# can-iot-system

**Repository Path**: End-ING/can-iot-system

## Basic Information

- **Project Name**: can-iot-system
- **Description**: 基于CAN总线的物联网嵌入式系统。
项目实现了多节点协同工作：
- MCU端：STM32L431采集温湿度，STM32F407通过CAN总线控制电机与舵机；
- 网关端：基于IGKBoard实现CAN数据与网络协议的转换；
- 云端：部署于阿里云服务器，实现设备状态监控与远程控制。
- **Primary Language**: Unknown
- **License**: Not specified
- **Default Branch**: master
- **Homepage**: None
- **GVP Project**: No

## Statistics

- **Stars**: 0
- **Forks**: 1
- **Created**: 2026-09-23
- **Last Updated**: 2026-10-18

## Categories & Tags

**Categories**: Uncategorized

**Tags**: None

## README

# 分布式IoT控制系统

基于STM32与i.MX6ULL构建的一套分布式嵌入式控制系统，支持CAN 总线节点通信、MQTT云端交互、FreeRTOS多任务调度，以及VOFA+上位机实时监控。

## 一、项目简介

本项目构建基于 STM32 的分布式节点网络：L431传感器节点负责温湿度采集（支持周期上报与云端即时触发）、舵机开环角度调节及LED状态控制；F407执行节点负责直流电机速度控制与编码器反馈。各节点通过CAN总线实现低延迟通信，并由i.MX6ULL网关经由MQTT协议对接阿里云，支持VOFA+实时监控。

系统采用 FreeRTOS 进行任务调度，实现：
- 电机闭环PID与S型加减速控制，解决启停冲击与高速堵转；
- 舵机PWM开环控制，支持按指令执行预设角度单圈旋转；
- 温湿度双模式上报机制（周期性采集 + 云端指令即时触发）；
- 编码器溢出保护、RTOS实时性抖动优化及CAN/MQTT协议桥接。

## 二、系统架构

```mermaid
graph TD
    %% ================= 样式定义 =================
    classDef cloud fill:#e1bee7,stroke:#8e24aa,stroke-width:2px;
    classDef gateway fill:#bbdefb,stroke:#1e88e5,stroke-width:2px;
    classDef node fill:#c8e6c9,stroke:#43a047,stroke-width:2px;
    classDef tool fill:#fff9c4,stroke:#fbc02d,stroke-width:2px;

    %% ================= 云端平台 =================
    subgraph Cloud [服务器平台 / 阿里云]
        MQTT_Broker[MQTT Broker / IoT Core]
        DB[(数据库 & 日志存储)]
        Cloud_UI[云端控制台]
    end

    %% ================= 网关层 =================
    subgraph Gateway [物联网网关]
        iMX6ULL[i.MX6ULL 网关]
        BRIDGE[CAN/MQTT 协议桥接]
    end

    %% ================= 终端节点 =================
    subgraph Nodes [分布式节点网络]
        L431[L431 传感器节点<br/>温湿度 / 舵机 / LED]
        F407[F407 执行节点<br/>直流电机 + 编码器]
    end

    %% ================= 调试工具 =================
    subgraph Tools [监控与调试]
        VOFA[VOFA+ 上位机]
    end

    %% ================= 核心业务链路 =================
    %% 云端 ↔ 网关
    MQTT_Broker <==>|MQTT| iMX6ULL

    %% 网关 → 节点
    iMX6ULL -->|CAN Bus| L431
    iMX6ULL -->|CAN Bus| F407

    %% L431 内部任务
    L431 -->|周期/触发采集| T1[温湿度上报]
    L431 -->|PWM 开环| T2[舵机预设角度]
    L431 -->|GPIO 控制| T3[LED 状态切换]

    %% F407 内部任务
    F407 -->|PID 闭环| T4[速度控制]
    F407 -->|S型规划| T5[加减速平滑]

    %% ================= 调试链路 =================
    VOFA <==>|UART| F407

    %% ================= 数据存储 =================
    MQTT_Broker --> DB
    MQTT_Broker --> Cloud_UI

    %% ================= 样式应用 =================
    class MQTT_Broker,iMX6ULL,Cloud_UI,DB cloud;
    class L431,F407,BRIDGE gateway;
    class VOFA tool;
```

系统采用 **“终端节点 – 边缘网关 – 云平台”** 的分层架构，数据流向清晰、职责分离：

* **终端层**：L431 与 F407 节点通过 **CAN 总线**与网关通信，负责本地采集、执行控制指令及闭环运算。

* **边缘层**：**i.MX6ULL 网关**作为协议转换中枢，实现 **CAN 与 MQTT 的双向桥接**，打通本地嵌入式网络与互联网。

* **平台层**：数据经网关上传至 **阿里云服务器**，实现远程监控、指令下发与数据存储；同时可通过 **VOFA+ 上位机**连接节点 **UART 调试串口**，实时查看电机转速曲线并整定 PID 参数。

*注：温湿度采集、舵机预设角度、LED 控制及电机 PID 算法等具体实现，详见硬件组成与软件设计章节。*

## 三、硬件组成与开发环境

### 1、硬件平台

| **层级**           | **核心设备**    | **关键外设 / 模块**                               | **核心职责**                                   |
| :----------------- | :-------------- | :------------------------------------------------ | :--------------------------------------------- |
| **终端层**         | **STM32L431**   | 温湿度传感器、舵机、LED                           | 环境感知、舵机预设角度旋转、状态指示           |
| **终端层**         | **STM32F407**   | H 桥驱动板（TB6612FNG）、直流减速电机、正交编码器 | 输出 PWM + 方向信号控制 H 桥，实现电机闭环调速 |
| **边缘层**（网关） | **i.MX6ULL**    | CAN 收发器 (SN65HVD230DR)、以太网                 | CAN/MQTT 协议桥接、云端通信                    |
| **调试层**         | **PC / 上位机** | 板载 CH340 串口                                   | VOFA+ 实时监控、PID 参数整定                   |

### 2、硬件连接拓扑

**CAN 总线网络**：
系统采用**双路独立 CAN 通道**设计，实现传感与执行链路的物理隔离：
- **L431 节点**挂载至 **网关 A（i.MX6ULL CAN1）**，构成独立的传感数据通道；
- **F407 节点**挂载至 **网关 B（i.MX6ULL CAN0）**，构成独立的运动控制通道；

两路 CAN 网络在物理与逻辑上完全隔离，节点之间无直接通信，互不干涉。

**调试串口**：

F407 节点利用开发板板载的 CH340 串口（USB-SLAVE 接口），连接至 PC 端的 VOFA+ 上位机，用于独立监控各节点的电机转速曲线与 PID 参数整定。

**执行与传感**：

- **L431 节点**：板载 SHT20、LED，外接 SG90 舵机，实现环境数据采集与状态指示。
- **F407 节点**：输出 PWM 与方向信号至 **H 桥驱动板**（TB6612FNG），驱动直流减速电机；电机自带正交编码器 A/B 相回连至 F407 定时器接口，用于速度闭环反馈。

### 3、开发环境

| **类型**      | **工具 / 平台**         | **用途说明**                          |
| :------------ | :---------------------- | :------------------------------------ |
| **MCU 固件**  | STM32CubeIDE / Keil MDK | STM32L431 / F407 代码编写、编译与调试 |
| **RTOS**      | FreeRTOS                | 多任务调度、信号量与互斥锁管理        |
| **网关开发**  | Ubuntu / 交叉编译工具链 | i.MX6ULL 网关程序编译与部署           |
| **MQTT 服务** | Mosquitto               | 网关端 MQTT 客户端实现                |
| **上位机**    | VOFA+                   | 电机转速曲线绘制、PID 参数调试        |
| **版本控制**  | Git                     | 代码版本管理                          |

### 4、关键硬件特性说明

**分布式节点**：L431 与 F407 均独立运行 FreeRTOS，通过各自的 CAN 接口仅与所连网关通信；节点间无耦合，任务调度互不阻塞，系统实时性高。

**编码器处理**：F407 使用硬件定时器接口模式（Encoder Mode）采集正交编码器信号，支持 16 位溢出截断保护。

**实时调试**：VOFA+ 通过 UART 以高波特率实时接收节点发布的转速与位置数据，用于算法验证。

## 四、核心功能说明

本系统实现了从终端感知、边缘决策到云端可视化的全链路闭环控制，核心功能模块如下：

### 1、 分布式数据采集与执行
*   **环境感知 (L431节点)**：通过 SHT20 传感器实时采集环境温度与湿度，支持单次/周期两种上报模式。
*   **运动控制**：
    *   **PID 闭环调速 (F407节点)**：基于增量式 PID 算法控制直流电机转速，通过编码器反馈实现高精度调速。
    *   **执行机构控制 (L431节点)**：通过 PWM 信号驱动 SG90 舵机，实现 0°~180° 范围内的开环角度动作，模拟云台或阀门的物理联动。

### 2、 边缘网关与协议转换
*   **CAN ↔ MQTT 桥接**：网关作为核心枢纽，通过 SocketCAN 接口读取底层 CAN 总线数据，解析后将标准 JSON 格式数据通过MQTT协议发布到阿里云服务器；同时订阅云端下行指令并转换为 CAN 帧下发。
*   **多路 CAN 管理**：利用 i.MX6ULL 的双路 CAN 接口（CAN0/CAN1），分别管理 F407 运动节点与 L431 传感节点，实现物理隔离与逻辑分组。

### 3、上位机实时调参与调试
*   **波形可视化**：通过 串口 (UART) 将 MCU 内部计算的 电机实际速度 与 累计圈数 以JustFloat 协议发送给 VOFA+，实时绘制动态波形图，直观监控电机运行状态。
*   **便捷调参**：利用 VOFA+ 的滑块控件，直接在 PC 端拖动设定电机目标速度，下行指令支持 文本指令或 JustFloat 浮点数据，通过串口实时下发至 MCU 执行，免去反复烧录代码的麻烦。