零知IDE——基于STM32与W5500的UDP通信实现温湿度监控

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项目概述

本项目基于零知增强板（主控STM32F407VET6）结合W5500以太网模块，实现了一套完整的UDP通信温湿度监控系统。系统通过DHT11传感器实时采集环境温湿度数据，通过W5500以太网模块建立UDP通信链路，将数据发送至PC上位机。同时，上位机可通过UDP协议发送控制指令，远程控制开发板上的LED灯开关状态

项目难点及解决方案

问题描述：多网卡路由冲突导致路由表混乱，UDP包丢失

解决方案：网段隔离与静态配置，将网络拓扑从混合网段改为独立网段；代码中禁用DHCP功能，网关和DNS强制指向PC的以太网IP；同时网段检测逻辑

一、系统硬件部分

1.1 元件清单

硬件名称	数量	备注
零知增强板（STM32F407VET6）	1	主控核心板
W5500 以太网模块	1	带 SPI 接口的以太网模块
DHT11 温湿度传感器	1	数字型温湿度传感器
LED 发光二极管	1	用于远程控制演示
10K 上拉电阻	1	DHT11 数据脚需接
杜邦线	若干	连接各模块
网线	1	PC 与 W5500 直连
PC（带以太网口）	1	运行 Python 上位机

1.2 接线方案表

请务必严格按照代码中的定义进行连接，否则会导致初始化失败。

零知增强板引脚	外接设备	设备引脚	功能说明
7	DHT11	DATA	温湿度数据传输
8	LED	正极	LED 控制引脚（低电平熄灭）
GND	DHT11/LED/W5500	GND	公共接地
5V	W5500/DHT11	5V / +	供电（W5500 需 5V）
3.3V	可选	DHT11 (+)	DHT11 也可接 3.3V
A5 (SCLK)	W5500	SCLK	SPI 时钟线
A6 (MISO)	W5500	MISO	SPI 主机输入 / 从机输出
A7 (MOSI)	W5500	MOSI	SPI 主机输出 / 从机输入
A4 (SCS)	W5500	CS	W5500 片选引脚

1.3 接线示意图

W5500 的 SPI 接线必须严格对应零知增强板 的 SPI 引脚（SCK/MISO/MOSI/CS）

1.4 实物连接图

二、安装与使用部分

2.1 开源平台-输入"W5500的UDP通信"并搜索-代码下载自动打开

2.2 连接-验证-上传

2.3 调试-串口监视器

三、核心代码讲解

本项目的代码设计体现了模块化和健壮性的特点，以下将对核心的四个部分进行详细剖析

3.1网络初始化与配置

网络初始化是本项目的核心，采用PC直连静态IP模式，确保通信稳定

// ==================== 网络配置 - PC直连模式 ====================
byte mac[] = {0xDE, 0xAD, 0xBE, 0xEF, 0xFE, 0xED};

// 静态IP配置
IPAddress staticIP(192, 168, 10, 22);      // W5500的IP
IPAddress gateway(192, 168, 10, 1);        // 设为PC的以太网卡IP
IPAddress subnet(255, 255, 255, 0);        
IPAddress dnsip(192, 168, 10, 1);          // DNS指向PC

// PC的以太网卡IP
IPAddress pcIP(192, 168, 10, 17);

// 网络初始化函数
void initNetwork() {
  // 静态IP配置
  Ethernet.begin(mac, staticIP, dnsip, gateway, subnet);
  
  // 验证网络配置
  IPAddress ip = Ethernet.localIP();
  if (ip == IPAddress(0, 0, 0, 0)) {
    Serial.println(" 错误: 以太网初始化失败! ");
    // 错误处理...
  }
  
  // 启动UDP服务
  Udp.begin(localPort);
}

PC以太网卡不提供DHCP服务，必须使用静态IP；网关设置指向PC，点对点直连网络

3.2DHT11数据采集与处理

DHT11传感器数据采集需要精确的时序控制，并处理可能的读取失败情况

// DHT11初始化
DHT dht(DHTPIN, DHTTYPE);

// 读取DHT数据函数
void readDHTData() {
  unsigned long currentTime = millis();
  
  // 每10秒读取一次
  if (currentTime - lastDHTReadTime >= 10000) {
    lastDHTReadTime = currentTime;
    
    float h = dht.readHumidity();
    float t = dht.readTemperature();
    
    if (isnan(h) || isnan(t)) {
      Serial.println(" DHT11读取失败!");
      dhtValid = false;
    } else {
      humidity = h;
      temperature = t;
      dhtValid = true;
      
      // 发送数据
      sendDHTData();
    }
  }
}

// 发送DHT数据函数
void sendDHTData() {
  if (dhtValid) {
    messageCount++;
    
    char tempStr[10];
    char humiStr[10];
    floatToString(tempStr, temperature, 2);  // 2位小数精度
    floatToString(humiStr, humidity, 2);
    
    // 构建JSON格式数据
    snprintf(sendBuffer, sizeof(sendBuffer),
             "{"type":"dht","count":%lu,"temp":%s,"humi":%s,"time":%lu}",
             messageCount, tempStr, humiStr, millis() / 1000);
    
    sendUDP(sendBuffer);
  }
}

DHT11设置为10秒的读取间隔，使用自定义floatToString()函数处理浮点数

3.3 UDP通信协议解析

实现简单的命令解析机制，支持多种控制指令

// 协议解析函数
void parseCommand(const char* cmd, IPAddress remoteIP, int remotePort) {
  // LED_ON命令
  if (strcmp(cmd, "LED_ON") == 0) {
    digitalWrite(LED_CONTROL_PIN, HIGH);
    ledControlState = true;
    
    snprintf(sendBuffer, sizeof(sendBuffer),
             "{"type":"response","cmd":"LED_ON","status":"success","led_state":true}");
    
    Udp.beginPacket(remoteIP, remotePort);
    Udp.write((uint8_t*)sendBuffer, strlen(sendBuffer));
    Udp.endPacket();
  }
  // GET_DHT命令
  else if (strcmp(cmd, "GET_DHT") == 0) {
    float h = dht.readHumidity();
    float t = dht.readTemperature();
    
    if (isnan(h) || isnan(t)) {
      snprintf(sendBuffer, sizeof(sendBuffer),
               "{"type":"response","cmd":"GET_DHT","status":"error","error":"read_failed"}");
    } else {
      char tempStr[10];
      char humiStr[10];
      floatToString(tempStr, t, 2);
      floatToString(humiStr, h, 2);
      
      snprintf(sendBuffer, sizeof(sendBuffer),
               "{"type":"response","cmd":"GET_DHT","status":"success","temp":%s,"humi":%s}",
               tempStr, humiStr);
    }
    
    Udp.beginPacket(remoteIP, remotePort);
    Udp.write((uint8_t*)sendBuffer, strlen(sendBuffer));
    Udp.endPacket();
  }
  // 其他命令处理...
}

支持的命令列表

指令	功能说明	返回信息
LED_ON	点亮LED	返回成功状态和LED状态
LED_OFF	熄灭LED	返回成功状态和LED状态
GET_DHT	读取实时温湿度	返回数据或错误信息
STATUS	获取设备完整状态信息	返回设备状态

每个命令都有明确的成功/失败状态返回，接收到命令后立即处理并返回结果

3.4系统状态维护与心跳机制

系统需要维护多个状态变量，并实现心跳机制确保连接正常

// 全局状态变量
unsigned long lastDHTReadTime = 0;    // 上次DHT读取时间
unsigned long lastSendTime = 0;       // 上次发送时间
unsigned long messageCount = 0;       // 消息计数器
unsigned long lastHeartbeat = 0;      // 上次心跳时间

bool dhtValid = false;                // DHT数据有效性
bool ledControlState = false;         // LED控制状态
bool networkInitialized = false;      // 网络初始化状态

unsigned long packetsSent = 0;        // 发送数据包计数
unsigned long packetsReceived = 0;    // 接收数据包计数

// 心跳包发送函数
void sendHeartbeat() {
  unsigned long currentTime = millis();
  
  if (currentTime - lastHeartbeat >= 30000) {  // 每30秒
    lastHeartbeat = currentTime;
    
    snprintf(sendBuffer, sizeof(sendBuffer),
             "{"type":"heartbeat","uptime":%lu,"packets_sent":%lu,"packets_received":%lu}",
             millis() / 1000, packetsSent, packetsReceived);
    sendUDP(sendBuffer);
  }
}

// 状态LED指示函数
void updateStatusLED() {
  unsigned long currentTime = millis();
  
  if (currentTime - lastBlinkTime >= 500) {  // 每500ms闪烁一次
    lastBlinkTime = currentTime;
    ledBlinkState = !ledBlinkState;
    digitalWrite(LED_BUILTIN, ledBlinkState ? LOW : HIGH);
  }
}

统计发送和接收的数据包数量，用于监控通信质量；定期发送心跳包，让上位机知道设备在线状态

3.5 系统完整代码

/**************************************************************************************
 * 文件: W5500_UDP_DHT11_Control.ino
 * 作者:零知实验室(深圳市在芯间科技有限公司)
 * -^^- 零知实验室,让电子制作变得更简单! -^^-
 * 时间: 2026-02-09
 * 网络拓扑:
 *   路由器(192.168.3.1) ←WiFi→ PC(WiFi: 192.168.3.17, 以太网: 192.168.10.1)
 *                                    ↓ 直连网线
 *                               W5500(192.168.10.22)
 * 
 * 功能说明:
 * W5500以太网模块UDP通信、DHT11温湿度传感器数据采集和上报、远程LED控制功能、简单协议解析和响应、修复JSON浮点数格式化问题（snprintf不支持%f）
 ************************************************************************************/

#include < SPI.h >
#include < Ethernet_STM.h >
#include < EthernetUdp.h >
#include "DHT.h"

// ==================== 硬件配置 ====================
#define DHTPIN 7
#define DHTTYPE DHT11
DHT dht(DHTPIN, DHTTYPE);

#define LED_CONTROL_PIN 8


// ==================== 网络配置 - PC直连模式 ====================
#if defined(WIZ550io_WITH_MACADDRESS)
  // WIZ550io有内置MAC地址
#else
  byte mac[] = {0xDE, 0xAD, 0xBE, 0xEF, 0xFE, 0xED};
#endif

//  PC直连模式 - 必须使用静态IP!
// PC的以太网卡不提供DHCP服务,所以DHCP无法工作
#define USE_DHCP false

// ==================== 重要: 网段配置说明 ====================
// 使用 192.168.10.x 网段,与PC的WiFi网段(192.168.3.x)分开
// 避免IP冲突和路由混乱

// 静态IP配置
IPAddress staticIP(192, 168, 10, 22);      // W5500的IP
IPAddress gateway(192, 168, 10, 1);        // 设为PC的以太网卡IP
IPAddress subnet(255, 255, 255, 0);        
IPAddress dnsip(192, 168, 10, 1);          // DNS指向PC

// PC的以太网卡IP (连接W5500的那个网卡)
//  不是WiFi的IP (192.168.3.17)!
IPAddress pcIP(192, 168, 10, 17);

// UDP端口
unsigned int localPort = 8888;
unsigned int pcPort = 9003;

// ==================== 如果您的PC以太网卡IP是其他值 ====================
// 请相应修改上面的配置,例如:
// 
// 如果PC以太网卡是 192.168.137.1 (启用了ICS):
//   IPAddress staticIP(192, 168, 137, 22);
//   IPAddress gateway(192, 168, 137, 1);
//   IPAddress dnsip(192, 168, 137, 1);
//   IPAddress pcIP(192, 168, 137, 1);
//
// 如果PC以太网卡是 192.168.3.215 (不推荐,会与WiFi冲突):
//   IPAddress staticIP(192, 168, 3, 22);
//   IPAddress gateway(192, 168, 3, 215);  // 指向PC,不是路由器!
//   IPAddress dnsip(192, 168, 3, 215);
//   IPAddress pcIP(192, 168, 3, 215);


// ==================== 全局变量 ====================
EthernetUDP Udp;
char receiveBuffer[256];
char sendBuffer[512];

// 定时器
unsigned long lastDHTReadTime = 0;
unsigned long lastSendTime = 0;
unsigned long messageCount = 0;
unsigned long lastHeartbeat = 0;

// DHT数据
float temperature = 0.0;
float humidity = 0.0;
bool dhtValid = false;

// LED状态
bool ledControlState = false;
unsigned long lastBlinkTime = 0;
bool ledBlinkState = false;

// 网络状态
bool networkInitialized = false;
unsigned long lastSuccessTime = 0;
unsigned long packetsSent = 0;
unsigned long packetsReceived = 0;


// ==================== 函数声明 ====================
void floatToString(char* buffer, float value, int decimalPlaces);


// ==================== 浮点数转字符串 ====================
void floatToString(char* buffer, float value, int decimalPlaces) {
  int intPart = (int)value;
  int decPart = (int)((value - intPart) * pow(10, decimalPlaces));
  
  if (decPart < 0) decPart = -decPart;
  
  if (decimalPlaces == 1) {
    sprintf(buffer, "%d.%01d", intPart, decPart);
  } else if (decimalPlaces == 2) {
    sprintf(buffer, "%d.%02d", intPart, decPart);
  }
}


// ==================== 初始化 ====================
void setup() {
  Serial.begin(115200);
  delay(100);
  
  Serial.println("nn");
  Serial.println("========================================");
  Serial.println("  W5500 UDP + DHT11温湿度监控系统");
  Serial.println("  零知实验室");
  Serial.println("  版本: v3.1 (PC直连专用版)");
  Serial.println("========================================n");
  
  Serial.println("  网络模式: PC直连(静态IP)");
  Serial.println("  请确保PC的以太网卡已配置静态IP!n");
  
  initHardware();
  initNetwork();
  initDHT();
  
  Serial.println("n========================================");
  Serial.println("系统启动完成!");
  Serial.println("========================================n");
  
  printSystemInfo();
  sendStartupMessage();
  
  Serial.println("n开始工作...n");
  Serial.println("----------------------------------------n");
}


// ==================== 硬件初始化 ====================
void initHardware() {
  Serial.println("[1/3] 初始化硬件...");
  
  pinMode(LED_BUILTIN, OUTPUT);
  digitalWrite(LED_BUILTIN, HIGH);
  
  pinMode(LED_CONTROL_PIN, OUTPUT);
  digitalWrite(LED_CONTROL_PIN, LOW);
  ledControlState = false;
  
  // 启动提示 - LED快闪3次
  for(int i = 0; i < 3; i++) {
    digitalWrite(LED_BUILTIN, LOW);
    delay(100);
    digitalWrite(LED_BUILTIN, HIGH);
    delay(100);
  }
  
  Serial.println(" 硬件初始化完成!");
}


// ==================== 网络初始化 ====================
void initNetwork() {
  Serial.println("n[2/3] 初始化W5500以太网模块...");
  Serial.println("  模式: 静态IP (PC直连)");
  delay(500);
  
  // 静态IP配置
  #if defined(WIZ550io_WITH_MACADDRESS)
    Ethernet.begin(staticIP, dnsip, gateway, subnet);
  #else
    Ethernet.begin(mac, staticIP, dnsip, gateway, subnet);
  #endif
  
  delay(1000);
  
  // 验证网络配置
  IPAddress ip = Ethernet.localIP();
  
  if (ip == IPAddress(0, 0, 0, 0)) {
    Serial.println("n 错误: 以太网初始化失败! ");
    Serial.println("n请检查:");
    Serial.println("  1. W5500模块SPI接线是否正确");
    Serial.println("  2. 网线是否连接到PC的以太网口");
    Serial.println("  3. PC的以太网卡是否已配置静态IP");
    Serial.println("n设备将进入错误指示模式");
    
    while(1) {
      digitalWrite(LED_BUILTIN, !digitalRead(LED_BUILTIN));
      delay(100);
    }
  }
  
  Serial.println("n W5500初始化成功!");
  Serial.println("━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━");
  Serial.print("  本机IP:   ");
  Serial.println(ip);
  Serial.print("  子网掩码: ");
  Serial.println(Ethernet.subnetMask());
  Serial.print("  网关:     ");
  Serial.println(Ethernet.gatewayIP());
  Serial.print("  DNS:      ");
  Serial.println(Ethernet.dnsServerIP());
  Serial.println("  模式:     静态IP (PC直连)");
  Serial.println("━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━");
  
  // 显示PC配置提示
  Serial.println("n


审核编辑 黄宇