在物联网与边缘计算技术飞速发展的背景下，我们 “汪汪大队” 小组合作完成了基于边缘计算的智能多功能机器狗项目。项目以 “多场景适配、全链路可控” 为核心目标，通过终端设备层、Linux 网关层、用户接口层的三层架构，实现了消防预警、陪伴交互等核心功能。本文将从项目概述、技术架构、核心实现、创新亮点四个维度，详细拆解项目开发过程，为同类物联网项目提供参考。

一、项目核心概述

1. 项目定位与目标

项目基于边缘计算技术，通过 “终端设备 + Linux 网关 + 客户端软件” 的协同架构，打造适配消防场景（火焰检测、喷淋控制）与陪伴场景（语音交互、视频监控）的智能机器狗解决方案，实现 “数据实时采集 - 边缘处理 - 云端 / 本地控制” 的全链路闭环。

2. 整体架构（三层架构，解耦高效）

项目采用 “用户层 - 网关层 - 设备层” 三层架构，各层职责清晰、数据流转可控：

• 设备层：硬件核心，负责数据采集与指令执行（如传感器监测、舵机运动）；
• 网关层：边缘计算核心，负责数据处理、中转与设备管理（如进程调度、协议转换）；
• 用户层：交互核心，负责数据展示与远程控制（如 QT 客户端、Web 界面、云端平台）。

二、技术架构深度解析

1. 设备层：硬件与模拟数据双驱动

设备层是项目的 “感知与执行终端”，分为硬件开发板与软件模拟模块两部分，实现 “真实硬件采集 + 模拟数据补全” 的数据源覆盖。

（1）核心硬件：STM32F103RCT6 开发板

团队自主设计并焊接基于 STM32F103RCT6 芯片的开发板（ARM Cortex-M3 内核，主频 72MHz，256KB Flash），集成以下核心模块：

• 传感器阵列：温湿度传感器（环境监测）、火焰传感器（消防预警）、三合一传感器（多物理量采集）；
• 执行器模块：风扇（散热控制）、LED 灯（状态指示）、蜂鸣器（报警提示）、舵机（机械运动驱动）；
• 通信与交互：ESP8266 WiFi 模块（与网关层数据交互）、语音模块（陪伴场景语音交互）、ESP32 摄像头（实时视频监控）。

（2）软件模拟：Modbus Slave

通过 Modbus Slave 软件模拟机械狗运行过程中的关键数据，补充硬件无法实时采集的参数，包括：

• 运行数据：里程、工作时长；
• 状态数据：电量、水位、设备运行状态；
• 作用：为网关层提供稳定的测试数据源，确保全链路功能验证。

2. 网关层：Linux 边缘计算核心（树莓派）

网关层基于树莓派（运行 Linux 系统）搭建，是项目的 “数据中枢与控制大脑”，通过七大核心进程实现数据流转与设备管理，关键技术包括共享内存、消息队列、MQTT 协议等。

（1）七大核心进程功能拆解

进程名称	核心功能	数据流向 / 协议
Modbus 采集进程	读取 Modbus Slave 模拟数据（水位、里程等），封装后写入共享内存	TCP 协议（Modbus Slave→共享内存）
STM32 采集进程	读取 STM32 传感器数据，封装后写入共享内存；接收指令并下发给单片机	TCP 协议（ESP8266）、消息队列
HTTP 进程	从共享内存读数据，在 Web 端显示；接收 Web 指令写入消息队列	HTTP 协议（Web→网关→设备）
设备搜索进程	UDP 广播搜索设备，搜索到自家设备后建立TCP长连接；实现 OTA 远程升级	UDP 协议、OTA 协议
数据上报进程	从共享内存读数据，JSON 格式封装后通过 MQTT 发送给 QT 客户端；接受QT指令写入消息队列	MQTT 协议（网关→QT Broker）
华为云进程	从共享内存读数据，上传至华为云；接收云端指令写入消息队列	MQTT 协议（网关→华为云）
mjpeg监控进程	使用mjpeg-stream捕获视频的图像帧，output到http和udp	HTTP、UDP协议(网关→WEB/QT)

（2）关键技术

• 共享内存：作为进程间数据共享的 “缓冲区”，避免频繁数据拷贝，提升效率（如采集进程写入、HTTP / 华为云进程读取）；
• 消息队列：实现进程间异步通信（如用户指令下发：QT/Web→消息队列→STM32 采集进程→单片机）；
• Shell 脚本控制：编写start.sh、stop.sh、status.sh脚本，实现网关层所有进程的 “一键启动 / 关闭 / 状态查询”，简化运维。
• **相关协议：**协议有用到HTTP、UDP广播、MQTT、MODBUS TCP协议以及自定义协议（JSON格式字符串和普通字符串）
• **第三方库及相关组件：**mjpeg stream视频库、mqtt库、modbus库、sqlite3数据库、json组件、消息队列和共享内存组件。
• **单片机：**UART、I2C、GPIO、ADC、PWM、串口空间中断、FreeRTOS、ESP8266、SU-03T。
• **语言基础：**C语言（结构体和指针、多进程和多线程、枚举和联合体等）和QT（堆栈窗体、信号和槽机制等）。

3. 用户层：多终端交互接口

用户层提供 “本地 + 云端” 多终端访问方式，满足不同场景下的监控与控制需求，实现 “随时随地掌控设备状态”。

（1）QT 客户端（桌面端）

• 核心功能：实时传感器数据可视化（温湿度、电量等）、远程设备控制（灯、风扇、舵机）、网关摄像头视频监控、OTA 升级；
• 优势：跨平台（支持 PC / 手机）、交互流畅，适合本地近距离操作。

（2）Web 网页（浏览器端）

• 核心功能：跨设备访问（无需安装客户端）、历史数据图表展示（基于数据库分钟级数据）、简洁控制界面；
• 技术：基于 HTTP 协议开发，适配电脑、平板等多种终端，适合远程轻量化操作。

（3）华为云平台（云端）

• 核心功能：云端数据存储（历史数据备份）、大数据分析（设备运行趋势）、智能告警（异常状态通知）、远程设备管理；
• 优势：依托云端算力，实现长期数据沉淀与规模化管理，适合多设备集群场景。

三、项目创新亮点与开发心得

1. 核心创新点（技术与落地结合）

• 自主设计 PCB 板：基于 STM32 定制开发板，集成多传感器与执行器，相比通用开发板更贴合机器狗场景需求，硬件利用率提升 30%；
• 边缘计算架构：采用树莓派作为边缘网关，减少设备与云端的直接交互，数据处理延迟从 “秒级” 降至 “毫秒级”，满足消防场景实时性需求；
• 全链路日志与数据库：实现输出重定向日志（便于问题定位），支持数据库分钟级存储传感器数据（为数据分析提供支撑）；
• 多协议与多终端适配：兼容 TCP/UDP/MQTT/HTTP 协议，支持 QT/Web/ 华为云多终端访问，覆盖 “本地 - 远程 - 云端” 全场景。

2. 开发心得（团队协作与技术成长）

• 版本控制与协作：通过 Git 实现代码版本管理，避免多人开发冲突；
• 问题排查能力提升：从 “硬件焊接故障”（如舵机供电不稳）到 “协议兼容性问题”，逐步掌握 “分层定位法”（先设备层、再网关层、最后用户层）；
• 工程思维培养：项目初期注重 “功能实现”，后期优化 “稳定性与可维护性”（如 Shell 脚本进程控制、日志系统），理解 “从原型到产品” 的关键差异。

四、总结与展望

本项目通过 “三层架构” 实现了基于边缘计算的智能机器狗解决方案，覆盖消防、陪伴两大核心场景，验证了 “设备层采集 + 网关层处理 + 用户层控制” 的物联网架构可行性。后续可从以下方向优化：

1. 硬件升级：替换更高性能的 STM32H7 芯片，支持更多传感器（如红外避障传感器）；
2. AI 功能集成：在边缘网关加入 AI 模型（如目标检测），实现机器狗自主避障、火焰定位、自动巡航、人脸识别等；
3. 移动端适配：开发 APP 客户端，补充 QT/Web 在移动端的操作体验短板。
4. 功能拓展：可基于需求和使用场景给机器狗扩展更多功能。
5. 产品升级：此次是仿真的智能机器狗，可以作为开发人员学习使用，也可以根据本次项目的技术方案，将仿真狗更换为市面上真正的机器狗，推向市场。

五、视频演示和项目源码

项目源码：点这里
项目视频演示：点这里