一、系统架构与核心组件

1.1 硬件层：STM32与WIFI模块协同

STM32作为嵌入式系统的核心，需选择具备足够外设接口（如USART、SPI）的型号（如STM32F4系列）。WIFI模块推荐使用ESP8266或ESP32，其优势在于：

• 低成本：单模块价格低于10元，适合批量部署；
• 高集成度：内置TCP/IP协议栈，简化网络通信开发；
• 低功耗：支持STA/AP双模式，待机电流低于1mA。

硬件连接需注意：

• 电源设计：WIFI模块峰值电流可达300mA，需在STM32电源引脚并联100μF+0.1μF电容滤波；
• 串口配置：设置波特率为115200，8位数据位，无校验位，1位停止位；
• 复位电路：添加RC复位电路（10kΩ电阻+10μF电容），确保模块稳定启动。

1.2 通信层：MQTT协议实现

MQTT作为轻量级发布/订阅协议，具有以下特性：

• 低带宽消耗：固定报头仅2字节，适合嵌入式设备；
• QoS分级：支持0（至多一次）、1（至少一次）、2（恰好一次）三种服务质量等级；
• 遗嘱消息：设备异常断开时可发送预设消息至服务器。

在STM32上实现MQTT需：

1. 选择客户端库：推荐Paho MQTT嵌入式C库，支持SSL加密；
2. 连接参数配置：

   MQTTClient_connectOptions conn_opts = MQTTClient_connectOptions_initializer;
   conn_opts.keepAliveInterval = 60;  // 心跳间隔60秒
   conn_opts.cleansession = 1;        // 清除会话
   conn_opts.username = "device_id";  // 认证用户名
   conn_opts.password = "token";      // 认证令牌

3. 主题设计：采用层级结构，如/project/device_id/sensor_type，便于权限控制。

二、云服务集成

2.1 云MySQL数据库配置

选择云数据库服务（如AWS RDS、阿里云RDS）时需考虑：

• 实例规格：根据数据量选择，初期建议2核4GB内存；
• 存储类型：SSD存储IOPS可达3000，适合高频写入；
• 安全组：仅开放3306端口给MQTT服务IP。

表结构设计示例：

CREATE TABLE sensor_data (
    id INT AUTO_INCREMENT PRIMARY KEY,
    device_id VARCHAR(32) NOT NULL,
    timestamp DATETIME(3) DEFAULT CURRENT_TIMESTAMP(3),
    temperature FLOAT,
    humidity FLOAT,
    INDEX idx_device (device_id),
    INDEX idx_time (timestamp)
);

2.2 MQTT到MySQL的转存方案

方案一：中间件服务

部署Node.js/Python服务监听MQTT主题，解析JSON数据后写入MySQL：

// Node.js示例
const mqtt = require('mqtt');
const mysql = require('mysql');
const client = mqtt.connect('mqtt://broker.example.com');
const db = mysql.createConnection({...});
client.on('message', (topic, message) => {
    const data = JSON.parse(message);
    db.query(
        'INSERT INTO sensor_data SET ?',
        {device_id: data.id, temperature: data.temp, ...},
        (err) => { if (err) throw err; }
    );
});

方案二：Lambda函数（无服务器架构）

配置AWS IoT Core规则引擎，直接触发Lambda函数：

import pymysql
def lambda_handler(event, context):
    conn = pymysql.connect(...)
    with conn.cursor() as cursor:
        sql = "INSERT INTO sensor_data VALUES (%s,%s,%s,%s)"
        cursor.execute(sql, (event['id'], event['timestamp'], ...))
    conn.commit()

三、性能优化与安全实践

3.1 数据上报优化

• 批量写入：STM32端缓存10条数据后统一发送，减少网络开销；
• 压缩传输：使用LZ4算法压缩JSON数据，压缩率可达60%；
• 断点续传：在FLASH中存储未确认数据，MQTT QoS=1时重发。

3.2 安全加固

• 设备认证：采用JWT令牌，有效期设为24小时；
• 数据加密：TLS 1.2加密MQTT通信，禁用SSLv3；
• SQL注入防护：使用参数化查询，禁止直接拼接SQL语句；
• 访问控制：MySQL用户仅授予INSERT权限，限制IP访问。

四、调试与故障排查

4.1 常见问题

1. MQTT连接失败：

   • 检查WIFI信号强度（RSSI>-70dBm）；
   • 验证Broker地址和端口是否正确；
   • 查看设备时间是否同步（TLS证书验证需要）。

2. MySQL写入延迟：

   • 检查慢查询日志（slow_query_log=ON）；
   • 优化索引，避免全表扫描；
   • 考虑分库分表（按设备ID哈希分片）。

4.2 监控体系

• 设备端：STM32通过看门狗定时器检测主程序卡死；
• 服务端：CloudWatch监控MQTT消息积压量，设置阈值告警；
• 数据库：Prometheus监控连接数、QPS、慢查询。

五、扩展应用场景

1. 工业物联网：连接PLC设备，上报振动、温度等参数，实现预测性维护；
2. 智慧农业：部署土壤湿度传感器，自动触发灌溉系统；
3. 能源管理：监控光伏逆变器输出，优化发电效率。

本方案通过STM32+WIFI实现低成本设备联网，MQTT保障通信可靠性，云MySQL提供弹性存储，形成完整的IoT数据链路。实际部署时建议先在小范围测试，逐步扩大规模，同时关注云服务商的SLA指标（如MySQL实例可用性≥99.95%）。对于超大规模部署，可考虑引入Kafka作为消息队列缓冲，避免数据库写入瓶颈。