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ParisRainIoT 物联网方向

执行路径（长期）：从现在到大三暑期实习

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执行路径（长期版）

这份文档是你从现在到“大三暑期实习投递前”的长期执行路线：用 P0 → P1 两个闭环项目把基础能力“逼出来”，并用 周 / 月 / 学期 Gate 把进度变成可审核的工程产出。

如果你只想看 IoT 技能地图与主线方向：看 学习路径。
如果你想知道“这一学期每周做什么、怎么验收、不过关怎么回炉”：看本页。

相关规范页（建议一起打开，避免“写着写着跑偏”）：

快速开始（如果你现在很混乱）

你现在不需要“继续读”，你只需要做完一个最小 Gate：

  • 打开本页的「阶段总览」只看“现在→寒假前（1–2 周）”那一行
  • 本周只做：环境/仓库/最小链路跑通（串口可读写 + 最小 docker compose 起 broker）
  • 只有当你遇到具体卡点，才回到上面的专题页查对应一页

0）使用方法（先看，避免跑偏）

  • 边学边做：学习只为解决当周 Gate 的卡点，禁止“先把课刷完再开工”。
  • 一周只追 1 个 Gate：能演示、能脚本验收、能写进周报。
  • 不过关不进下一周：Fail 周只做“补测 + 排错 + 稳定化”，不加新功能。
  • 证据驱动：每周必须留下可点击的证据：scripts/ 通过、日志、截图/录屏、commit。
  • 主线优先：TLS/OTA/边缘 AI 放进 Backlog；ROS2/导航按门槛进入（先把 P0 v1.0 稳定做出来，再系统化接 ROS2）。

1）你的画像（作为约束）

  • 年级/专业：大二，物联网工程（大二上快结束）
  • 基础：C 很弱（会指针），工程化缺失；Python 0 基础
  • 时间：每周可投入约 30–35h；英语固定约 4h/周（CET-4 计划 2026 上半年）；外卖小程序副项目约 4h/周（时间盒）
  • 设备：NUCLEO-F411RE、普中 STM32F103ZET6 玄武（CMSIS-DAP 已可在线调试）、macOS
  • 计划采购：Raspberry Pi 5（预算约 2000 RMB，愿意焊接）
  • 目标：大三暑期实习 → 大四工作；国内 + 海外（欧洲/北美）同步准备；不读研
  • 兴趣：机器人/边缘计算 > IoT 后端 > 嵌入式（希望后续加入 ROS2/导航，但以“更容易拿实习”优先）

2）主线选择（最稳且可迁移到机器人）

你想做“机器人/边缘计算”，但现在最缺的是工程落地能力。最稳的路线不是三选一，而是：

边缘/IoT 系统工程路线：MCU + Linux 网关 + MQTT + 后端 + DB + 可观测 + 可复现部署

为什么这条对你最划算：

  • 岗位覆盖广：嵌入式、IoT 平台/边缘网关、IoT 后端、机器人系统/平台岗都能投。
  • 作品集迁移强：同一套“遥测/命令/ACK/可观测/部署”天然能升级成小车/机器人。
  • 补短板效率高：它会强迫你把 C、调试、协议、Linux、后端、DB 都学到“能交付”。

3）主线架构（P0→P1 一年内尽量不改）

STM32(F411 主板) ─ UART/USB CDC ─> Mac / Raspberry Pi 网关(Python)
    |                                 |
    | telemetry / cmd / ack           | MQTT pub/sub
    v                                 v
                     MQTT Broker (Mosquitto)
                                |
                                v
                      Backend (FastAPI)
                                |
                                v
                           DB (Postgres)
                                |
                                v
                 Query / Curve / Command API
  • 上行：设备 →（串口协议）→ 网关 → MQTT → 后端入库 → 查询/曲线
  • 下行闭环：API 下发命令 → MQTT → 网关 → 设备执行 → ACK → 后端更新 → API 可查

小车/机器人（P1）只是把“设备侧”换成电机/编码器/IMU，把“命令”换成速度/转向而已。

4）阶段总览（寒假 + 大二下 + 暑假 + 大三上）

阶段目标（能演示）交付物（落到 repo）Gate 验收（必须过）
现在→寒假前（1–2 周）环境/仓库/最小链路跑通统一 repo、目录结构、串口读写脚本、最小 docker compose新电脑可复现：串口可读写；docker compose up 可起 broker
寒假（6 周，默认中高强度）P0 v0.9：闭环全打通MCU 协议 + 网关 + broker + 后端 + DB + 3 脚本 + 英文 README 草稿上报/入库/查询/下发/ACK 全通；一键启动；脚本全 PASS
大二下（16 周）P0 v1.0：稳定、可复现、可面试讲可靠性、可观测、测试、（可选）Pi 常驻部署24h 稳定跑；故障可定位；README/架构/接口齐全
暑假（6–8 周，可选强度）P1 v0.7：小车云控+遥测闭环PWM 电机 + 编码器（速度闭环）+（可选）IMU + 复用 P0 命令/ACK云端下发速度/转向→执行→ACK；遥测可视化
大三上（16 周）作品集定型 + 面试准备P0 v1.2、P1 v1.0、英文材料、算法基本盘5 分钟讲清架构/权衡/排障；可现场演示与复现

4.1 版本路线（按版本交付，而不是按学科刷课）

你会发现：按“版本号”推进，比按“学科”推进更稳、更不焦虑。下面是推荐的版本节奏（可根据实际压缩/拉长）：

  • P0 v0.1：串口 telemetry + 本地解析（不碰 MQTT）
    • DoD：能抓原始串口流；能稳定运行 ≥ 30min；有最小 README
  • P0 v0.3：协议 v1（CRC/ring buffer/parser）+ CMD/ACK（串口闭环）
    • DoD：cmd_id 幂等去重；串口 1000 次命令成功率 ≥ 99%
  • P0 v0.5：网关 + MQTT 上行
    • DoD：telemetry 稳定上报 ≥ 1h；断网能重连（有日志）
  • P0 v0.7：后端 + DB 入库 + 查询 API
    • DoD：docker compose up -d 一键启动；能查历史数据
  • P0 v0.9：下行命令 API + 全链路 ACK 回执
    • DoD：API 下发→设备执行→ACK 入库可查；端到端成功率 ≥ 95%
  • P0 v1.0：工程化定型
    • DoD：3 类测试（单测/合同/E2E）最小闭环 + 故障注入 runbook + 24h 稳定跑 + 英文 README + demo 视频
  • P1 v0.4：小车能云端遥控（含安全占位：急停/超时刹车/限速）
  • P1 v0.7：编码器速度闭环（PID）+ 遥测可视化
  • P1 v1.0：安全约束定型 + demo + 英文文档（见 P1_SPEC_v0）

版本规格“钉死”在 P0_SPEC_v1，测试体系在 测试体系，投递材料在 作品集材料包。

5）审核评估体系（周 / 月 / 学期）

5.0 硬指标仪表盘（让你知道自己是否真的变强）

每月更新一次（写到 docs/reviews/YYYY-MM.md 一页表格即可）：

  • 稳定性：连续运行时长（目标：1h → 8h → 24h → 48h）
  • 可靠性：命令成功率（目标：≥95% → ≥98% → ≥99%）
  • 可观测：平均定位时间（目标：5min → 2min → 1min）
  • 可复现：新机器复现耗时（目标：30min → 15min → 10min）
  • 测试：单测数量/合同测试是否存在/E2E 是否一键跑通（目标：从“有/无”开始）

5.1 周 Gate（Pass/Fail）

Pass 必须同时满足：

  1. 本周 Gate 可演示（可录屏）
  2. 本周关键脚本/用例全通过（至少 1 个脚本或 1 个可复现步骤）
  3. 至少 5 次有效 commit（不是只改文案）

Fail 处理：

  • 下周不加新功能，只做：补测、排错、稳定化、复盘文档（写清 root cause）

5.2 月度 Rubric（0–30 分，≥18 才达标）

每月月底写到 docs/reviews/YYYY-MM.md：

  • 工程质量（0–5）：目录结构、模块边界、命名、可维护性
  • 可靠性（0–5）：超时重试、ACK 去重、边界条件处理
  • 可观测（0–5）：日志分级、关键链路可定位（device_id/cmd_id/seq）
  • 可复现（0–5）：一键启动、脚本齐、环境说明完整
  • 文档（0–5）：中英 README、架构图、接口文档、运行截图/视频
  • 面试表达（0–5）：能讲清“为什么这么设计/踩坑怎么修/指标是多少”

5.3 学期审核（必须产出“可投递版本”）

每学期末至少交付：

  • 一个 Release Tag（例如 v1.0 / v1.1）
  • 一段 demo 视频（2–4 分钟）
  • 英文 README（Quickstart + Architecture + API + Troubleshooting）
  • 最少 3 个验收脚本：串口 / MQTT 往返 / API

6）详细计划（按阶段拆）

你不需要“每天表格化”，你只需要每周把 Gate 做出来。
考试周/忙碌周：把目标砍半，但顺序不乱，且保持不断档（算法/英语各 1 次）。

阶段 A：现在→寒假前（1–2 周）

目标：把启动阻力降到最低。

  • Gate A（必须过）
    • NUCLEO-F411RE 能稳定串口输出
    • docker compose 能起 broker（先只起 Mosquitto 即可）
    • scripts/serial_read.py 能读写串口（后续一切都靠它）
  • 视频/资源（停止点）
    • Missing Semester：Lecture 1（Shell）+ Lecture 6（Git）
    • STM32：只看“CubeIDE 新建工程 + printf 重定向到 UART”的内容，能跑起来就停

阶段 B：寒假 6 周（P0 v0.9：闭环打通）

你不追“速通”，但寒假是最适合把 P0 一次打穿的窗口：做完会极大降低大二下的焦虑。

Week 1（Gate）：固件最小工程 + Mock Telemetry

  • 交付
    • F411 工程能断点调试；每秒输出一条 telemetry（先用 mock 数据，别等传感器到货）
    • scripts/serial_capture.py 保存原始串口流（后续排错证据）
  • 验收
    • 连续运行 30 分钟不死机；日志/输出格式稳定

Week 2（Gate）：二进制协议 v1 + CRC16 + RingBuffer + CMD/ACK

  • 交付
    • 协议建议字段：SOF + VER + TYPE + telemetry_seq/cmd_id + LEN + PAYLOAD + CRC16
    • UART RX 中断 + ring buffer + parser 状态机
    • scripts/test_serial_protocol.py：1000 次命令/ACK 成功率 ≥ 99%
  • 验收
    • CRC 错误接近 0；出现错帧能自动 resync；ACK 能对齐 cmd_id

Week 3（Gate）：I2C 传感器（BME280 优先）+ Telemetry 上报

  • 交付
    • I2C 扫描 + 读取传感器（温湿压）→ 封包上报
    • 没传感器时保留 mock 模式（开关可配）
  • 验收
    • 30 分钟稳定读取；异常可重试并记录错误计数

Week 4（Gate）：网关（Python）+ MQTT 上行通

  • 交付
    • gateway/：串口读帧 → JSON → MQTT publish
    • scripts/test_mqtt_roundtrip.py：验证 telemetry 频率与字段齐全
  • 验收
    • MQTT 连续 1 小时不掉线；掉线能自动重连并记录

Week 5（Gate）：后端 + DB 入库 + 查询 API

  • 交付
    • FastAPI 订阅 telemetry 入库 Postgres
    • API：/health、/devices、/devices/{id}/telemetry?from=&to=
    • scripts/test_api.py（smoke test）
  • 验收
    • docker compose up -d 后 2 分钟系统可用；能查到历史数据

Week 6（Gate）：下行命令闭环 + ACK 回执 + 作品集最小成型

  • 交付
    • API 下发命令 → MQTT → 网关 → 串口 → MCU 执行 → ACK 回 MQTT → 后端更新
    • 3 个脚本齐全（串口/MQTT/API）
    • 英文 README 草稿 + 2–4 分钟 demo（粗糙版也行）
  • 验收
    • 命令闭环成功率 ≥ 95%（至少 20 次）
    • 新电脑照 README 能跑起来

阶段 C：大二下（16 周，P0 v1.0 工程化）

总目标：把 P0 从“能跑”升级到“稳定、可复现、可面试讲”。

Month 1：可靠性与协议鲁棒（大二下第 1 个月）

  • 月目标：把“偶发问题”变成“可复现、可定位、可修复”的工程问题。
  • Week 1 Gate：串口掉线/拔插可恢复
    • 交付：网关支持 USB 拔插后自动重连；设备端/网关都有“离线→重连→恢复”的日志
    • 验收：人为拔插 10 次，成功恢复 ≥ 9 次（失败必须写复盘）
  • Week 2 Gate：MQTT 断网可恢复
    • 交付：网关/后端断网后能自动重连；重连过程可观测（重试次数、退避时间）
    • 验收：断网 60 秒再恢复，系统能恢复 telemetry 入库
  • Week 3 Gate：协议鲁棒（坏帧不崩、可 resync）
    • 交付：CRC 错误/长度错误/未知 TYPE 都能被丢弃并计数；parser 能 resync 到下一个 SOF
    • 验收：用脚本注入 1% 坏帧，系统不崩溃且能持续产出有效数据
  • Week 4 Gate：测试与一键验收雏形
    • 交付：make test（或 ./scripts/run_tests.sh）能串起来跑 3 个脚本
    • 验收：新电脑按 README 跑 docker compose up + make test 能通过（允许你手动填串口端口）

Month 2：数据与查询（大二下第 2 个月）

  • 月目标：让平台能力“可展示、可讲述”——数据链路、查询、曲线。
  • Week 1 Gate：DB 索引 + 查询性能
    • 交付：对 telemetry(device_id, ts) 建索引；写一个简单 benchmark（例如查询最近 1h/24h）
    • 验收：同样数据量下，查询耗时明显下降（把数字写进 docs/reviews/）
  • Week 2 Gate：最小曲线展示（别陷入前端）
    • 交付：实现一个最小曲线（可以是后端返回 JSON + 前端画，或返回 PNG）
    • 验收：能看到温湿压趋势；曲线时间轴正确
  • Week 3 Gate：命令状态机完善
    • 交付：命令状态从 CREATED→SENT→ACKED/TIMEOUT/FAILED；ACK 关联 cmd_id 可追踪
    • 验收：制造超时/失败时，状态能正确落库；API 可查询到原因
  • Week 4 Gate：写一页“架构与取舍”（中英至少其一）
    • 交付：docs/architecture.md + docs/topic-spec.md + docs/serial-protocol.md
    • 验收：你能用 3 分钟讲清：为何 MQTT、QoS 如何选、为何需要 ACK/去重、如何排障

Month 3：Linux 部署（大二下第 3 个月，建议此时买 Pi5 或用虚拟机）

  • 月目标：把“能跑”升级为“能常驻、能部署、能维护”。
  • Week 1 Gate：网关在 Linux 常驻运行
    • 交付：systemd service（或 tmux 脚本）+ 一页部署说明
    • 验收：重启机器后网关自动拉起；日志可用 journalctl 或文件查看
  • Week 2 Gate：Linux 上一键启动全栈
    • 交付：Pi/虚拟机上 docker compose up -d 启动 broker/backend/db
    • 验收：断电重启后 10 分钟内能恢复到“可用状态”
  • Week 3 Gate：日志与故障定位（Runbook）
    • 交付：写 docs/runbook.md：常见故障（串口断开、broker 重启、DB 不可用）怎么定位
    • 验收：自己随机制造 3 次故障，按 runbook 5 分钟内定位到层级
  • Week 4 Gate：发布一个“部署版 Demo”
    • 交付：录一段 1–2 分钟视频：Pi 上跑网关 + 云端查询/命令
    • 验收：陌生人照 README 能复现（你可以让同学照做）

Month 4：作品集定型 + 四级冲刺（大二下第 4 个月）

  • 月目标：P0 v1.0 可投递、能演示、能面试讲。
  • Week 1 Gate：v1.0 release + changelog
  • Week 2 Gate：英文 README 完整（Quickstart/Architecture/API/Troubleshooting）
  • Week 3 Gate：中英讲解稿（5 分钟版）+ 常见问答（QoS、重试、幂等、排障）
  • Week 4 Gate：四级冲刺（如果你计划 6 月参加）
    • 交付：至少 2 套真题复盘（错因分类）+ 用英文讲 P0 2 分钟录音

大二下每周时间分配（建议）

  • P0 主线工程：14–18h
  • 外卖小程序（副项目）：4h（时间盒；不许挤占主线）
  • 算法：4–6h（保持不断档即可）
  • OS/计网：3–4h（用“面试卡片”驱动）
  • 英语：4h（四级为主；用项目 README/讲解驱动）

阶段 D：暑假（6–8 周，P1 小车，复用 P0）

规则：P1 不推翻 P0，只复用“命令/遥测/ACK/云端观测”。
没硬件先做仿真/桌面 demo：只要接口与链路先跑通。

  • 维持版（时间被实习/比赛挤占时）
    • 目标：云端遥控（速度/转向）+ ACK + 遥测（速度/电压）
    • Gate 建议：先让 P0 的“命令/ACK”直接控制电机 PWM（哪怕很粗糙）
  • 冲刺版（时间充足）
    • 目标：编码器速度闭环（PID）+（可选）IMU 融合 + 轨迹/状态可视化
    • 8 周建议拆法
      • Week 1：电机驱动与安全（急停/限幅/过流保护至少占位）
      • Week 2：云端命令接入（SET_VEL/SET_MODE）+ ACK
      • Week 3：编码器接入 + 速度测量
      • Week 4：速度 PID（可量化误差）
      • Week 5：遥测完善（电池电压/电机 PWM/错误码）
      • Week 6：IMU（可选）：只做“数据稳定上报”，滤波与姿态估计可以后移
      • Week 7：demo 打磨（网页/曲线/遥控）
      • Week 8：P1 英文 README + 故障复盘

阶段 E：大三上（16 周，作品集抛光 + 面试）

你想碰 ROS2/室内导航：建议在大三上先做“仿真优先”的加分线（不要求真车导航硬件）。
前提：P0 至少 v1.0（长跑 + 故障注入过关），P1 至少 v0.7（速度闭环与遥测稳定）。

  • Month 1：工程化重构（配置、脚本、文档统一）
    • Gate：一键启动/一键测试/一键录 demo（脚本化）
    • 加分线（ROS2 轻触）：把 P1 的“控制/遥测”做成 ROS2 基础 node（先在 PC 上跑，先不碰导航）
  • Month 2：可观测与稳定（48h 长跑 + 故障注入 + runbook）
    • Gate：写一份“稳定性报告”（掉线次数、重连耗时、失败原因 Top3）
    • 加分线（ROS2 系统化）：做一个 ROS2 bridge（把 cmd_vel 映射到你的 SET_VEL，把遥测映射成 odom/diagnostics）
  • Month 3：面试基本盘（算法 + 项目叙述 + 英文表达）
    • 算法目标：保持不断档（建议每周 8 题左右，优先常见数据结构与模板题）
    • 英文目标：每周 2 次 2–4 分钟项目讲解录音（听回放→改）
    • 加分线（导航仿真）：Nav2/SLAM 先在仿真跑通（Gazebo/Isaac 任选其一，优先“跑通配置与数据流”）
  • Month 4：投递前定版（P0 v1.2 + P1 v1.0 + 作品集目录整理）
    • Gate：整理“作品集审计清单”（README、docs、scripts、demo、release）
    • 加分线（导航展示）：录一段 1–2 分钟“仿真导航 demo”（能讲清 data flow 与故障定位点）

7）视频/课程清单（主选 + 备选 + 停止点）

原则：每个主题最多两套；如果你找不到完全一致的版本，用“搜索关键词 + 选片标准”替代。

7.1 工具链 / Shell / Git / 调试

  • 主选：MIT The Missing Semester
    • 停止点：Lecture 1、2、5、6、7、8
  • 备选：Learn Git Branching（网页交互）

7.2 C 与内存（只学够用）

  • 主选：CS50 C 与 Memory（只做 Week 1 + Week 4）
  • 备选（中文）：翁恺 C 语言（停止点：能独立写 ring buffer + parser 状态机 + 错误处理）

7.3 STM32CubeIDE + HAL（F411 优先）

  • 主选（搜索）：Controllerstech STM32CubeIDE F411 UART interrupt / I2C scan / PWM timer
    • 停止点：能完成 UART RX 中断+ringbuffer、I2C 读传感器、Timer/PWM
  • 备选：任何“NUCLEO-F411RE + CubeIDE + HAL”系列
    • 选片标准：视频标题明确包含 UART Interrupt、I2C、Timer/PWM、Debug

7.4 Python（只为网关/脚本服务）

  • 主选：CS50 Python 周（只看 lecture，做 2 个小脚本：串口读写、MQTT 收发）
  • 备选：Automate the Boring Stuff（停止点：变量/控制流/函数/数据结构/文件/异常）

7.5 MQTT

  • 主选：HiveMQ MQTT Essentials（看完概念 + QoS + retained + LWT）
    • 停止点：你能解释 QoS0/1、retain、LWT，并能设计 topic
  • 备选：按卡点搜索 MQTT QoS retained LWT（单条 10–20 分钟，讲清楚就停）

7.6 FastAPI / DB / Docker

  • FastAPI 主选：freeCodeCamp FastAPI Crash Course
    • 停止点：能写 CRUD + 参数校验 + 错误处理，能把数据入库/查询跑通
  • SQL 主选：SQLBolt（停止点：Lesson 1–6 + 13–18）
  • Docker 主选：Docker Compose in 12 Minutes（看完立刻写你自己的 compose）

7.7 OS / 计网 / 算法 / 英语（低量不断档）

  • OS：以“面试卡片”为导向（进程/线程/锁/内存/IO/死锁），每周 1 次复述 + 写一页卡片
  • 计网主选：Practical Networking / Hussein Nasser（挑 TCP/UDP/DNS/HTTP）
    • 停止点：能结合你的 P0 讲清“端口/TCP 超时重传/DNS/HTTP”
  • 算法主选：NeetCode Roadmap（先 Arrays/Hashing、Two Pointers、Stack/Queue、Heap）
    • 停止点：保持不断档即可（大三上再系统补齐）
  • 英语：项目驱动（每周更新英文 README 一小段 + 录一次 2 分钟英文讲解）

8）采购清单（必买 / 可选）+ 无传感器替代

8.1 传感器二选一（先做 P0，后做 P1）

  • P0 优先：BME280（温湿压三合一，最适合做曲线展示）
  • P1 优先：MPU6050（更贴小车，但会引入校准/滤波，建议暑假再上）

8.2 Raspberry Pi 5（建议采购策略）

  • 你可以现在就买，但把它当“网关/Linux 环境”，不要让装系统成为主线阻塞
  • 推荐配置：Pi 5 8GB + 27W 电源 + 散热 + 高质量 microSD（NVMe 可选）

8.3 无传感器也能推进（必须）

  • Mock telemetry：在 MCU 侧生成可预测数据（正弦波/锯齿/随机种子），先把链路/协议/入库/曲线跑通
  • 传感器到货后：只替换数据源，不改协议与云端

9）Backlog（明确禁止提前做）

  • TLS/证书体系、MQTT over TLS
  • OTA 升级与固件签名
  • 真车室内导航硬件（激光/视觉 SLAM 上车）：等 P1 v1.0 + ROS2 bridge 稳定后再做（先仿真）
  • 边缘 AI（模型部署与性能优化）
  • RTOS 深入（先把 HAL 工程能力打牢）

10）每周复盘模板（≤5 条，写到 docs/reviews/）

  1. 本周 Gate 是否通过？证据是什么（脚本输出/录屏/截图/commit）？
  2. 这周最值钱的一个 bug：根因是什么？我如何定位？如何避免复发？
  3. 下周最大风险是什么？我准备砍掉什么非主线内容来保证 Gate？
  4. 我新增了哪一句“可面试表达”（中文/英文各一句）？
  5. 算法/英语是否断档？断档原因是什么？下周如何补救？

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