外卖自提柜设备端主控

硬件开机后与服务器连接，连接成功后，硬件自动向服务器发送注册指令，包含本机的Id，服务器收到后会将该机器注册进来，进行监管。
当有客户想要存放时，会扫描硬件二维码获取机器Id，然后在App上打开某个格子，服务器会向该机器发送存货指令 ，包含要打开的机器Id，格子Id，存放模式，取货验证码等等，同时服务器会向取货的客户发送6位验证码短信。
机器接收到存柜存货指令后，尝试打开相应格子，并保存验证码，若打开成功，则发回给服务器开柜成功指令表示成功。否则返回开柜失败指令表示失败。
客户来取物品时，在机器上输入相应的六位密码，响应密码的格子就会自动打开，然后向服务器发送取货指令，报告格子被打开。
持续工作，设备需要每30s发送一次心跳指令。

协议制定

协议部分雏形是做服务器的同学定的，这部分直接导致系统从裸奔变成跑FreeRTOS。

帧头 + Length + CmdId + DevId + Content + FrameId + 校验和

成分	描述
帧头	0x0a 0x0a 0x0a 0x0a
Length	指令字节数总长度，包括其本身和校验和，两个字节的无符号short类型，顺序为 [低字节，高字节]
CmdId	指令的Id , 一个字节的无符号byte类型
DevId	目标设备的Id,两个字节的无符号short类型，顺序为 [低字节，高字节]
Content	该条指令包含的详细信息
FrameId	每一帧的唯一Id，两字节无符号short类型，顺序为[低字节，高字节]
校验和	一字节有符号byte类型

不同指令的Content不同：

注册帧000：设备向服务器发送的认证信息，在服务器上注册该设备 Content为空
回复帧001：回复数据正确 Content为空
心跳帧002：心跳保持 Content为空
存货开柜帧003：服务器向设备发送存货开柜指令 Content内容包含： -CellId:机器格子的编号，要开启的格子。两个字节的无符号short类型，顺序为 [低字节，高字节] -Mode:代表存储的模式（常温，保温，制冷），一个字节的无符号byte -PassWord:表示存储密码，六个字节的char字符串，顺序即为密码顺序 -SendAddress：表示存件者的id，11个字节的电话号码，char字符串，顺序即为号码顺序 -ReceiveAddress:表示取件者的id，含义同上
开柜成功帧004：设备开柜成功 Content内容与指令003相同
开柜失败帧005：设备开柜失败 Content包含： -SendAddress : 表示存件者的id，11个字节的电话号码，char字符串，顺序即为号码顺序
取货帧006：客户取货成功 Content包含： -CellId:机器格子的编号，要开启的格子。两个字节的无符号short类型，顺序为 [低字节，高字节]

第一个任务

初步入门FreeRTOS以后，着重解决通信部分，重新梳理一下与服务器通信部分的需求：

设备端和服务器通信，发送方每发送一条指令，接收方都要在收到后返回一个应答帧，发送方收到应答帧后，才判断此次通信正常，若规定时间内未收到应答帧，则重新发送。另外需要注意的是，发送方在等待接收方返回应答帧时，不能阻塞系统运行，也就是说，即便当前有一帧数据在等待应答，也不影响下一帧数据的发送，且理论上应该保证同时在等待应答的帧的数量不受限制。

根据上述需求，显而易见的，应当把每一帧的发送单独作为一个任务，这个任务对这一帧进行监听，并控制重发。只要系统还有足够的剩余栈，就可以不断地创建新的发送任务，这样就可以保证最大限度地使用硬件资源保证每一帧的通信“并行”。刚好，FreeRTOS创建任务时是可以传入一个参数的，这个参数就可以传入我们要发送的数据。第一个任务诞生了： 数据发送任务:

/**
  * @brief  数据发送任务
  * @note   需要向服务器发送一条指令时，就创建一个发送任务，特点是等待回复和重发时不会阻塞其他任务进行
  * @param  argument：要发送的数据
  * @retval None
  */
void SendData_Task(void const * argument)
{
    //待添加
    for(;;)
    {
        //待添加
    }
}

下面来构思函数体中要写些什么

首先，肯定是要发送数据了，发送数据之前，有一件事要考虑，由于传入的是argument是指针，这个任务在进行过程中，这个指针指向的内容很可能被其他任务更改，所先需要先申请空间来拷贝要发送的数据 再来回顾一下帧格式： 帧头 + Length + CmdId + DevId + Content + FrameId + 校验和

成分	描述
帧头	0x0a 0x0a 0x0a 0x0a
Length	指令字节数总长度，包括其本身和校验和，两个字节的无符号short类型，顺序为 [低字节，高字节]
CmdId	指令的Id , 一个字节的无符号byte类型
DevId	目标设备的Id,两个字节的无符号short类型，顺序为 [低字节，高字节]
Content	该条指令包含的详细信息
FrameId	每一帧的唯一Id，两字节无符号short类型，顺序为[低字节，高字节]
校验和	一字节有符号byte类型

我们通过上述的Length获取数据长度，然后用FreeRTOS提供的API: pvPortMalloc 申请内存，这个函数与C语言的malloc的区别是，前者从FreeRTOS的TOTAL_HEAP_SIZE中申请空间，而后者是从系统的堆（heap）中申请空间。详细的分析看这篇博客： https://www.cnblogs.com/LinTeX9527/p/8007541.html

数据发送任务的前几行代码有着落了：

void SendData_Task(void const * argument)
{
    uint8_t *Data;              //创建指针
    uint16_t Data_Len = 0;      //数据长度
    Data_Len = ((uint16_t*)argument)[0];//获取数据长度
    Data = pvPortMalloc(Data_Len-1);    //申请内存,去掉校验和1字节
    memcpy(Data,(uint8_t*)argument,sizeof(uint8_t)*(Data_Len-1));   //复制数组,去掉校验和
    for(;;)
    {
        //待添加
    }
}

互斥量的使用

当然，如果这里严谨一点的话，你会发现，即便这里进行了数据拷贝，但拷贝也不是一瞬间完成的，所以拷贝的时候，这段数据仍然不是安全的，仍可能被更改，下面就用到FreeRTOS的另一个功能了： 互斥量

正如其名，一个资源在被一个任务访问时，不能再被另一个任务访问，就叫互斥。通过下面两个函数实现互斥：

osMutexWait(mutex_CopyData_h, osWaitForever);   //等待互斥量被释放
osMutexRelease(mutex_CopyData_h);   //释放互斥量

这其中mutex_CopyData_h是互斥量的句柄（可以看作是名称），osWaitForever表示一直阻塞等待，直到互斥量被释放。

如何使用呢？按照上述情形举例，我们要在拷贝数据时用互斥量进行保护，数据发送任务就改进为下面这种形式：

/**
  * @brief  数据发送任务
  * @note   需要向服务器发送一条指令时，就创建一个发送任务，特点是等待回复和重发时不会阻塞其他任务进行
  * @param  argument：要发送的数据
  * @retval None
  */
void SendData_Task(void const * argument)
{
    uint8_t *Data;              //申请内存指针
    uint16_t Data_Len = 0;      //数据长度
    Data_Len = ((uint16_t*)argument)[0];//获取数据长度
    Data = pvPortMalloc(Data_Len-1);    //申请内存,去掉校验和1字节
    osMutexWait(mutex_CopyData_h, osWaitForever);   //等待互斥量被释放
    /*被互斥量保护的区域*/
    memcpy(Data,(uint8_t*)argument,sizeof(uint8_t)*(Data_Len-1));   
    /*被互斥量保护的区域*/
    osMutexRelease(mutex_CopyData_h);   //释放互斥量
    for(;;)
    {
        //待添加发送函数
    }
}

osMutexWait和osMutexRelease之间，就是我们希望保护的位置。当然这只完成了一半，同样的，我们需要在存在数据覆盖风险的位置设置互斥量的保护区。

例如下面：传入数据发送任务的参数是名为Data_Buf的数组

osThreadDef(DATA_SEND_TASK_H,SendData_Task, osPriorityHigh,0, 128); //心跳帧重发任务的宏
osThreadCreate(osThread(DATA_SEND_TASK_H),Data_Buf)

那么我需要在修改Data_Buf的位置设置互斥量保护区：

osMutexWait(mutex_CopyData_h, osWaitForever);   //等待互斥量被释放
Data_Buf[0] = 0;
osMutexRelease(mutex_CopyData_h);   //释放互斥量

被互斥量保护的区域，同时只能被一个任务访问，直到这个任务释放互斥量，下一个任务才能访问。这样，我们就可以保证拷贝数据的时候，数据不会被误修改。

消息队列的使用

我们继续完善数据发送任务，回到需求分析，数据发送任务除了需要完成数据发送，还需要监听是否收到与此帧数据匹配的应答帧。

如果同时有好几个数据发送任务在等待应答帧，这时候收到了一条应答帧，对于某一个数据发送任务来说，如何判断这条应答帧是发给自己的呢？

上翻查阅数据帧格式的表格，可以看到，每一帧数据有唯一的FrameId，回复帧也有FrameId，它的FrameId与它要回复的数据帧的FrameId相同。

对于某一个数据发送任务来说，它只需要与收到的回复帧的FrameId进行匹配，若与自己的Frame相同，则判断这个回复帧是回复给自己的，如果是回复给自己的，这个数据发送任务就完成了自己的使命，可以把自己删除了。

所以当有多帧数据同时等待回复帧时，需要开设一个缓存区，存放收到的回复帧的FrameId，供数据发送任务查询。

这个缓存区，就交给 消息队列来完成

FreeRTOS对消息队列的处理，我用到了下面几个API：

//查询队列中元素的个数
osMessageWaiting(MsgBox_Frame_Id_Handle);
//获取并删除队列中的一个元素
osMessageGet(MsgBox_Frame_Id_Handle,osWaitForever);
//向队列存放一个元素
osMessagePut(MsgBox_Frame_Id_Handle,evt.value.v,osWaitForever);

MsgBox_Frame_Id_Handle是这个队列的句柄
osWaitForever表示这个函数执行的超时时间，超过了这个值就会自动退出，这里是永久等待
evt.value.v是要向队列里存入的元素

如何实现查询队列中是否有与自己匹配的FrameId呢？

我的思路是，先通过osMessageWaiting读出当前队列中元素的数量N ，进入循环，每个循环中，使用osMessageGet取出一个元素，由于队列是先进先出，所以这个元素是从队列头部取出的，判断是否匹配，如果匹配，皆大欢喜，这个数据发送任务就解脱了；如果不匹配，再将这个元素用osMessagePut重新加入到队列尾部，这样循环N次，就相当于把队列查询了一遍。

数据发送任务就基本完成了：

/**
  * @brief  数据发送任务
  * @note   需要向服务器发送一条指令时，就创建一个发送任务，特点是等待回复和重发时不会阻塞其他任务进行
  * @param  argument：要发送的数据
  * @retval None
  */
void SendData_Task(void const * argument)
{
    uint8_t *Data;              //申请内存指针
    uint16_t Data_Len = 0;      //数据长度
    Data_Len = ((uint16_t*)argument)[0];//获取数据长度
    uint16_t FrameId = 0;       //帧Id
    uint32_t MsgBox_Data_Num = 0;//队列中有效数据的数量
    osEvent evt;                //存放osMessageGet的返回值
    Data = pvPortMalloc(Data_Len-1);    //申请内存,去掉校验和1字节
    osMutexWait(mutex_CopyData_h, osWaitForever);   //等待互斥量被释放
    /*被互斥量保护的区域*/
    memcpy(Data,(uint8_t*)argument,sizeof(uint8_t)*(Data_Len-1));   
    /*被互斥量保护的区域*/
    osMutexRelease(mutex_CopyData_h);   //释放互斥量
    FrameId = (uint16_t)Data[Data_Len-2]<<8|(uint16_t)Data[Data_Len-3]; //装载这一帧数据的FrameId
    for(;;)
    {
        osMutexWait(mutex_id_Resend, osWaitForever);//获取互斥量，防止其他的数据发送任务打断
        MsgBox_Data_Num = osMessageWaiting(MsgBox_Frame_Id_Handle); //获取当前队列数量
        if(MsgBox_Data_Num != 0)        //如果队列非空
        {
            for(i=0;i<MsgBox_Data_Num;i++)
            {
                evt = osMessageGet(MsgBox_Frame_Id_Handle,100); //从队列中取出一个元素
                if(evt.value.v == FrameId)      //如果FrameId匹配
                {
                    /****删除任务****/
                    osMutexRelease(mutex_id_Resend);    //释放令牌
                    vPortFree(Data);                    //释放内存
                    osThreadTerminate (NULL);           //删除本任务
                }
                else        //如果不匹配
                {
                    osMessagePut(MsgBox_Frame_Id_Handle,evt.value.v,500) //存回队列尾
                }
            }
        }
        User_SendData(Data,Data_Len);   //发送数据
        osMutexRelease(mutex_id_Resend);//释放互斥量
        osDelay(5000);  //每5s检测一次
    }
}

除了上面的思路，我这里还使用了一个互斥量，用以保护整个发送过程，因为当有多个数据发送任务都再执行时，队列的取出和放回动作可能会被打断，出现某种极端情况。例如任务A刚刚从队列中取出一个元素，发现跟自己的FrameId不匹配，但还没来得及放回去，CPU控制权就被任务B抢去了，任务B查询的时候，就少了这个任务A取走的元素，造成误判。另外，发送数据是通过串口的，执行时间也比较长，如果发送时被打断，可能造成不可预估的后果，所以使用互斥量进行保护是十分有必要的。

在整个项目中，主要用到的就是上面几个API，数据发送任务，也是仅有的稍显复杂的任务,另外还有一些调试用的API，下一节更新。

任务划分

根据功能划分了下面几个任务

人机交互任务：包括按键扫描、LCD显示、蜂鸣器扫描，优先级较低
无线模块管理任务：包括检测到服务器离线时，对WIFI模块/GPRS模块进行重新初始化，切换wifi网络或运营商网络模式等，优先级最高
TCP透传发送任务当要发送一帧数据时，该任务被创建，发送一帧数据，并对这帧数据进行监听，等待接收方回复，若未收到回复，则重新发送，通信完成则删除本任务。优先级较高
TCP接收数据解析任务由接收中断触发，解析数据，执行相应操作，优先级最高

这里简单列两个人机交互任务：

/**
  * @brief  人机交互任务
  * @note   包括按键扫描、LCD显示、蜂鸣器鸣叫
  * @param  argument：任务参数（未用到）
  * @retval None
  */
void Interactive_Task(void const * argument)
{
    for(;;)
    {
        /**矩阵键盘扫描**/
        /**键值处理**/
        /**LCD显示**/
        /**蜂鸣器扫描**/
        osDelay(20);
    }
}

无线模块管理任务：

/**
  * @brief  无线模块管理任务
  * @note   检测服务器是否离线，若离线则重新初始化无线模块
  * @param  argument：任务参数（未用到）
  * @retval None
  */
void WirelessCTR_Task(void const * argument)
{
    osDelay(1000);      //等待ESP8266上电
    for(;;)
    {
        if(server_sta == SERVER_OFF_LINE)   //服务器离线
        {
//          osThreadSetPriority(NULL,osPriorityHigh);   //调高优先级，防止打断
            esp8266_init();     //初始化esp8266
//          osThreadSetPriority(NULL,osPriorityNormal); //调低优先级
        }
        osDelay(20);
    }
}

图片.png

ESP8266 01S

在这里插入图片描述配置TCP透传，用到的AT指令如下：

AT指令	功能
AT	测试硬件是否正常
ATE0	关闭回显
AT+CWMODE=1	设置为客户端
AT+CIPSTATUS	判断状态：返回2表示已正常连接WIFI；返回3表示已正常连接服务器
AT+CWJAP="MyWIFI","123456"	连接WIFI
AT+CWAUTOCONN=1	设为自动连接WIFI模式
AT+CIPSTART="TCP","192.111.1.1",8888	连接服务器
AT+CIPMODE=1	设为透传模式
AT+CIPSEND	开始透传
+++	关闭透传

初始化流程图：在这里插入图片描述

返回值的处理方法

基本思路是，开辟一个数组，收到的返回值存入数组，发送完指令后，等待一段时间，读取数组，利用**strstr()**这个函数，判断数组中是否有期望的返回值，查找完成后清空数组以AT指令为例：

usart3_tx_dma_enable((uint8_t*)"AT",2); //发送AT指令
osDelay(50);    //等待50ms
if(strstr(mes_buf,"OK")!=NULL)  //找到对应字符串
    res = 1;            //返回1,否则返回0
else
    res = 0;
clear_mes_buf();    //清空缓冲
return res;

退出透传出错解决办法

发送“+++”，不加\r\n，但这会导致这之后的一个AT指令失效，所以，在发送完+++以后，还要再发送一个\r\n，后面的AT指令才能生效。

//关闭透传
void close_tran()
{
    usart3_tx_dma_enable((uint8_t*)"+++",3);    //发送+++
    osDelay(500);   //延时500ms
    usart3_tx_dma_enable((uint8_t*)"\r\n",2);   //实际测试时，发完+++以后，还需要一个指令（带\r\n）激活模块
    osDelay(100);   //延时100ms
}

如何判断服务器是否离线

一般情况下，在透传过程中服务器突然离线，会返回一个closed，但由于此前一直处于透传模式，单片机想要捕捉这个closed比较困难，所以需要用别的手段判断服务器是否异常离线。

这个项目的协议中，有心跳和回复帧的机制，可以根据发出的心跳是否得到回复来判断服务器是否在线。如果检测到异常离线，再去重新初始化ESP8266，再进一步判断WIFI是否异常、服务器是否异常，定位问题。

原理图绘制

ESP8266和SIM800供电选择电路： 在这里插入图片描述

这里使用一个NMOS和一个PMOS实现模块切换，测试效果正常。

电磁锁驱动电路 在这里插入图片描述

我用的是NMOS，栅极电阻可以小一点，我实际用的是470R，这里甚至可以把栅极电阻短接。 R39是为了栅极下拉，防止IO口浮空时导致输出不稳定 D13是续流二极管，电磁锁是感性元件，防止关断瞬间击穿MOS

单片机最小系统部分 在这里插入图片描述

这里有一个防反接电路，主要是考虑到SWD接口容易插反，烧掉单片机，Q16是一个NMOS，用来防反接，插反以后MOS自动关断，R12是一个0欧电阻，不想用防反接功能，可以焊接R12进行短接。

USB转TTL部分 在这里插入图片描述

这个保险丝救了我好几次，一定不要省！！！用的是6V 700mA的自恢复保险丝。

PCB绘制

PCB的一点点经验，大佬勿喷，

实话说，这种板子，随便画也能用...

芯片的电源引脚做好退耦，退耦电容要靠近引脚 在这里插入图片描述

晶振走线尽量短，晶振周围不要走电源线 在这里插入图片描述

USB信号线尽量不走过孔，平行走线 在这里插入图片描述

天线下方不要铺铜： 在这里插入图片描述

如果布局很紧凑，要针对性的多打一些过孔 在这里插入图片描述

1.8寸TFT屏、SIM800L、ESP8266: 图片.png

4x4薄膜矩阵键盘：

图片.png

焊接：

图片.png

没有风枪...千万别学我吹风机.png

洗版：图片.png

接完如图：在这里插入图片描述

测试视频链接：外卖自提柜测试视频

设计图

自提柜PCB

在编辑器中打开

自提柜原理图

在编辑器中打开

BOM

BOM下载在立创商城下单

ID	Name	Designator	Footprint	Quantity
1	K2-1101UT-B4SW-01_JX	KEY1,KEY4,KEY5	SW_PUSH_2P_6MM_H5MM_JX	3
2	32.768KHz	X1	OSC-TH_BD2.0-P0.70-D0.3	1
3	AMS1117-3.3	U3,U6	SOT-223-4_L6.5-W3.5-P2.30-LS7.0-BR	2
4	HX25003-2A	CN8,CN10,CN12,CN11,CN9,CN1,CN7,CN2,CN3,CN6,CN5,CN4	CONN-TH_2P-P2.50_HX25003-2A	12
5	NCE6005AS	Q8,Q18,Q3,Q5,Q2	SOP-8_L4.9-W3.9-P1.27-LS6.0-BL	5
6	10uF	C23,C18,C13,C10	C0603	4
7	LED-0603_R	LED4,LED3	LED0603_RED	2
8	CH340C	U2	SOP-16_L10.0-W3.9-P1.27-LS6.0-BL	1
9	1N4148	D4,D3,D2,D11,D10,D1,D9,D8,D7,D6,D5	SOD-123_L2.8-W1.8-LS3.7-RD	11
10	12pf	C21,C20,C17,C16	C0603	4
11	SS-12D10L5	SW1	SW-TH_SS-12D10L5	1
12	100nF	C8,C15,C25,C1,C2,C11,C12,C3,C4,C19,C22,C5,C6,C9,C7,C24	C0603	16
13	10118194-0001LF	USB1	MICRO-USB-SMD_10118194-0001LF	1
14	ASMD0805-075	F1	F0805	1
15	HDR-F-2.54_1x8	H1	HDR-F-2.54_1X8	1
16	500	R15,R14	R0603	2
17	1K	R18,R25,R40,R26,R44,R13,R48,R49,R52,R45,R38,R4,R10,R9	R0603	14
18	esp8266	U4	ESP8266	1
19	HDR-M-2.54_1x2	J1,J2	HDR-M-2.54_1X2	2
20	YS-MBZ12085C05R42_C409842	BUZZER1	BUZ-TH_BD12.0-P6.50-D0.6-FD	1
21	10K	R6,R50,R41,R27,R43,R3,R19,R24,R5,R7,R46,R47,R51,R2	R0603	14
22	500Ω	R1	R0603	1
23	0Ω	R8,R12	R0603	2
24	8MHz	X3	HC-49US_L11.5-W4.5-P4.88	1
25	LED-0603_G	LED1	LED0603_GREEN	1
26	STM32F103RBT6	U1	LQFP-64_10X10X05P	1
27	220uF	C14	CAP-SMD_BD8.0-L8.3-W8.3-FD	1
28	HDR-F-2.54_1x10	H3	HDR-F-2.54_1X10	1
29	HDR-F-2.54_1x4	H4,H2	HDR-F-2.54_1X4	2
30	GP2302	Q4,Q16	SOT-23-3_L2.9-W1.3-P1.90-LS2.4-BR	2
31	HDR-M-2.54_1x4	J4	HDR-M-2.54_1X4	1

posted @ 2021-09-18 16:42 专注it 阅读(852) 评论(0) 编辑收藏举报

刷新页面返回顶部

外卖自提柜设备端主控

项目介绍

方案选型

工作流程

协议制定

第一个任务

互斥量的使用

消息队列的使用

任务划分

ESP8266 01S

返回值的处理方法

退出透传出错解决办法

如何判断服务器是否离线

原理图绘制

PCB绘制

公告