基于RT-Thread的简单物联网温控箱 | 技术集结

目录

 

项目概述

 

RT-Thread使用情况概述

 

硬件框架

 

软件框架说明

 

演示效果

 

改进方向

 

代码地址

1 项目概述

本项目是一个简易的、较高精度的、易于扩展的桌面级温控系统。实现对箱内温度的精确控制，并通过Wi-Fi接入网络，配套了功能完善的Web可视化监控和调参Dashboard，实现了完整的物联网闭环。整个项目充分利用了RT-Thread多线程、设备驱动框架和网络组件的能力，实现了一个软硬件结合的完整解决方案。

硬件平台：NXP FRDM-MCXA156

RT-Thread版本：5.2.1

核心功能：

整机最大功耗24W

温控范围常温~70°C（接入制冷片/更高温的PTC可以拓展范围）

较高精度的恒温控制（最大波动范围3°C，稳态波动范围1°C）

多传感器数据融合

OLED本地显示

Web远程监控与在线调参

项目亮点：级联PID+前馈复合控制算法、三态控制状态机、TCP-WebSocket桥接的Web可视化方案。

2 RT-Thread使用情况概述

RT-Thread作为项目的核心操作系统，为功能的实现提供了坚实的基础。其稳定可靠的内核、丰富的组件和简洁的API，让整个开发过程事半功倍。

内核与调度器：项目创建了多个线程来处理不同任务，包括主控线程、PID控制线程、OLED刷新线程、网络服务线程和LED指示线程。利用RT-Thread的抢占式调度器，确保了温度控制等高优先级任务的实时性。

设备驱动框架：通过RT-Thread统一的设备模型，轻松地操作了多个硬件外设：

Pin设备：用于控制LED指示灯和加热/散热模式切换的继电器。

ADC设备：用于读取NTC热敏电阻的电压值，进而计算PTC加热片的实时温度。

PWM设备：用于精确控制PTC加热片和散热风扇的功率输出。

I2C设备：用于驱动OLED显示屏（基于u8g2软件包）和读取板载P3T1755环境温度传感器。

Sensor框架：用于读取DHT11、P3T1755传感器数据。

网络协议栈：使用了内置的lwIP协议栈和SAL套接字抽象层，快速实现了稳定可靠的TCP服务器，为远程监控提供了数据通道。

WLAN无线框架：通过rt_wlan_connect接口，便捷地实现了Wi-Fi网络连接功能。

FinSH/MSH命令行：通过自定义的get_status和tune命令，所有关键参数都可以在运行时通过串口动态调整。

软件包生态：

u8g2：本地UI图形库。

dhtxx：DHT11温湿度传感器软件包。

p3t1755: 板载I2C温度传感器软件包。

3 硬件框架

系统硬件由核心控制、传感器、执行器和人机交互四部分组成

核心控制器：NXP FRDM-MCXA156开发板。

传感器模块：

箱内温湿度：DHT11传感器，通过RT-Thread Sensor框架读取。

PTC表面温度：NTC热敏电阻，通过ADC采样并使用Steinhart-Hart模型计算，用于内环控制和过温保护。

环境温度：开发板板载的P3T1755 I2C传感器。

执行器模块：

加热：LR7843 MOSFET驱动PTC陶瓷发热片，通过PWM信号调节功率。

散热：12V直流风扇，同样由PWM信号驱动。

模式切换：通过一个继电器切换PWM输出信号到MOSFET或风扇，实现加热/散热模式的自动切换。

人机交互模块：

本地：SSD1306 OLED显示屏，实时显示系统状态、当前温度、目标温度等关键信息。

远程：通过Wi-Fi连接，在PC或手机浏览器上访问可视化Dashboard。

硬件连线图

4 软件框架说明
 

软件的核心是一个基于main.c中的三态状态机和pid_entry线程中的级联PID控制算法。

软件模块说明

主控与状态机 (main.c)

main函数负责初始化所有设备（传感器、PWM、ADC、Wi-Fi），并创建各个应用线程。

main函数内的while(1)循环是系统的主状态机。它周期性地读取箱内温度，并与目标温度和迟滞范围(hysteresis_band)比较，自动在HEATING（加热）、WARMING（保温）、COOLING（散热）三种状态间切换。

状态切换时，会通过STATE_PIN控制继电器，将PWM信号通路切换到对应的执行器（PTC或风扇），并重置PID积分项，防止状态突变。

核心控制算法 (pid_entry线程)

这是一个独立的线程，以更高的频率(CONTROL_PERIOD_MS)运行，负责核心的温度控制算法。

级联PID+前馈（加热/保温模式）:

外环PID (pid_box): 根据箱内温度与目标温度的差值，计算出一个期望的PTC目标温度 (ptc_target_temp)。这使得PTC的加热速率能根据箱内离目标的远近动态调整。

内环PID (pid_ptc): 根据PTC实际温度与外环给出的ptc_target_temp的差值，计算出PWM的调节量。这可以快速响应PTC自身的温度波动，实现更稳定的热量输出。

前馈控制: 建立了一个ptc_target_temp到base_pwm的映射表 (ff_table)。PID的输出是叠加在这个PWM基础值之上的微调，这大大加快了系统收敛速度，减少了PID积分饱和的风险。

PI控制（散热模式）:

切换到散热模式后，算法切换为简单的pid_cool PI控制器，根据箱内温度与目标温度的差值直接控制风扇的转速。

过温保护: 算法实时监测PTC温度，一旦超过设定的安全阈值(PTC_MAX_SAFE_TEMP)，立即将PWM输出置零，确保系统安全。

远程控制服务 (remote.c)

在remote_server_thread_entry线程中，创建了一个TCP服务器，监听5000端口。

服务器接收两种文本命令：

get_status: 将系统中所有关键的实时变量（各处温度、湿度、PID参数、控制状态、PWM占空比等）打包成一个JSON字符串返回。

tune ...: 将收到的参数直接传递给main.c中的tune()函数，实现了对目标温度、PID增益、前馈表等所有关键参数的运行时修改。

OLED显示 (screen.c)

screen_on线程负责驱动OLED屏幕。

UI界面清晰地展示了当前的工作模式（HEATING/COOLING/WARMING）、4个温度值（当前、目标、环境温度、PTC当前温度），以及一个直观的温差指示条。

5 演示效果

本地OLED显示

OLED实时显示系统关键数据

远程Web Dashboard

 

通过浏览器访问的实时监控仪表盘，包含仪表、状态指示和在线调参区

温度历史曲线图，可以直观地分析系统的响应速度、超调和稳态误差（K线图可以得到的信息更多，而且看起来很有趣）

MSH 命令行调试

通过串口连接，可以直接使用get_status查看系统状态，或使用tune命令修改参数。

6 改进方向

硬件

把DHT11换成更好的（比如DHT22），DHT11的精度和响应速度都不太行，我手里暂时没有其它的温度传感器了，所以只能先用这个。

功能

可以允许用户通过Web界面预设一条随时间变化的温度曲线（例如：先60℃保温30分钟，再升到70℃保温1小时），使温控箱能用于更复杂的场景。

参数优化

目前的参数还不太好，还有很大的优化空间。由于温度的变化很慢，所以如果通过实验测定最优参数的话会非常消耗时间，目前正在尝试通过建模拟真的方式寻找最优参数，因为期中有点忙，所以还没做完。

7 代码地址

本项目已开源，欢迎大家复刻。

GitHub: https://github.com/Cylopsis/Little-TempControled-Box