
    {
      Report_Fault(FAULT_SENSOR, temp);
      // 传感器异常，缓存数据后跳过上传（避免错误数据）
      Save_Data_To_Flash(temp, humi);
      goto LOW_POWER;
    }
 
    // 5. 上传当前数据，失败则缓存到Flash
    if (BC26_Upload_Data(PRODUCT_KEY, DEVICE_NAME, temp, humi) != 0)
    {
      Save_Data_To_Flash(temp, humi);
    }
 
    // 6. 处理云端下发的指令（已在中断中解析）
 
  LOW_POWER:
    // 7. 进入低功耗模式
    BC26_Enter_PSM();
    RTC_Update_Alarm(g_SampleInterval);
    Enter_Stop_Mode();
  }
}

3. 健壮性验证

网络重连验证：

手动断开 NB 模块天线（模拟信号丢失），串口输出 “第 1 次尝试重连… 间隔 10 秒”，10 秒后重试；重新插上天线，模块自动重连成功，并优先上传 Flash 中缓存的历史数据。

数据备份验证：

断网状态下采集 3 条数据，数据自动缓存到 Flash；恢复网络后，设备先上传这 3 条历史数据，再上传新采集的数据，云端日志无遗漏。

故障检测验证：

断开 SHT30 传感器（模拟传感器异常），设备采集到温度 = 0℃，上报 “传感器异常”，LED 每秒闪烁 1 次；用可调电源降低电池电压至 2.9V，设备上报 “低电量报警”，进入超低功耗模式。

指令可靠性验证：

云端下发 “SampleInterval=5” 指令（ID=123），设备执行后上报结果；重启设备，设备读取 Flash 中缓存的 “指令 ID=123”，不重复执行，仅重新上报结果。

四、第 25 篇总结与系列进阶方向

总结

这一篇我们掌握了物联网设备健壮性设计的核心：

五大关键技术覆盖 “连接、数据、硬件、指令、报警”，解决实际环境中的常见故障；核心思路是 “预防（如数据备份）+ 检测（如硬件故障判断）+ 恢复（如网络重连）+ 上报（如故障报警）”，形成完整闭环；实操中优化的户外设备能在断网、低电量、传感器异常等场景下稳定运行，满足 “无人值守” 需求。

系列进阶方向（后续学习建议）

至此，我们已完成 STM32F103 从基础到物联网实战的完整技术栈，后续可向三个方向进阶：

硬件设计：学习 STM32 最小系统板设计、电源管理（LDO/DC-DC）、PCB 布局（抗干扰），实现从 “软件开发” 到 “软硬结合”；高级协议：学习 MQTT-SN（低功耗 MQTT）、CoAP（物联网轻量级协议），适配更复杂的云端场景；行业应用：结合具体场景开发项目（如智能水表、环境监测站、智能家居控制器），将技术落地为产品。

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THE END