本项目基于 STM32F407、FreeRTOS 与 ESP32 AT 固件，实现设备数据通过 Wi-Fi/TCP 可靠上传。系统支持 SD 卡断网缓存、网络恢复后的历史数据补传、应用层 ACK 超时重传，以及带 Trial 确认和失败回滚机制的 OTA 升级。
PC 端使用 Qt 开发 TCP 服务端，可完成设备连接管理、协议解析、数据展示、自动 ACK、重复帧识别与固件下发。
可靠性验证： 已完成 48 小时连续运行，以及断网恢复、TCP 服务端重启、ACK 丢失、历史补传、异常复位、OTA 传输中断、固件 CRC 错误与升级回滚等场景测试。
- 可靠通信： 基于 ESP32 AT 指令实现 Wi-Fi/TCP 状态机，采用 UART DMA + IDLE 完成不定长接收，并支持应用层 ACK、超时重传与重复帧幂等处理。
- 离线存储： 基于 SDIO + FatFs 实现断网缓存、实时优先调度、网络恢复后的历史补传及复位后的上传进度恢复。
- 远程升级： 实现 Wi-Fi 分包传输、候选镜像 A/B、整包完整性校验、Trial 确认与升级失败回滚。
- 配套上位机： 使用 Qt 实现多设备 TCP 接入、协议解析、数据监控、自动 ACK、异常测试与 OTA 固件下发。
flowchart TB
DP[DataProducer Task<br/>数据产生]
UM[Uplink Manager<br/>上行调度]
NET[Network Task<br/>网络状态机]
ST[Storage Task<br/>FatFs 唯一访问者]
SD[(SD Card<br/>records.bin / upload.idx)]
ESP[ESP32 AT]
QT[Qt TCP Server]
OTA[Wi-Fi OTA Adapter]
SLOT[Candidate Slot A / B]
BL[BootLoader]
RUN[Run APP]
CONFIRM[(Trial Confirm Flag)]
DP --> UM
UM -->|实时帧| NET
UM -->|离线或发送失败| ST
ST ---|记录写入 / 历史读取| SD
ST -->|历史候选帧| UM
NET <-->|UART DMA + IDLE| ESP
ESP <-->|上行数据 / 下行 ACK 与 OTA| QT
NET -->|解析 OTA 请求| OTA
OTA --> SLOT
SLOT -->|复位后安装| BL
BL -->|启动试运行| RUN
RUN -.->|运行正常后写入| CONFIRM
正常联网时，实时数据由 Uplink Manager 交给 Network Task 发送。网络不可用、实时队列已满或 ACK 重试耗尽时，数据异步写入 SD 卡。网络恢复后，Storage Task 按上传索引读取历史记录；只有收到匹配 ACK 并成功持久化新索引后，系统才继续读取下一条历史记录。
OTA 使用两个候选镜像槽保存固件，BootLoader 再将通过校验的候选镜像复制到统一 Run 区执行。本项目不是两个 APP 槽位原地切换运行的双 Bank 架构。
- MCU：STM32F407Z 系列（Cortex-M4F）
- RTOS：FreeRTOS / CMSIS-RTOS2
- 网络模块：ESP32（ESP-AT 固件）
- 通信：UART DMA、IDLE 不定长接收、Wi-Fi、TCP
- 存储：SDIO、FatFs、Micro SD 卡
- 升级：BootLoader、候选镜像 A/B、CRC16、Trial/Confirm、Rollback
- 上位机：Qt 6、Qt Network、CMake
| 任务 | 主要职责 |
|---|---|
defaultTask |
驱动 ESP32 网络状态机、处理 TCP 收发、ACK 和 OTA 会话 |
DataProducerTask |
周期产生业务数据、分配持久化 Sequence 并提交实时帧 |
StorageTask |
独占 FatFs，负责记录追加、历史读取、文件校验和上传索引保存 |
将 FatFs 操作集中在 Storage Task 中，可以避免多个 FreeRTOS 任务并发操作文件对象，同时避免网络任务被 SD 卡读写长时间阻塞。
sequenceDiagram
participant D as DataProducer
participant U as Uplink Manager
participant N as Network Task
participant S as Qt Server
participant SD as Storage Task
D->>U: 提交实时协议帧
U->>N: 取出下一帧（实时优先）
N->>S: TCP 发送数据帧
alt 收到匹配 ACK
S-->>N: ACK(Device ID + Sequence)
N->>U: SUCCESS
else ACK 超时或连接断开
N->>S: 重发原始帧
N->>U: FAILED（重试耗尽）
U->>SD: 实时帧异步落盘
end
可靠上传的关键规则：
- 同一时刻只允许一帧处于发送或等待确认状态。
- ACK 必须同时匹配当前帧的 Device ID 和 Sequence。
- ACK 等待时间为 2 秒，首次发送失败后最多额外重传 3 次。
- 重传使用同一份编码帧，不重新生成 Sequence 和 Timestamp。
- 实时帧最终失败后转存 SD 卡；历史帧失败时不推进上传索引。
- Qt 服务端以
Device ID + Sequence作为幂等键；重复帧不重复计入业务，但仍回复 ACK。 - Uplink Manager 始终优先调度实时帧，再处理预读的历史候选帧。
SD 卡包含两个业务文件：
| 文件 | 用途 |
|---|---|
records.bin |
以追加方式保存待补传的完整协议帧 |
upload.idx |
保存下一条尚未确认记录在 records.bin 中的偏移 |
存储服务具备以下保护：
- 每条记录保存长度和完整协议帧，可检查边界、帧格式和 CRC。
- 能识别记录头截断、数据截断、非法长度和协议校验失败。
upload.idx使用双槽位、递增 generation 和 CRC，选择最近一份有效进度。- 只有历史帧收到匹配 ACK 后，才提交新的上传偏移。
- 新偏移完成文件写入和
f_sync后，才允许读取下一条历史记录。 - STM32 复位后重新加载上传索引，从尚未确认的位置继续补传。
网络任务按照以下状态运行：
AT 检测
-> 清理旧连接状态
-> 设置 Station 模式
-> 加入 Wi-Fi
-> 查询本机 IP
-> 建立 TCP 连接
-> ONLINE
运行期间会解析 WIFI CONNECTED、WIFI GOT IP、WIFI DISCONNECT 和 TCP 关闭等异步事件。Wi-Fi 和 TCP 分别进入对应的重试等待状态，避免在连接失败时持续无间隔发送 AT 指令。连续 AT 检测失败后还会尝试恢复 ESP32 串口交互状态。
所有多字节字段采用大端序。帧格式如下：
| 字段 | 长度 | 说明 |
|---|---|---|
| Magic | 2 B | 固定为 0xAA55 |
| Version | 1 B | 当前为 0x01 |
| Message Type | 1 B | 消息类型 |
| Device ID | 4 B | 设备标识 |
| Sequence | 4 B | 业务序号或 OTA 包序号 |
| Timestamp | 4 B | 数据产生时的 RTOS Tick |
| Payload Length | 2 B | Payload 有效长度，最大 64 B |
| Payload | 0～64 B | 消息数据 |
| CRC16 | 2 B | CRC-16/CCITT-FALSE |
| 消息 | Type | 方向 | 说明 |
|---|---|---|---|
| Realtime Data | 0x01 |
设备 → 服务端 | 实时采集数据 |
| History Data | 0x02 |
设备 → 服务端 | SD 卡历史数据 |
| Heartbeat | 0x03 |
设备 → 服务端 | 协议预留 |
| Command | 0x10 |
服务端 → 设备 | 协议预留 |
| OTA START | 0x20 |
服务端 → 设备 | 声明镜像大小、CRC 和版本 |
| OTA DATA | 0x21 |
服务端 → 设备 | 固件分包数据 |
| OTA END | 0x22 |
服务端 → 设备 | 请求完成校验 |
| ACK | 0x80 |
服务端 → 设备 | 确认实时或历史数据 |
| OTA RESPONSE | 0xA0 |
设备 → 服务端 | OTA 命令执行结果 |
Heartbeat和Command当前完成了协议类型定义，不代表业务处理逻辑已经接入。
- Qt 服务端读取
.bin文件并计算 CRC-16/MODBUS。 - 服务端发送
OTA START，携带镜像大小、整体 CRC 和版本号。 - 设备选择当前非活动候选槽并擦除目标区域。
- 服务端以停等方式发送
OTA DATA，当前最大 Payload 为 64 字节。 - 每个请求等待设备响应；超时后重发同一帧，最多重试 3 次。
- 服务端发送
OTA END，设备检查包数、总字节数和整包 CRC。 - 校验成功后写入
PENDING标志并复位。 - BootLoader 将候选镜像复制到 Run 区并进入 Trial 状态。
- 新 APP 正常运行约 3 秒后写入 Confirm；未确认时由 BootLoader 执行回滚。
OTA 接收期间暂停获取新的业务上行帧，但 DataProducer 和 Storage Task 仍继续运行；实时队列无法接收的新数据沿用原有 SD 卡落盘机制。
| 区域 | 地址范围 | 大小 | 用途 |
|---|---|---|---|
| BootLoader | 0x08000000～0x0800FFFF |
64 KB | 启动、安装、Trial 与回滚 |
| Flag Copy 0 | 0x08010000～0x0801FFFF |
64 KB | 升级状态及镜像元数据 |
| Run APP | 0x08020000～0x0805FFFF |
256 KB | 当前执行的 APP |
| Candidate A | 0x08060000～0x0809FFFF |
256 KB | 候选镜像 A |
| Candidate B | 0x080A0000～0x080DFFFF |
256 KB | 候选镜像 B |
| Flag Copy 1 | 0x080E0000～0x080FFFFF |
128 KB | Flag 冗余副本所在扇区 |
APP 必须链接到 0x08020000，且固件镜像不得超过 256 KB。
wifi-server 提供以下能力：
- 配置监听地址和端口，默认端口为
8080。 - 管理多个 TCP 连接并显示在线设备数量。
- 流式解析应用层协议，显示 Device ID、Sequence、类型、Payload 和 CRC 状态。
- 自动回复业务 ACK，也可关闭自动 ACK 以测试设备重传。
- 跨 TCP 连接保留最近 256 个
Device ID + Sequence去重键。 - 选择固件文件、输入版本号并显示 OTA 下发进度。
WIFI-1/
├── Core/ # STM32 APP 初始化与 FreeRTOS 任务
├── Drivers/BSP/
│ ├── data/ # 测试数据产生与 Sequence 持久化
│ ├── esp32/
│ │ ├── driver/ # UART DMA 驱动
│ │ ├── at/ # AT 响应解析
│ │ ├── event/ # Wi-Fi/TCP 异步事件解析
│ │ ├── tcp/ # +IPD 数据提取
│ │ └── application/ # Wi-Fi/TCP 状态机及可靠发送
│ ├── protocol/ # Device Protocol V1
│ ├── storage/ # SD 卡存储服务
│ ├── uplink/ # 实时/历史统一调度
│ ├── app_update/ # APP 侧候选镜像下载状态机
│ ├── wifi_ota/ # Device Protocol 到升级模块的适配
│ ├── app_trial/ # APP Trial 确认
│ └── boot_confirm/ # BootLoader/APP 握手
├── Common/FirmwareUpdate/ # APP 与 BootLoader 共用升级组件
├── Boot_Loader/ # 独立 BootLoader 工程
├── FATFS/ # FatFs 与 SDIO 适配
├── Middlewares/ # FreeRTOS、FatFs
├── wifi-server/ # Qt TCP 服务端
├── WIFI-1.ioc # STM32CubeMX 配置
└── OTA_INTEGRATION.md # OTA 接入和人工验证说明
当前 CubeMX 工程中的主要外设配置：
| 功能 | STM32 外设/引脚 |
|---|---|
| ESP32 串口 TX | USART3 TX / PB10 |
| ESP32 串口 RX | USART3 RX / PB11 |
| 调试串口 | USART1 / PA9、PA10 |
| SD 卡 | SDIO 4-bit / PC8～PC12、PD2 |
ESP32 通信参数为 115200 8N1。
当前 Wi-Fi 和 TCP 服务器参数位于：
Drivers/BSP/esp32/application/esp32_network.c
公开仓库或切换运行环境前，请将以下参数替换为自己的配置：
AT+CWJAP="YOUR_WIFI_SSID","YOUR_WIFI_PASSWORD"
AT+CIPSTART="TCP","YOUR_SERVER_IP",8080建议后续将这些参数集中到不提交 Git 的本地配置文件中，并提供一份不包含真实凭据的 config.example.h。
- 使用 STM32CubeMX 打开
WIFI-1.ioc检查外设配置。 - 使用 Keil MDK 打开
MDK-ARM/WIFI-1.uvprojx。 - 确认 APP ROM 起始地址为
0x08020000、最大长度为0x40000。 - 根据实际环境修改 Wi-Fi SSID、密码、服务器 IP 和端口。
- 编译后将 APP 首次烧录到 Run 区。
- 使用 Keil MDK 打开
Boot_Loader/MDK-ARM下的工程文件。 - 编译并将 BootLoader 烧录到
0x08000000。 - 首次部署时，再将 APP 烧录到
0x08020000。
推荐烧录顺序：
BootLoader -> Run APP -> 启动 Qt 服务端 -> 设备上电
需要 Qt 6.5 或更高版本，并安装 Core、Widgets 和 Network 组件。
cd wifi-server
cmake -S . -B build
cmake --build build启动后：
- 设置监听地址，通常使用
0.0.0.0。 - 设置监听端口，默认
8080。 - 点击“启动监听”。
- 确保 ESP32 配置的服务器 IP 是运行 Qt 服务端电脑的局域网地址。
- 设备连接后观察实时数据、Sequence、CRC 和 ACK 日志。
- 准备链接地址为
0x08020000的 APP.bin文件。 - 确认镜像大小不超过 256 KB。
- 保持设备在线，在 Qt 服务端点击“选择固件并 OTA”。
- 输入高于当前固件的版本号。
- 观察 START、DATA、END 响应和进度条。
- 等待设备复位，并检查 BootLoader 安装与 APP Trial Confirm 日志。
项目已完成 48 小时连续运行及断网、复位、丢包、OTA 中断等异常场景测试，以下验收项均已通过。
| 测试项目 | 测试方法 | 预期结果 | 状态 |
|---|---|---|---|
| 连续运行 | 设备持续联网并周期上报 48 小时 | 无死机，数据持续上传 | ✅ 通过 |
| Wi-Fi 断开恢复 | 关闭并恢复路由器或热点 | 自动重连并恢复上传 | ✅ 通过 |
| TCP 服务端重启 | 关闭并重新启动 Qt 服务端 | 设备重建 TCP 连接 | ✅ 通过 |
| ACK 丢失 | 关闭 Qt 自动 ACK | 设备按 2 秒超时策略重传 | ✅ 通过 |
| 历史补传 | 断网产生数据后恢复网络 | 历史数据按索引补传 | ✅ 通过 |
| 上传中复位 | 历史补传期间复位 STM32 | 从持久化索引恢复进度 | ✅ 通过 |
| OTA 正常升级 | 下发合法固件 | 校验、安装、Trial Confirm 成功 | ✅ 通过 |
| OTA 传输中断 | DATA 阶段断开 TCP | 会话超时退出，不安装残缺镜像 | ✅ 通过 |
| 固件 CRC 错误 | 修改镜像或声明错误 CRC | 拒绝写入 PENDING | ✅ 通过 |
| Trial 失败 | 新 APP 不执行 Confirm | BootLoader 恢复旧版本 | ✅ 通过 |
- 接入 Modbus RTU/CAN 传感器，替换当前模拟数据源，实现多通道周期采集、数据转换与设备异常检测。
- 增加参数配置与持久化模块，将 Wi-Fi、服务器地址、Device ID 和采集周期保存至内部 Flash，并通过 CRC 与双备份机制保护配置数据。
- 引入 IWDG 与系统健康监控，增加任务心跳、栈余量、复位原因以及通信和存储错误统计。
- 接入 RTC/NTP 时间同步，为实时数据和历史数据提供复位后连续、可校准的 Unix 时间戳。