【RT-Thread作品秀】基于RT-Thread的智能家居应用平台

作者：annysky

概述

智能家居是目前最火热的应用方向，基于对物联网和智能家居的热衷和喜爱，以自己小屋为实际应用模板，将智能家居的设想变为现实状态。本智能家居应用平台基于STM32H7和STM32F4为主芯片进行设计，分为主控平台和网关平台。主控平台以ART-PI开发板为核心，主要任务是查询网关平台的数据信息、查询和设置参数、与云平台进行交互等；网关平台以STM32F407为核心，主要任务是采集数据和分析处理数据、并将主控平台下发的指令进行分析处理后来控制终端，该平台目前采集4路温湿度、1路电量、1路甲醛、1路PM2.5、2路烟雾报警、1路水浸报警、2路门锁状态的数据，输出控制1路加热和散热，通过CAN通讯与主控平台进行联络，并且使用屏进行显示各个状态，还可以使用WLAN与Onenet进行数据交互。后续根据需要在CAN网络上增加设备或模块（智能窗帘、CAN温湿度传感器、智能继电器、门禁系统、摄像头等），能够监测和控制终端产品。

开发环境

硬件：

（1）主控：ART-PI（STM32H750XB），ART-PI-DOCK扩展板（含屏）

（2）网关：WT-19S42（STM32F407VGT6）

（3）RT-Thread版本：RT-Thread V 4.0.3

（4）开发工具及版本：MDK 5.27，CANTest，XCOM V2.0，VGUS2020，DGUS_V759-t5l

RT-Thread使用情况概述

（1）内核部分：调度器，信号量，消息队列，libcpu/BSP。

调度器：创建多个线程来实现不同的工作。

信号量：用来同步线程。

消息队列：用来实现线程之间传递的数据。

libcpu/BSP：外设CAN驱动、UART驱动。

（2）组件部分：CAN框架，UART框架，

CAN框架：使用FDCAN2框架来与网关平台进行数据交互，上层代码可以提高代码的可重用性。

UART框：使用UART框架来与ART-PI-DOCK扩展板进行数据交互。

（3）软件包部分：

cJSON：C语言实现的极简的解析 JSON 格式的软件包。

WebNet 软件包：由RT-Thread 自主研发的，基于 HTTP 协议的 Web 服务器实现，它不仅提供设备与 HTTP Client 通讯的基本功能，而且支持多种模块功能扩展，且资源占用少、可裁剪性强，充分满足开发者对嵌入式设备服务器的功能需求。

Onenet： RT-Thread 针对 OneNET 平台连接做的的适配，通过这个软件包，可以让设备在 RT-Thread 上非常方便的连接 OneNet 平台，完成数据的发送、接收、设备的注册和控制等功能。

硬件框架

1. 总方案原理图

智能家居应用平台方案原理图如图1所示，主要由两部分组成（目前状态，后续根据实际应用情况进行扩展），分别是主控平台和网关平台。

图 1 总方案原理图

2. 主控平台：

主控平台的硬件分为两部分。一是ART-PI开发板，是由RT-Thread 设计的开源硬件，核心芯片是STM32H750XB，主频最高达480M，支持超低功耗。开发板板载功能众多，标配 TYPE-C 接口，板载 WIFI, 蓝牙配网，还有 LCD(RGB888)，SDRAM, TF-Card, USB-OTG等应有尽有。

另外一部分是ART-PI-DOCK扩展板：根据ART-PI开发板的扩展接口自主设计的ART-PI-DOCK扩展板。主要的功能是通讯和人机交互，不参与对外设传感器或者模块的控制和信号采集（除光敏和温湿度）。板子主要包含以下几种功能：

（1）2路CAN通讯

（2）1路485通讯；

（3）1路232通讯；

（4）1路TTL通讯；

（5）1路WLAN网络通讯；

（6）CAN匹配电阻设置；

（7）主机ID设置；

（8）1路温湿度传感器；

（9）1路光敏传感器；

（10）1路锂电池充电管理模块接口；

（11）1路外设5V输入接口；

（12）1路串口屏接口；

（13）1路TFT液晶屏接口。

扩展板涵盖的功能非常全面，包含了目前应该最广泛的几种通讯方式和人机交互方式（可选），可适应不同应用场景。

图 2 ART-PI-DOCK原理框图

3. 网关平台

网关核心芯片是STM32F407VGT6，1024k Flash，192KB SRAM，工作频率为168 MHz。基于STM32F407强大的功能，在设计网关平台时，使用了符合IEEE 1588 v2标准要求的以太网MAC10/100，并使用了高达6个USART设备。另外使用了1路CAN，4路串行设备，12路开关量输入，8路开关量输出，各个接口均进行了标识。

图 3 网关平台原理框图

软件框架说明

图4 主控平台软件流程图                                 图5 网关平台软件流程图    

本项目采用的是主控与网关两个平台，主控平台完成对网关平台数据的处理显示，并对网关平台的参数进行配置和监控。网关平台主要是采集和处理数据，并将数据显示在人机界面，按照通讯协议内容将数据及时传输给主控。后续根据使用的效果和体验的舒适性进行适量的调整。

主控平台使用RT-Thread操作系统进行设计，在ART-PI例程的基础上修改，形成主控平台的工作任务。网关平台主要使用的是FreeRTOS操作系统进行设计，完全由个人独立自主进行，经过24小时的老炼测试，系统工作运行正常。

软件模块说明

主控平台的软件模块：

（1）HMI屏：serialtx_thread_entry，主要任务是周期性的将数据按照通讯的协议传输给屏。

（2）FDCAN2接口：can_rx_thread，CAN接收线程，正确收到数据后对数据进行处理，处理完成后封装成结构体hmimodel_info，交给HMI屏线程处理。

网关平台的软件模块：

（1）led_sta_task：检测当前系统的运行状态，每500ms运行一次。

（2）switch_task：检测输入开关量状态，包括烟雾，水浸等；

（3）am2301_task：循环读取4个温湿度传感器的数据，并将数据封装hmi_info结构体和am2301_info结构体中；

（4）pzem_task：发送命令读取电量数据，对接收到的数据进行处理，并将数据封装hmi_info结构体和pzem_info结构体中；

（5）hmi_task：将封装在hmi_info结构体的数据周期性的按照通讯的协议传输给屏。

（6）hmi_recedata_task：对屏下发的命令进行处理。

（7）Net_Connect_task：网络平台连接任务。

（8）Net_Rece_task：网络平台下发数据，并对数据进行处理。

（9）Net_SendData_task：网络平台上传数据。

（10）Hot_HotCtlSet_task：加热和散热控制任务；

（11）DeviceAlarm_task：设备报警任务；

（12）DoorLock_task：检测门锁任务；

（13）ALTER_Info_Task：信息处理任务；

（14）ch2o_task：甲醛数据处理任务；

（15）pm25_task：PM2.5数据处理任务；

（16）can_task：CAN任务，封装数据，按照通讯协议将数据传输给主控平台。

演示效果

视频：

比赛感悟

物联网是时代的潮流，是现在的发展趋势。一直听说RT-Thread操作系统在物联网方面做得非常好，可一直未使用。当在论坛看到本次比赛后，一种强烈的参赛欲望涌上心头，哪怕不给我开发板我也要自己设计开发板来参加比赛，一是为了学习RT-Thread操作系统，二是在自己的家里做一个智能家居系统。

说实话第一次使用RT-Thread操作系统真是无从下手，就像是遇见了心爱的女神，不知道如何开口去表达自己内心的想法。还好RT-Thread在文档方面做得工作很细致，通过 RT-Thread官网上的文档中心，我学习了 多线程及其调度、信号量、邮箱、消息队列、内存管理、定时器等，猛然一看这不是和FreeRTOS基本差不多嘛，学习的劲头骤然兴起。

通过例程和对文档的学习，并且基于对RTOS的基本了解，很快进行开始了程序的设计。在设计CAN的时候也是遇到了很多的问题，按照文档叙述和操作步骤，建立了CAN线程，可是始终无数据进行通讯，经过多方查找，最后发现RT-Thread和STM32的CubeMX必须很好的进行配合才行，另外在RT-Thread Setting中要对使用的硬件设备进行配置，否则很多操作无法进行，不能实现自己的功能。俗话说万事开头难，但是当熟悉了以后，很快就能对其他的设备进行操作。

经过对CAN设备的操作，发现RT-Thread的操作系统真是非常好用，简单快捷高效，使用方便，只需要写自己的代码就可以，不需要管底层的配置到底是如何的（如果是新手还是看看寄存器的配置）。

另外就是RT-Thread的软件包非常的好用，只需要下载后就可以使用了。非常不错，不像我使用其他的操作系统，每一步都得自己配置，一个地方错，会造成灾难性的事故，在这里也由衷的感谢开源社区大佬们的贡献。

最后感谢主办方提供了这么好的一个平台，不仅能展示自我，也能学到很多知识，希望有朝一日我也能给开源社区贡献一份自己力量。