【RT-Thread作品秀】基于rt-thread的小型蚯蚓養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)

作者：劉濤

概述：

小型蚯蚓養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)主要探索在家庭等局限場(chǎng)地下，蚯蚓的正常養(yǎng)殖，從而得到蚯蚓糞和蚯蚓液。系統(tǒng)基于ART-PI & RT_Studio 開發(fā)，使用了dht11,ds18b20,土壤濕度，mpu6050監(jiān)測(cè)養(yǎng)殖環(huán)境中的空氣溫濕度，土壤溫濕度和蚯蚓的抖動(dòng)密度。外置的風(fēng)扇和水泵對(duì)上述環(huán)境變量進(jìn)行控制。連接onenet后可以及時(shí)在后臺(tái)遠(yuǎn)程觀測(cè)環(huán)境變量并加以控制。

開發(fā)環(huán)境

硬件:ART-Pi STM32H750

擴(kuò)展板：DS18B20防水數(shù)字溫度傳感器，DHT11溫濕度傳感器，2pcs MPU6050 傳感器，土壤濕度傳感器

RT-Thread版本：RT-Thread V 4.0.3

開發(fā)工具及版本：RT-studio2.0.0

RT-Thread使用情況概述

調(diào)度器：創(chuàng)建多個(gè)線程來實(shí)現(xiàn)不同的工作。

信號(hào)量：用來同步線程。

互斥量：多個(gè)相關(guān)采集線程能同時(shí)獲得系統(tǒng)資源，不被其他線程搶占

消息隊(duì)列：用來實(shí)現(xiàn)采集線程，控制線程和OneNet upload線程的同步。

消息郵箱：onenet_mqtt 接受控制命令后和控制線程的同步

組件部分：I2c框架， Sensor框架

I2C框架：使用 I2C框架來驅(qū)動(dòng)MPU6050

ADC device: 用來采集土壤濕度

PWM device: 用來控制風(fēng)扇，水泵。

Sensor框架：MPU6050,DHT11,DS18b20均為基于sensor框架的包，為上層提供統(tǒng)一的操作接口，提高上層代碼的可重用性；簡(jiǎn)化底層驅(qū)動(dòng)開發(fā)的難度。

軟件包部分：

Webclient：提供設(shè)備與 HTTP Server 的通訊的基本功能。

pahomqtt,：本軟件包是在 Eclipse paho-mqtt 源碼包的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的一套 MQTT 客戶端程序。

Onenet：是 RT-Thread 針對(duì) OneNET 平臺(tái)連接做的的適配，通過這個(gè)軟件包，可以讓設(shè)備在 RT-Thread 上非常方便的連接 OneNet 平臺(tái)，完成數(shù)據(jù)的發(fā)送、接收、設(shè)備的注冊(cè)和控制等功能。

cJSON： C語言實(shí)現(xiàn)的極簡(jiǎn)的解析 JSON 格式的軟件包。

DHT11： GPIO模擬單總線協(xié)議，讀取傳感器溫濕度，注冊(cè)在sensor框架

Ds18b20:  GPIO模擬單總線協(xié)議，讀取傳感器溫度，注冊(cè)在sensor框架

MPU6050: 本軟件包是為 InvenSense 公司的六軸系列傳感器提供的通用傳感器驅(qū)動(dòng)包，可選I2C或SPI通信協(xié)議。通過 Sensor 框架，開發(fā)者可以快速的將此傳感器驅(qū)動(dòng)起來。

硬件框架

ART-Pi 外掛多個(gè)傳感器作為采集輸入設(shè)備， 水泵和風(fēng)扇作為控制設(shè)備。ART-Pi本身作為Onenet的一個(gè)終端設(shè)備來上傳數(shù)據(jù)接收和接收命令。

軟件框架說明

多個(gè)采集線程實(shí)時(shí)讀取環(huán)境中的溫濕度，發(fā)送到stream消息隊(duì)列;Onenet上傳線程接收消息并上傳到相應(yīng)stream。當(dāng)云端下發(fā)命令，觸發(fā)Onenet_cmd_rsp_cb, 在里面發(fā)送接收的控制命令到命令緩存郵箱，控制線程查詢郵箱，發(fā)現(xiàn)郵件后使用rt_mq_urgent發(fā)送緊急控制stream,及時(shí)同步云端控制設(shè)備的狀態(tài)。

軟件模塊說明

共創(chuàng)建了2個(gè)信號(hào)量，1個(gè)消息隊(duì)列，1個(gè)互斥量，7個(gè)線程

信號(hào)量：

mqttinit_sem 主要用于wifi的連接及onenet_mqtt_init的同步問題。

sensor_msg_sem_empty 主要限制采集線程占用的消息資源個(gè)數(shù)

5個(gè)采集線程：

adc1_5_entry：周期性讀取土壤濕度傳感器的值，并把讀取到的值發(fā)送到消息隊(duì)列sensor_msg_mq

read_dhtll_entry：周期性讀取DHT11溫濕度傳感器的值，并把讀取到的值發(fā)送到消息隊(duì)列sensor_msg_mq

read_ds18b20_entry：周期性讀取ds1b20 土壤溫度傳感器的值，并把讀取到的值發(fā)送到消息隊(duì)列sensor_msg_mq

read_gyro0_entry： 周期性讀取MPU6050_0六軸傳感器的Y軸角速度，作為蚯蚓活動(dòng)強(qiáng)度（間接反映蚯蚓密度和活性情況），并把讀取到的值發(fā)送到消息隊(duì)列

read_gyro1_entry： 同上，兩點(diǎn)測(cè)量。

消息隊(duì)列：

sensor_msg_mq： 為了同步采集線程，控制線程和云端的同步。由于Onenet數(shù)據(jù)刷新有要求，更新數(shù)據(jù)快了也沒用，這里設(shè)置為1s. 生產(chǎn)者過多，消費(fèi)速率過慢，最終都會(huì)過剩。只分配5個(gè)消息給到采集線程。

另外，雖然我們開辟了8個(gè)消息，但是我們使用了sensor_msg_sem_empty 信號(hào)量來限制采集線程只能使用5個(gè)，留下的3個(gè)用來快速同步控制流，及時(shí)刷新云端控制設(shè)備的狀態(tài)。

互斥量：

sensor_msg_mutex： 由于DHT11同時(shí)讀取了溫度和濕度兩個(gè)環(huán)境變量，對(duì)應(yīng)云端兩個(gè)stream，需要發(fā)送兩次消息，為確保兩個(gè)stream的同步，先獲取互斥量，在未全部發(fā)送完成之前不釋放互斥量。

消息郵箱：

sensor_msg_mailbox：云端發(fā)送命令間隔沒有明確的限制，存在連續(xù)操作，需要緩存一下，這里設(shè)置了16個(gè)郵件。在Onenet_cmd_rsp_cb里把接收的命令直接發(fā)送到郵箱，控制線程接收郵件并處理。

控制線程：

center_control_entry：從sensor_msg_mailbox郵箱里接收郵件，解析命令，控制設(shè)備，并同步設(shè)備狀態(tài)到云端。

上傳線程：

onenet_upload_entry: 長(zhǎng)等待方式從隊(duì)列里接收消息，然后根據(jù)消息里的stream_id發(fā)數(shù)據(jù)到 onenet云端不同的數(shù)據(jù)流

狀態(tài)線程：

Main：led 2s閃爍，指示當(dāng)前系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。

演示效果

圖片：

演示視頻：

比賽感悟：

一直在了解RT-Thread國產(chǎn)操作系統(tǒng)，教程和書也看過，但缺少一個(gè)實(shí)際項(xiàng)目動(dòng)手實(shí)際深入一下。趕上這個(gè)大賽，又有個(gè)感興趣的方向，就報(bào)名了。

首先不得不說一下，RT-Thread寫的很友好，可以邊查邊用。RT-Studio設(shè)計(jì)的很方便，就是太卡了有時(shí)。

項(xiàng)目中，關(guān)于線程之間的同步與互斥，調(diào)試?yán)速M(fèi)了些時(shí)間，但也更好地理解了它們的定義和用法。實(shí)踐才能出真知，理論看的再多了，不用還是一知半解，不是自己的真知。

另外一點(diǎn)就是對(duì)于RT-Thread軟件包架構(gòu)，我認(rèn)為這是個(gè)很好的創(chuàng)新，可以讓應(yīng)用和硬件完美去耦。一方面可以使用別人已有的軟件包快速構(gòu)建產(chǎn)品，也可以學(xué)習(xí)參考別人的優(yōu)秀代碼。

   通過這次比賽，我發(fā)現(xiàn)了mpu6050軟件包的一個(gè)bug,提交了第一次pull request。也在制作第一個(gè)軟件包hx711（測(cè)試中，項(xiàng)目暫未用到，待發(fā)布）。讓我是切實(shí)了解了開源社區(qū)的魅力。

十分感謝主辦方提供的這次比賽機(jī)會(huì),讓我學(xué)到了很多知識(shí)，也讓我找回來大學(xué)時(shí)候通宵比賽的感覺。也要感謝社區(qū)大佬們制作的軟件包，節(jié)省了不少開發(fā)時(shí)間。最后希望RT-Thread越來越好，自己也能參與其中，貢獻(xiàn)一份力量。