内容介绍

基于ESP32-S3的多线程工业级温度监测系统

1 项目背景

在工业过程控制、电力监测等场景中，多通道高精度温度采集是实现设备状态监测的关键技术。本设计基于ESP32-S3双核处理器，构建支持8通道K型热电偶（MAX31856）的智能采集系统，通过多线程架构实现数据采集、通信处理、看门狗监控的并行执行，最终达成**±0.5℃精度**、**5Hz采样率**的准工业级性能指标。本文将详细介绍该项目的设计思路、实现过程以及关键技术。

实物效果

软件效果

1.1 系统功能构思

在工业生产和环境监测中，温度是一个关键的参数。为了实现对多个温度点的实时监测，我们设计了一款基于ESP32-S3的8通道高精度温度采集器。该设备采用SPI接口连接多个MAX31856热电偶放大器芯片，能够同时采集8个不同位置的温度数据，并通过Modbus RTU协议将数据实时传输至Modbus Poll或SerialStudio上位机甚至是云端。

1.2 系统框图

本系统设计围绕温度采集需求展开，采用模块化设计流程。首先通过**需求设计**明确精度、采样率等核心指标，指导**硬件设计**选型高精度热电偶传感器与多通道采集电路。**系统设计**阶段规划双核处理器架构，划分硬件驱动层与数据处理层。**软件设计**基于FreeRTOS实现多线程调度，开发SPI通信协议与Modbus数据映射模块。**联合调试**阶段通过示波器验证信号完整性，完成软硬件协同测试。若**测试功能一致性**未达标（如通道干扰超限），则进入**协调系统设计**环节，迭代优化滤波算法或调整PCB布局。通过闭环验证后，最终进行**总结与归纳**，输出稳定性报告与优化指南。整个流程采用V模型开发，形成"设计-验证-迭代"的闭环管理体系，确保8通道数据采集精度达±0.5℃，系统响应时间小于15ms。

2 硬件设计

硬件拓扑

- **传感层**：双SPI总线驱动8路MAX31856（SPI2/SPI3各4路）

- **控制层**：ESP32-S3双核处理器（240MHz主频 + 16MB PSRAM）

- **通信层**：RS485 Modbus RTU + USB-C调试接口

- **电源层**：支持12-24V宽压输入，配备过压/反接保护（后续加上）

2.2 主要组件

1. **主控芯片**：ESP32-S3，具有强大的处理能力和丰富的外设接口。

2. **温度传感器**：8个MAX31856热电偶放大器芯片，分别通过SPI2和SPI3接口连接。

3. **通信接口**：UART1用于Modbus RTU通信，USB接口用于调试和配置。

4. **其他外设**：LED指示灯、按键等用于状态指示和用户交互。

2.3 电路连接

- **SPI接口**：ESP32-S3的SPI2和SPI3接口分别连接4个MAX31856芯片，每个芯片通过独立的片选（CS）引脚进行控制。

- **UART接口**：UART1的TX和RX引脚分别连接至Modbus主站的RX和TX引脚，波特率设置为9600。

- **电源管理**：采用5V电源供电，通过稳压芯片为ESP32-S3和MAX31856提供稳定的3.3V和5V电源。

硬件实物图：

2.4 主要硬件介绍

ESP32-S3双核处理器：立创参考资料

硬件接口与SPI驱动：立创·ESP32S3R8N8】开源硬件

MAX31856热电偶采集

MAX31856 是一款高精度热电偶信号调理芯片，专为工业级温度测量设计。其核心功能是通过 SPI 接口将热电偶的微弱模拟信号转换为数字温度值，支持 K/J/N/T/S/E/B/R 等多种热电偶类型，典型测量精度达 ±0.5℃（K型）。采用Platformio的adafruit/Adafruit MAX31856 library@^1.2.7库驱动

3 软件设计

3.1 多线程任务管理

多线程任务划分

|------------------- |------ |-------- |---------- |------------------------------ |

3.1.1 双核负载均衡策略

// 实时数据采集（占用率约60%）

xTaskCreatePinnedToCore(collectSPI3Data, "SPI3", 4096, NULL, 1, NULL, 1);  

xTaskCreatePinnedToCore(collectSPI2Data, "SPI2", 4096, NULL, 1, NULL, 0);  



// 通信与监控（占用率约30%）

xTaskCreatePinnedToCore(sendDataToSerial, "UART", 2048, NULL, 1, NULL, 1);  

xTaskCreatePinnedToCore(watchdogResetTask, "WDT", 2048, NULL, 1, NULL, 0);

- **隔离原则**：将时序敏感的SPI操作与通信任务物理隔离至不同核心

- **优先级倒置预防**：Modbus任务设置更高优先级（Level 3）

为了实现高效的温度数据采集与处理，我们采用了FreeRTOS进行多线程任务管理。主要任务包括：

1. **SPI数据采集任务**：

- `collectSPI3Data`：负责采集SPI3接口连接的4个温度传感器的数据。

- `collectSPI2Data`：负责采集SPI2接口连接的4个温度传感器的数据。

- 这两个任务分别运行在不同的核心上，确保数据采集的实时性和并行性。

  void collectSPI3Data(void *parameter) {

        while (true) {

            static float tempSpi3[4];

            tempSpi3[0] = thermocouple_spi3_0.readThermocoupleTemperature();

            tempSpi3[1] = thermocouple_spi3_1.readThermocoupleTemperature();

            tempSpi3[2] = thermocouple_spi3_2.readThermocoupleTemperature();

            tempSpi3[3] = thermocouple_spi3_3.readThermocoupleTemperature();



            for (int i = 0; i < 4; i++) {

                temperatures_spi3[i] = tempSpi3[i];

            }



            vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(50)); // 每50ms采集一次

        }

    }

2. **数据发送任务**：

- `sendDataToSerial`：负责将采集到的温度数据通过串口发送出去。该任务根据配置的发送间隔进行数据发送，并支持通过AT命令动态调整发送间隔和采样精度。

    void sendDataToSerial(void *parameter) {

        while (true) {

            if (ttlsendsignal) {

                String output = ""; // 起始标志位



                // 拼接SPI3温度数据

                for (int i = 0; i < 4; i++) {

                    output += String(temperatures_spi3[i], (unsigned int)samplingPrecision);

                    if (i < 3) {

                        output += ",";

                    }

                }



                output += ","; // 分隔符



                // 拼接SPI2温度数据

                for (int i = 0; i < 4; i++) {

                    output += String(temperatures_spi2[i], (unsigned int)samplingPrecision);

                    if (i < 3) {

                        output += ",";

                    }

                }



                Serial.println(output); // 一次性发送数据

            }



            vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(sendInterval - 1)); // 根据配置的间隔发送数据

        }

    }

3. **看门狗复位任务**：

- `watchdogResetTask`：负责定期复位看门狗，防止系统因意外情况而重启。

    void watchdogResetTask(void* parameter) {

        while (true) {

            esp_task_wdt_reset();            // 复位看门狗

            vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(1000)); // 每秒复位一次

        }

    }

3.1.2 数据共享与同步

- **无锁设计**：通过`volatile`关键字确保双核间数据可见性

- **批量更新**：50ms周期统一刷新Modbus寄存器，避免寄存器乒乓效应

volatile float temperatures_spi3[4]; // Core1写入  

volatile float temperatures_spi2[4]; // Core1写入  



void modbus_rtu_loop() {  

    // Core1读取volatile变量  

   // 循环处理Modbus数据
    mb.task();
    for (uint8_t i = 0; i < sensor_num / 2; i++)
    {
        int16_t scaledValue3 = temperatures_spi3[i] * 10; // 放大10倍保留1位小数
        mb.Hreg(i, scaledValue3);
        int16_t scaledValue2 = temperatures_spi2[i] * 10; // 放大10倍保留1位小数
        mb.Hreg(i+4, scaledValue2);
    }
    vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(50)); // 每 50ms 采集一次

}

3.1.3 实时性保障机制

- **采集任务**：1ms周期严格时序控制，采用`vTaskDelayUntil`精准调度

- **看门狗分级**：硬件看门狗（10s）防护

- **中断优化**：禁用SPI传输期间的FreeRTOS任务切换

---

3.2 数据交互

3.2.1 Modbus RTU通信

为了实现与上位机或云端的数据交互，我们采用了Modbus RTU协议。通过ModbusSerial库，我们实现了以下功能：

1. **寄存器配置**：

- 将采集到的温度数据存储在Modbus保持寄存器中，地址范围为40001-40008。

   void modbus_rtu_init() {

        // 初始化Modbus串口

        modbusSerial.begin(MODBUS_BAUD, SERIAL_8N1, UART_RX_PIN, UART_TX_PIN);

        mb.config(MODBUS_BAUD);



        // 注册Modbus保持寄存器

        for (uint8_t i = 0; i < sensor_num; i++) {

            mb.addHreg(i); // 寄存器地址0-8对应40001-40008

        }

    }

2. **数据更新**：

- 在主循环中，定期将采集到的温度数据更新到Modbus寄存器中。

    void modbus_rtu_loop() {

        mb.task();

        for (uint8_t i = 0; i < sensor_num / 2; i++) {

            int16_t scaledValue3 = temperatures_spi3[i] * 10; // 放大10倍保留1位小数

            mb.Hreg(i, scaledValue3);

            int16_t scaledValue2 = temperatures_spi2[i] * 10; // 放大10倍保留1位小数

            mb.Hreg(i+4, scaledValue2);

        }

        vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(50)); // 每50ms采集一次

    }

3.2.2 AT命令配置

为了方便用户配置传感器参数，我们实现了AT命令集。通过串口接收AT命令，可以动态调整发送间隔、采样精度和滤波方法。

编号	AT指令	数值	属性
1	AT=	vor	启动串口输出功能
2	AT+SEND_INTERVAL=	200~1000	200ms发送间隔
3	AT+SAMPLING_PRECISION=	1、2、3	保留1位小数
4	AT+FILTER=	null	MAX31856自带滤波
5	AT=	xxx	关闭串口输出

void configureSensor(const String& command) {

    if (command.startsWith("AT=vor")){

        ttlsendsignal = true; // 设置标志位为true,开始串口打印数据

    }

    else if (command.startsWith("AT+SEND_INTERVAL=")) {

        String value = command.substring(17);

        value.trim();                 // 提取并去除多余字符

        sendInterval = value.toInt(); // 设置发送间隔

        Serial.println("OK");

    } else if (command.startsWith("AT+SAMPLING_PRECISION=")) {

        // 设置采样精度（1 表示一位小数，3 表示三位小数）

        String value = command.substring(22);

        value.trim(); // 提取并去除多余字符

        int precision = value.toInt();

        if (precision == 1 || precision == 2 || precision == 3) {

            samplingPrecision = precision;

            Serial.println("OK");

        } else {

            Serial.println("ERROR: Invalid precision value. Use 1 or 3.");

        }

    } else if (command.startsWith("AT+FILTER=")) {

        // 示例：设置滤波方法（假设支持简单平均滤波）

        String value = command.substring(11);

        value.trim(); // 提取并去除多余字符

        int filterType = value.toInt();

        if (filterType == 1) {

            // 实现简单的平均滤波逻辑

            Serial.println("Filter set to Simple Average");

        } else {

            Serial.println("Filter set to None");

        }

    } else {

        ttlsendsignal = false;

        Serial.println("ERROR: Unknown command");

    }

}

4 功能演示

主要展示Modbus RTU通讯与串口数据解包以及AT指令功能！😘😘😘

实物效果，需要下载附件中的platfromio的项目文件，编译并下载。当一切准备好后，

连接ESP32S3 USB数据线和485转USB线后，就可以开始下面的实物实验啦！🤣🤣🤣

4.1 Modbus RTU数据映射表

|------------ |------------ |---------- |-------------------- |

| 40001 | INT16 | ×10 | SPI3通道1温度值 |

| ... | ... | ... | ... |

| 40004 | INT16 | ×10 | SPI3通道4温度值 |

| 40005 | INT16 | ×10 | SPI2通道1温度值 |

| ... | ... | ... | ... |

| 40008 | INT16 | ×10 | SPI2通道4温度值 |

这里采用Modbus Poll10进行问询通讯，具体配置文件参考附件Modbus Poll配置文件🙌🙌🙌

这里采用9600-8-N-1通讯，超时选择2000ms

这里我配置从机地址是10，然后读8个数据位，

采用03保持寄存器功能码进行问询，下面是读取日志；

Tx:000135-23:18:13.449-0A 03 00 00 00 08 45 77 
Rx:000136-23:18:13.527-0A 03 10 00 E4 00 E5 00 E4 00 E3 00 F1 00 FC 00 EF 00 F2 4B 3F 
Tx:000137-23:18:13.650-0A 03 00 00 00 08 45 77 
Rx:000138-23:18:13.759-0A 03 10 00 E4 00 E3 00 E4 00 E3 00 F0 00 FD 00 EF 00 F2 6F F9 
Tx:000139-23:18:13.854-0A 03 00 00 00 08 45 77 
Rx:000140-23:18:13.930-0A 03 10 00 E4 00 E3 00 E4 00 E3 00 F0 00 FD 00 EF 00 F2 6F F9 
Tx:000141-23:18:14.053-0A 03 00 00 00 08 45 77 
Rx:000142-23:18:14.115-0A 03 10 00 E4 00 E3 00 E4 00 E3 00 F0 00 FD 00 EF 00 F2 6F F9 
Tx:000143-23:18:14.255-0A 03 00 00 00 08 45 77 
Rx:000144-23:18:14.348-0A 03 10 00 E4 00 E3 00 E4 00 E3 00 F0 00 FD 00 EF 00 F2 6F F9 
Tx:000145-23:18:14.459-0A 03 00 00 00 08 45 77 
Rx:000146-23:18:14.518-0A 03 10 00 E4 00 E4 00 E4 00 E3 00 F0 00 FD 00 F0 00 F3 94 B8 
Tx:000147-23:18:14.660-0A 03 00 00 00 08 45 77 
Rx:000148-23:18:14.750-0A 03 10 00 E4 00 E4 00 E4 00 E3 00 F0 00 FD 00 F0 00 F3 94 B8 
Tx:000149-23:18:14.859-0A 03 00 00 00 08 45 77 
Rx:000150-23:18:14.921-0A 03 10 00 E4 00 E4 00 E4 00 E3 00 F0 00 FD 00 F0 00 F3 94 B8 
Tx:000151-23:18:15.061-0A 03 00 00 00 08 45 77 
Rx:000152-23:18:15.155-0A 03 10 00 E5 00 E4 00 E5 00 E3 00 F0 00 FC 00 F0 00 F3 6C 84 
Tx:000153-23:18:15.264-0A 03 00 00 00 08 45 77 
Rx:000154-23:18:15.325-0A 03 10 00 E5 00 E4 00 E5 00 E3 00 F0 00 FC 00 F0 00 F3 6C 84 
Tx:000155-23:18:15.466-0A 03 00 00 00 08 45 77 
Rx:000156-23:18:15.558-0A 03 10 00 E5 00 E4 00 E5 00 E3 00 F0 00 FC 00 F0 00 F3 6C 84

下面是我分别4次触摸不同热电偶温度数据变化，这个是乘10倍的，响应速度挺快，而且测量准确，查看图标数据如下：

4.2 串口AT指令集

这里串口默认启动没有开启打印效果，因此需要“AT=vor”启动打印效果，后续就可以进行设置输出时间间隔、精度设置后续的滤波。

AT=vor              # 启用实时数据流（TTL模式）  

AT+SEND_INTERVAL=500  # 设置串口发送间隔为500ms  

AT+FILTER=1         # 启用滑动平均滤波（窗口大小10）

这里推荐SerialStudio软件进行可视化，具体配置文件参考附件SerialStudio配置文件

串口是115200-8-N-1通讯，选择这个SerialStudio配置的json文件，就可以可视化啦！😘😘😘

我通过逗号分割数据，

23:30:34.585 -> 22.727,22.633,22.820,22.687,24.141,25.273,23.891,24.328
23:30:34.784 -> 22.687,22.680,22.773,22.727,24.086,25.367,23.844,24.266
23:30:34.982 -> 22.687,22.680,22.773,22.727,24.086,25.367,23.844,24.266
23:30:35.181 -> 22.687,22.680,22.773,22.727,24.086,25.367,23.844,24.266
23:30:35.384 -> 22.687,22.680,22.773,22.727,24.141,25.297,23.797,24.336
23:30:35.591 -> 22.750,22.687,22.727,22.687,24.141,25.297,23.797,24.336
23:30:35.795 -> 22.750,22.687,22.727,22.687,24.141,25.297,23.797,24.336
23:30:35.977 -> 22.750,22.687,22.727,22.687,24.094,25.328,23.883,24.359
23:30:36.176 -> 22.641,22.617,22.750,22.727,24.094,25.328,23.883,24.359
23:30:36.377 -> 22.641,22.617,22.750,22.727,24.094,25.328,23.883,24.359
23:30:36.574 -> 22.641,22.617,22.750,22.727,24.188,25.305,23.797,24.445
23:30:36.774 -> 22.711,22.594,22.727,22.703,24.188,25.305,23.797,24.445
23:30:36.973 -> 22.711,22.594,22.727,22.703,24.188,25.305,23.797,24.445
23:30:37.185 -> 22.711,22.594,22.727,22.703,24.188,25.305,23.797,24.445
23:30:37.370 -> 22.703,22.687,22.766,22.727,24.086,25.344,23.891,24.336
23:30:37.570 -> 22.703,22.687,22.766,22.727,24.086,25.344,23.891,24.336
23:30:37.768 -> 22.703,22.687,22.766,22.727,24.086,25.344,23.891,24.336
23:30:37.967 -> 22.664,22.641,22.766,22.727,24.109,25.367,23.883,24.437
23:30:38.166 -> 22.664,22.641,22.766,22.727,24.109,25.367,23.883,24.437
23:30:38.366 -> 22.664,22.641,22.766,22.727,24.109,25.367,23.883,24.437
23:30:38.566 -> 22.664,22.641,22.766,22.727,24.062,25.367,23.891,24.422
23:30:38.764 -> 22.711,22.555,22.773,22.703,24.062,25.367,23.891,24.422
23:30:38.964 -> 22.711,22.555,22.773,22.703,24.062,25.367,23.891,24.422

在测试过程中我触摸热电偶两次，可视化显示如下：

测试“AT+SEND_INTERVAL=500”设置采样间隔指令

开启串口打印后，默认200ms发送一次（5Hz），然后发送“AT+SEND_INTERVAL=500”指令后变成500ms发送一次（2Hz）

测试“AT+SAMPLING_PRECISION=1”设置采样精度指令

开启串口打印后，默认保留3位小数，然后发送“AT+SAMPLING_PRECISION=1”指令后变成保留1位小数

我上面有数据是nan说明接触不良，重新插拔ok，打印如下

5 性能测试与优化

5.1 关键指标验证

| 测试项 | 实测值 | 工业标准 |

|-----------------|--------------|-------------|

| 采样精度 | ±0.5℃ | ±1℃ |

| 通道间干扰 | <0.3℃ | <0.5℃ |

| Modbus响应时间 | 12ms | <100ms |

5.2 功耗优化空间

- **动态调频**：空闲时段将CPU主频降至80MHz（功耗降低62%）

- **智能休眠**：无Modbus请求时关闭SPI总线供电（节省45mA）

5.3 异常处理机制

- **SPI总线监测**：自动检测MAX31856断线故障（CRC校验异常）

- **温度突变告警**：设置±5℃/s梯度阈值，触发Modbus异常码（0x8000）

- **通信重试策略**：Modbus事务失败后启用指数退避重传

6 项目总结

通过本次M-Design设计竞赛，我开发了一款功能强大的8通道高精度温度采集器。该设备不仅实现了多线程任务管理，还通过Modbus RTU协议实现了高效的数据交互。其主要优势包括：

1. **多线程任务管理**：利用FreeRTOS实现并行数据采集与处理，确保系统的实时性和稳定性。

2. **高效的数据交互**：通过Modbus RTU协议实现与上位机或云端的数据通信，支持动态配置参数。

3. **高精度的温度采集**：采用MAX31856芯片，实现高精度的温度测量。

4. **灵活的AT命令配置**：用户可以通过AT命令动态调整发送间隔、采样精度和滤波方法。

本项目展示了多线程任务管理与数据交互在物联网设备中的重要性，为未来的开发提供了宝贵的经验和参考。

7 未来展望

这是我第八次参加嵌入式相关的网上比赛活动，虽然没有去商城买东西，还是有点小遗憾，争取下次选个得意点的开发板。🤣🤣🤣未来，我们将进一步优化设备的功耗管理和通信稳定性，并探索更多通信协议（如MQTT、LoRa等）的应用，以满足不同场景的需求。同时，我们也将考虑增加更多传感器类型，实现多参数的综合监测。💕💕💕

● 第一次是RT-Thread的[【基于RT-Thread+RA6M4的智能鱼缸系统设计之鱼我所欲也】](https://club.rt-thread.org/ask/article/3edb6751a0ad28a2.html)活动，作品是2022年暑假做的获得第六名，还是比较开心！

● 第二次2023年寒假做的是[【基于MAX7800羽毛板语音控制ESP8266小车】](https://www.eetree.cn/project/detail/1309)，成绩还不错第七名，让对小车车的可玩性又近了一步！

● 第三次2023年春做的[【基于腾讯云的CH32V307开发板远程机械臂小车】](https://blog.csdn.net/vor234/article/details/129008908)，由于图床引用CSDN导致最后评审没有显示出来，最后获得安慰奖！

● 第四次2023年冬做的[【FastBond2阶段2——基于ESP32C3开发的简易IO调试设备 - 电子森林 (eetree.cn) 】](https://www.eetree.cn/project/detail/2222) ，最终获得三等奖，再接再厉哦！

● 第五次实现了[【基于LicheePi-4A的人脸识别系统软件设计】](https://vor2345.blog.csdn.net/article/details/134864483)，人脸识别系统软件设计和调试全流程，加深了对tkinter GUI设计思路，对LicheePi-4A 国产单板计算机更有信心，最终获得参与奖！

● 第六次实现了2024年寒假练 - 基于xiao ESP32S3 Sense的自动化HA鱼缸设计，探讨如何运用Seeed Xiao ESP32-S3 Cam开发板设计一款自动化、可接入Home Assistant（简称HA）的智能鱼缸系统。最终获得第一名，结实了许多朋友，视野开阔了许多。

● 第七次实现了FastBond3挑战部分-XIAO智能助手，让我关于Platformio C++编程充满期待。搭配国产通义灵码编程插件，编程效率嘎嘎上升，与此同时智能终端有更深刻认识啦！😘😘😘

建议：

希望硬禾与国内厂商多多合作定期举办嵌入式开发活动，让更加优质的国产嵌入式生态做大做强；
期待硬禾平台推出更多有质量有意义持续性的创客活动！
建议硬禾不仅开展线上活动，后期可以尝试线下活动，多多与开发者，企业，高校互动，共同探索内需外患。🤣🤣🤣

非常感谢硬禾举行活动，大家都为这个国内嵌入式生态出一份力，只要努力认真做了都会有所收获，期盼这些作品在将来某一天为构建美好未来贡献一份微博之力！

我后期会持续更新我测评的一系列国内开发板测评，并且会积极参加有质量的玄铁杯活动🛹🛹🛹每天都一点点结合实际需求联动丰富生活，从而实现对外部世界进行充分的感知，尽最大努力认识这个有机与无机的环境，科学地合理地进行创作和发挥效益，然后为人类社会发展贡献一点微薄之力。🤣🤣🤣

🥳🥳🥳再次非常感谢硬禾的相关组织者支持等等🥳🥳🥳期待这一次的成绩哟！

参考文献：

【基于ESP32-S3的4通道ADC数据采集（Modbus Poll教程）】