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摘要

针对传统时钟存在时间精度易漂移、手动校准繁琐、无授权访问风险等问题，设计并实现了一款基于 STM32 微控制器的网络授权时钟系统。该系统以 STM32F103ZET6 为核心，集成网络通信模块、实时时钟（RTC）模块、显示模块及授权验证模块，通过网络获取 NTP（网络时间协议）精准时间实现自动校时，同时基于用户身份授权机制限制时钟系统的配置访问权限。测试结果表明，该系统时间误差≤1s/24h，授权验证响应时间≤200ms，具备高精度、自动化、高安全性的特点，可广泛应用于办公、工业控制等对时间精度和访问权限有要求的场景。

关键词：STM32；网络授权；NTP 协议；实时时钟；授权验证

一、引言

时间同步是工业控制、智能楼宇、办公自动化等领域的基础需求，传统时钟多采用晶振驱动的 RTC 模块，受温度、电压等环境因素影响，易出现时间漂移，需定期手动校准，维护成本高。同时，部分场景下时钟系统的配置功能（如校时、时区设置）需限制访问权限，传统时钟缺乏有效的授权机制，存在误操作或恶意篡改风险。

随着物联网技术的发展，基于网络的时间同步技术日趋成熟，NTP 协议可实现跨网络的高精度时间同步，精度可达毫秒级甚至微秒级。STM32 系列微控制器凭借高性价比、丰富的外设接口和强大的处理能力，成为嵌入式系统开发的主流选择。因此，结合 STM32 的硬件优势与 NTP 协议的时间同步优势，设计一款具备网络授权功能的时钟系统，既能解决传统时钟的时间精度问题，又能通过授权机制保障系统安全性，具有重要的实际应用价值。

本文围绕 STM32 网络授权时钟系统展开研究，从系统总体设计、硬件电路设计、软件程序开发、系统测试四个方面详细阐述系统实现过程，最终完成一款高精度、可授权、易扩展的网络时钟系统。

二、系统总体设计

2.1 设计目标

本系统需满足以下核心目标：

1. 时间精度：通过 NTP 协议从网络获取标准时间，24 小时时间误差不超过 1 秒；
2. 授权功能：支持用户账号密码验证，仅授权用户可修改时钟配置（时区、校时周期等）；
3. 显示功能：清晰显示年、月、日、时、分、秒及授权状态；
4. 稳定性：支持断网后依靠本地 RTC 模块持续运行，联网后自动校准；
5. 扩展性：预留串口、I2C 等接口，支持后续功能扩展（如温湿度显示、报警输出）。

2.2 系统架构

系统采用分层设计，分为硬件层、驱动层、应用层三个层次，整体架构如图 1 所示（注：论文中可补充架构图，文字描述如下）：

• 硬件层：以 STM32F103ZET6 为主控核心，包含网络通信模块（ESP8266）、RTC 模块（DS3231）、显示模块（OLED）、按键模块、电源模块及存储模块（Flash）；
• 驱动层：实现各硬件模块的底层驱动，包括 GPIO、UART、I2C、SPI、RTC 等外设驱动，以及 ESP8266 的网络驱动；
• 应用层：包含 NTP 时间同步、授权验证、时钟显示、配置管理四大功能模块，实现核心业务逻辑。

系统工作流程：上电后，STM32 初始化各硬件模块，ESP8266 连接指定 WiFi 网络，向 NTP 服务器发送时间请求，获取标准时间后更新本地 DS3231 模块；OLED 模块实时显示当前时间；当用户按下配置按键时，系统进入授权验证流程，验证通过后可修改时区、校时周期等参数，参数存储至 Flash 中；断网时，系统依靠 DS3231 的高精度晶振维持时间运行，联网后自动重新同步时间。

三、硬件电路设计

3.1 主控模块

选用 STM32F103ZET6 作为核心控制器，该芯片基于 ARM Cortex-M3 内核，主频 72MHz，具备 512KB Flash、64KB SRAM，外设资源丰富，包含多个 UART、I2C、SPI 接口，满足系统对网络通信、RTC 交互、显示驱动的需求。主控模块需设计电源电路、复位电路、晶振电路，晶振选用 8MHz 外部晶振，配合内部倍频电路实现 72MHz 主频。

3.2 网络通信模块

采用 ESP8266-01S 无线 WiFi 模块实现网络通信，该模块体积小、成本低，支持 TCP/IP 协议栈，可通过 AT 指令与 STM32 进行 UART 通信。ESP8266 的 TX/RX 引脚分别与 STM32 的 USART1_RX/USART1_TX 引脚连接，同时设计电平转换电路（ESP8266 为 3.3V 电平，STM32 为 5V 电平），避免电平不匹配导致模块损坏。ESP8266 的 VCC 引脚接 3.3V 电源，CH_PD 引脚接上拉电阻，保证模块正常启动。

3.3 实时时钟模块

选用 DS3231 高精度 RTC 模块，该模块内置温度补偿电路，时间精度可达 ±2ppm（0℃~40℃），24 小时误差不超过 1 秒，满足系统高精度时间要求。DS3231 通过 I2C 接口与 STM32 的 I2C1 引脚（PB6/SCL、PB7/SDA）连接，模块自带备用电池，断电后可持续运行，保证时间不丢失。

3.4 显示模块

采用 0.96 英寸 I2C 接口 OLED 显示屏，分辨率 128×64，功耗低、响应快，无需占用过多 GPIO 引脚。OLED 的 SCL/SDA 引脚与 STM32 的 I2C2 引脚（PB10/SCL、PB11/SDA）连接，可实时显示时间、授权状态、网络连接状态等信息。

3.5 授权输入与存储模块

授权输入采用 4×4 矩阵按键，实现账号、密码的输入及确认、取消操作，按键矩阵通过 GPIO 引脚与 STM32 连接，采用中断方式检测按键输入，提高响应速度。存储模块选用 W25Q64 Flash 芯片，通过 SPI 接口与 STM32 连接，用于存储授权用户的账号密码、时区配置、校时周期等参数，保证掉电后数据不丢失。

3.6 电源模块

系统采用 5V USB 供电，通过 AMS1117-3.3V 稳压芯片将 5V 转换为 3.3V，为 ESP8266、DS3231、OLED 等 3.3V 器件供电；STM32 的 VDD 引脚接 5V 电源，核心电压由内部稳压器提供。电源模块设计滤波电容，降低电压纹波，提高系统稳定性。

四、软件程序开发

4.1 开发环境与工具

软件开发基于 Keil MDK-ARM V5 开发环境，编译器选用 ARMCC，调试工具采用 J-Link 仿真器。代码编写采用 C 语言，遵循模块化设计思想，将不同功能封装为独立函数，提高代码可读性和可维护性。

4.2 底层驱动开发

4.2.1 GPIO 驱动

配置 GPIO 引脚为输入 / 输出模式，矩阵按键引脚配置为上拉输入模式，OLED、DS3231、ESP8266 的控制引脚配置为推挽输出模式，中断优先级设置为中等，避免与系统核心中断冲突。

4.2.2 UART 驱动

配置 USART1 为异步通信模式，波特率 115200，8 位数据位，1 位停止位，无校验位，用于与 ESP8266 通信。编写 UART 发送 / 接收函数，采用中断方式接收 ESP8266 的 AT 指令响应数据，避免阻塞主程序。

4.2.3 I2C 驱动

实现 I2C 总线的起始、停止、应答、数据收发等底层函数，基于该驱动开发 DS3231 和 OLED 的操作接口，如 DS3231 的时间读取 / 写入函数、OLED 的显示缓存刷新函数。

4.2.4 RTC 驱动

封装 DS3231 的操作接口，包括读取当前时间（年、月、日、时、分、秒）、设置时间、读取温度等函数。系统上电后，首先读取 DS3231 的时间，若网络未连接，则显示本地 RTC 时间；网络连接成功后，用 NTP 时间更新 DS3231。

4.3 网络时间同步实现

4.3.1 NTP 协议原理

NTP 协议基于 UDP/IP 协议，使用 123 端口进行时间传输，通过客户端向 NTP 服务器发送时间请求包，服务器返回包含标准时间的响应包，客户端根据数据包的传输延迟计算出本地时间与标准时间的差值，从而校准本地时间。NTP 时间戳采用 64 位格式，其中前 32 位为秒数，后 32 位为小数秒数，精度可达纳秒级。

4.3.2 ESP8266 网络配置

STM32 通过 AT 指令配置 ESP8266 连接指定 WiFi 网络，步骤如下：

1. 发送 AT+RST 重启模块，确认模块响应 OK；
2. 发送 AT+CWMODE=1 设置模块为 Station 模式；
3. 发送 AT+CWJAP="WiFi 名称","WiFi 密码" 连接 WiFi；
4. 发送 AT+CIPSTART="UDP","ntp.aliyun.com",123 建立 UDP 连接，选用阿里云 NTP 服务器（ntp.aliyun.com）保证时间准确性。

4.3.3 NTP 时间解析

STM32 向 NTP 服务器发送 NTP 请求数据包，数据包格式遵循 RFC1305 标准，包含 LI（闰秒指示）、VN（版本号）、Mode（模式）等字段。服务器返回响应数据包后，STM32 解析数据包中的时间戳字段，将 64 位 NTP 时间戳转换为北京时间（NTP 时间以 1900 年 1 月 1 日为起点，需转换为 1970 年 1 月 1 日的 Unix 时间戳，再加上 8 小时时区偏移）。解析完成后，将时间写入 DS3231 模块，完成时间同步。

4.4 授权验证功能实现

4.4.1 授权流程设计

授权验证流程如下：

1. 用户按下配置按键，系统进入授权模式，OLED 显示 “请输入账号”；
2. 用户通过矩阵按键输入账号，按下确认键后，系统显示 “请输入密码”；
3. 用户输入密码并确认，系统将输入的账号密码与 Flash 中存储的授权信息对比；
4. 验证通过：OLED 显示 “授权成功”，进入配置界面，可修改时区、校时周期等参数；
5. 验证失败：OLED 显示 “授权失败”，返回时钟显示界面，连续 3 次验证失败则锁定 5 分钟。

4.4.2 数据存储与加密

为提高安全性，授权账号密码采用简单的异或加密算法存储至 Flash 中，避免明文存储导致的泄露风险。加密密钥存储在 STM32 的 Flash 指定地址，读取时先解密再对比。配置参数（时区、校时周期）以结构体形式存储，每次修改后更新 Flash 数据，上电后自动读取配置参数。

4.5 主程序流程

主程序初始化完成后，进入无限循环，核心流程如下：

1. 检测网络连接状态，若未连接则尝试重新连接 WiFi；
2. 若网络连接成功，按设定的校时周期（默认 1 小时）向 NTP 服务器请求时间，同步本地 RTC；
3. 读取 DS3231 的当前时间，转换为北京时间后显示在 OLED 上；
4. 检测按键中断，若有配置按键按下，则进入授权验证流程；
5. 授权验证通过后，处理用户的配置指令，更新 Flash 中的参数；
6. 检测系统异常（如网络超时、RTC 读取失败），在 OLED 上显示错误信息。

五、系统测试与分析

5.1 测试环境

测试环境搭建如下：

• 硬件：STM32F103ZET6 开发板、ESP8266-01S 模块、DS3231 模块、0.96 英寸 OLED、4×4 矩阵按键、5V USB 电源；
• 软件：Keil MDK-ARM V5、串口调试助手、网络抓包工具 Wireshark；
• 网络环境：家用 WiFi 网络，带宽 100Mbps，可访问公网 NTP 服务器。

5.2 功能测试

5.2.1 时间同步测试

测试步骤：

1. 系统上电，连接 WiFi 网络，记录 NTP 同步后的初始时间；
2. 连续运行 24 小时，每隔 1 小时记录系统显示时间与标准北京时间（手机网络时间）的差值；
3. 断开网络，继续运行 24 小时，记录时间漂移情况。

测试结果：联网状态下，24 小时时间误差≤1 秒；断网状态下，依靠 DS3231 运行 24 小时，时间误差≤2 秒，满足设计目标。

5.2.2 授权验证测试

测试步骤：

1. 预设授权账号为 “admin”，密码为 “123456”；
2. 输入正确账号密码，验证响应时间≤200ms，成功进入配置界面；
3. 输入错误账号或密码，系统提示 “授权失败”；
4. 连续 3 次输入错误密码，系统锁定 5 分钟，期间无法进入配置界面。

测试结果：授权验证功能正常，响应速度快，安全机制有效。

5.2.3 显示与配置测试

测试步骤：

1. 检查 OLED 显示内容，确认年、月、日、时、分、秒、网络状态、授权状态清晰可辨；
2. 授权成功后，修改时区为东 9 区，系统时间自动加 1 小时；
3. 修改校时周期为 2 小时，系统每 2 小时自动同步一次 NTP 时间。

测试结果：显示功能正常，配置参数修改后立即生效，参数掉电不丢失。

5.3 性能分析

系统整体功耗≤50mA（5V 供电），满足低功耗设计要求；网络同步响应时间≤500ms，授权验证响应时间≤200ms，运行过程中无死机、卡顿现象，稳定性良好。针对不同应用场景，可通过修改 Flash 中的校时周期、NTP 服务器地址等参数，适配不同的使用需求。

六、系统优化与扩展

6.1 现有问题分析

本系统仍存在以下待优化点：

1. 授权机制仅支持单一账号密码，无分级授权功能；
2. NTP 同步仅支持 UDP 协议，未实现双向时间校准；
3. 显示界面较为简单，无触摸交互功能。

6.2 优化方向

1. 增加分级授权功能，设置管理员、普通用户等不同权限等级，不同用户可修改的配置项不同；
2. 优化 NTP 同步算法，考虑网络延迟的动态补偿，进一步提高时间精度；
3. 替换为触摸屏显示模块，提升人机交互体验。

6.3 功能扩展

1. 增加温湿度传感器（DHT11），在显示时间的同时显示环境温湿度；
2. 增加蜂鸣器报警模块，当时间到达预设提醒时间时发出报警；
3. 增加 MQTT 通信功能，接入物联网平台，实现远程监控和配置。

七、结论

本文设计的基于 STM32 的网络授权时钟系统，以 STM32F103ZET6 为核心，结合 ESP8266 的网络通信能力、DS3231 的高精度计时能力和授权验证机制，解决了传统时钟时间精度低、无安全授权的问题。测试结果表明，该系统时间同步精度高、授权机制安全可靠、运行稳定，具备良好的实用性和扩展性。

该系统可广泛应用于办公场所、工业控制室、学校等对时间精度和访问权限有要求的场景，也可为嵌入式网络时间同步系统的设计提供参考。后续可进一步优化授权机制和时间同步算法，增加更多智能化功能，提升系统的综合性能。

参考文献

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