基于RT-Thread的简易物联网温控箱 | 技术分享
本文介绍了一个基于RT-Thread操作系统的桌面级物联网温控系统。该系统具备较高的温度控制精度和扩展能力，集成了Wi-Fi联网功能，并通过Web可视化界面实现了远程监控与参数调整。
1 项目概述
本项目旨在打造一个高精度、可扩展的温控系统，适用于桌面应用场景。系统能够实现对箱内温度的精确调节，支持Web远程控制与可视化监控，构建了完整的物联网闭环。
项目采用了NXP FRDM-MCXA156作为硬件平台，运行RT-Thread 5.2.1系统。
主要功能包括：
- 整机最大功耗不超过24W
- 支持常温至70°C的温控范围，可通过PTC或制冷片扩展温度区间
- 具有高精度恒温控制，最大温度波动控制在3°C内，稳态波动小于1°C
- 支持多传感器数据融合
- 本地OLED显示当前状态
- 通过Wi-Fi实现Web远程监控和在线调参
项目亮点包括：级联PID与前馈控制算法、三态状态机设计、以及基于TCP-WebSocket桥接的Web可视化架构。
2 RT-Thread使用情况概述
作为本系统的软件核心，RT-Thread操作系统为功能实现提供了稳定可靠的平台。其轻量级内核、丰富组件和模块化设计，使得开发过程更加高效。
在内核调度方面，系统创建了多个线程，分别用于主控、PID控制、OLED刷新、网络服务和LED状态指示。利用RT-Thread的抢占式调度机制，确保了温度控制等关键任务的实时响应。
设备驱动部分借助RT-Thread统一设备模型，实现了对多种外设的便捷控制：
- Pin设备：控制LED和继电器，实现加热/散热模式切换
- ADC设备：采集NTC热敏电阻电压，用于计算PTC温度
- PWM设备：调节加热和散热设备的功率输出
- I2C设备：驱动OLED显示屏及读取环境温度传感器
- Sensor框架：接入DHT11和P3T1755传感器，实现多点温度监测
网络功能方面，系统使用了lwIP协议栈和SAL接口，构建了TCP服务器，支持远程访问。Wi-Fi连接通过rt_wlan_connect接口实现，具备良好的连接稳定性。
此外，FinSH命令行工具支持在串口上运行自定义命令，如get_status和tune，便于实时调试与参数调整。
软件包生态包括u8g2图形库、dhtxx温湿度驱动和p3t1755温度驱动等。
3 硬件框架
系统硬件分为四个主要部分：主控、传感器、执行器和人机交互。
- 主控制器：采用NXP FRDM-MCXA156开发板
- 传感器模块：
- DHT11：测量箱内温湿度
- NTC热敏电阻：通过ADC采样，用于PTC温度计算
- P3T1755：板载I2C温度传感器，测量环境温度
- 执行器模块：
- 加热：通过PWM控制LR7843 MOSFET驱动PTC加热片
- 散热：12V直流风扇，同样由PWM调节
- 模式切换：继电器切换PWM输出方向，实现加热与散热模式切换
- 人机交互模块：
- 本地OLED显示屏：展示系统状态和温度信息
- 远程Web Dashboard：通过浏览器实现系统监控与参数调整
硬件连线示意图
4 软件框架说明
软件核心包含基于状态机的设计和级联PID控制算法，主要由main.c和pid_entry线程实现。
主控与状态机（main.c）
主函数负责初始化外设并创建多个线程。系统主循环作为状态机，根据当前温度与目标温度比较，实现HEATING（加热）、WARMING（保温）和COOLING（散热）三种状态切换。
状态切换时，继电器控制PWM输出方向，并通过RESET PID积分项避免状态跳变引起的问题。
核心控制算法（pid_entry线程）
此线程以更高频率运行，负责核心温度控制逻辑，包含两种模式：
- 级联PID + 前馈控制（加热/保温）：
- 外环PID（pid_box）计算PTC目标温度
- 内环PID（pid_ptc）根据PTC温度调整PWM输出
- 前馈机制通过映射表提高系统收敛速度并减少积分饱和
- PI控制（散热）：
- 根据温差直接调节风扇转速
系统同时具备过温保护功能，当PTC温度超过设定阈值时自动切断输出。
远程控制服务（remote.c）
在remote_server_thread_entry线程中构建了一个TCP服务器，监听5000端口。
- get_status：返回当前系统状态的JSON格式数据
- tune：接收参数并传递到main.c中，实现运行时参数调整
OLED显示（screen.c）
screen_on线程控制OLED显示，界面包含工作模式、温度数据和温差条。
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
通过浏览器可访问远程监控界面，界面包含仪表盘、状态指示与参数设置。
温度历史曲线图展示了系统的响应速度、超调量和稳态误差。
MSH 命令行调试
通过串口可访问get_status和tune命令，实现调试和参数调整。
6 改进方向
- 硬件优化：考虑将DHT11升级为DHT22以提高精度和响应速度
- 功能扩展：增加时间-温度曲线功能，以支持更复杂的控温流程
- 算法优化：尝试通过仿真方法优化PID参数，提升系统稳定性
7 代码地址
本项目已开源，欢迎开发者下载复现。
GitHub链接：https://github.com/Cylopsis/Little-TempControled-Box