STM32+EC20的电气安全监测终端软件框架（FreeRTOS+状态机）【技术篇01】
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电气安全监测终端是24小时x365天实时在线监测电气安全等方面数据。展示版本是没有开放电气采集方面的硬件和源码，是通过每分钟定时虚拟形成的数据来上传物联网云平台。硬件是使用STM32+移远EC20的方案，硬件电路和软件代码开源，请在Gitee上搜索【allthingonline】获取，硬件电路图可以在文章底部添加我个人微信获取。
本文中的代码可以在这个链接获取https://gitee.com/allthingonline/atol-e10e-opensource
该方案的部分测试数据如下，按照长期挂测的三台测试样机的数据，从数据初步看是非常能满足长期的物联网通信使用。
- 平均在线不掉线的时长200天，一年会有2-3次的掉线重连的情况。重连时间在5分钟内完成，不会影响业务使用。
- 每台设备每小时形成350条数据，其中多个时间点每秒是同时发送3条数据，无一条丢失。
一、物联网云平台-阿里云IOT
物联网云平台使用的是“阿里云IOT+私有云”的方案，阿里云IOT是承担了物联网的连接、通信和设备管理等功能，并且会把相应的数据通过HTTP POST的方式推送到私有云上。保证了数据的存储都是在私有云的数据库上。同时也开放API，接收私有云发送的需要下发设备的数据。阿里云IOT是使用MQTT的协议，我们在使用EC20也是使用MQTT与阿里云IOT连接。另外我个人认为现有主流的公有云厂商的物联网平台会逐步的替代私有云的物联网平台，该方案也能方便的修改为支持其他的云厂商的，例如华为云IOT，ONENET等。后续我会增加多个厂商模组连接阿里云的教程文章，有问题也可以先添加我的微信。
二、嵌入式软件框架方案
在STM32上的软件使用FreeRTOS，采用嵌入式实时操作系统(RTOS)可以更合理、更有效地利用CPU的资源，简化应用软件的设计，缩短系统开发时间，更好地保证系统的实时性和可靠性。在多个模组厂商的模块软件底层也是使用的RTOS软件系统方案。
另外在FreeRTOS中引入了状态机的设计，特别是在物联网终端上，会有通信，外设，业务，数据，交互等等多种s功能模块在同时运行。状态机是有效的控制不同的功能模块的内部运行，并且也能控制多个功能模块之间的组合运行，具体的会在后文介绍。
软件框架的思维导图链接：http://naotu.baidu.com/file/ef9ee5284d75156ba8e45231728c8c11?token=764b4acf0810b355
三、嵌入式软件框架详细说明
3.1 FreeRTOS的消息队列
在FreeRTOS中，我们建立了下面的消息队列。其实在freeRTOS中的消息队列类似中间件Kafka、RabbitMQ等。作为多个业务之间的一个数据缓存，减少不同业务之间的耦合度。
- USART1发送消息队列，USART3发送消息队列
- USART1&USART3接收消息队列
- 状态机消息队列
USART1的发送消息队列，STM32的USART1是外部RS485的接口，并使用DMA发送。在系统的内部，会存在多个业务同时调用串口发送，如果在每个业务中单独的有发送数据函数，一是容易造成发送业务和接口的混乱，二是也有可能不同任务同时调用发送数据函数，造成串口发送抢占，容易出现乱码或者错帧，简单的业务图如下。同理的USART3的串口也是这样的机制。
USART1&USART3接收消息队列是接收通信模组和RS485发到终端的数据，因为都共用一套解析方法，所以接收进来的数据都是存放在一个消息队列中。后续如果增加以太网的方式也是可以把数据作为消息存入到队列中。
状态机的消息队列也是类似的。在物联网终端设备的软件框架中，状态机的四要素“状态”，“事件”，“动作”，“变换”，其中主要是在“事件”和“动作”使用较多。因为很多业务是流水式业务，在执行完成之后该状态还是回到原来状态，状态机的消息队列主要是存放不同的业务产生的“事件”触发，并统一到状态机任务中分发处理。这个是很类似C++ MFC中的消息队列。
3.2 FreeRTOS中的任务
在FreeRTOS中，我们创建了下面几个任务，主要是按照业务功能块的区分，每个功能块之间是绝对的相互独立，没有业务上的耦合。多个功能块之间的组合也只是加法关系或者流水式。功能块之间是通过状态机的调度或者消息队列作为数据接口。
- 定时器任务
- RS485串口发送任务
- 通信模组串口发送任务
- 协议解析任务
- 状态机任务
- 外设任务
定时器任务是包含了系统时间的更新，以及多个定时任务的时间触发。
串口发送任务，会是一直读取串口发送的消息队列，一旦有新的数据被推送到消息队列的时候，该任务就会读取出数据，并执行DMA串口发送。
协议解析任务，也会是一直读取串口接收的消息队列，多种通信接口接收到的数据都会统一的送到接收消息队列中，并有协议解析任务一条一条的去解析。如果解析出是需要运行其他的相关业务，该任务会发出相应的状态机事件数据到状态机的消息队列中。
外设任务，外设认为分为两个部分，一部分是外设的数据采集，例如每秒读取ADC数据，每秒的查看GPIO的开合状态等等，并根据事件情况来发送不同的事件值到状态机的消息队列。另外一部分是外设的控制，常见的是有GPIO的开合控制，这个是瞬时动作，也有例如步进电机的圈数控制或时间控制，这个是持续动作。
状态机任务，会是一直读取状态机的消息队列，根据事件值来分别调度和分发对应的业务函数。例如下图
3.3 FreeRTOS中的信号量
我们引入了状态机的设计，使用状态机来对系统中不同的任务，业务函数，消息队列进行调度。
四、总结
可以在Gitee中获取到源码有任何问题或者代码错误的地方可以留言或直接加本人的微信。另外这个只是STM32+EC20的方案，后续会推出最火爆的CAT1 OPEN的DTU方案及源码。
作者介绍
本人长期从事物联网产品开发，能帮助中小企业提供物联网产品价值架构和全栈的物联网技术支持。有兴趣的伙伴请扫描下方二维码添加我个人微信和公众号。