唐道鮮 侯美伊 李慶宇 李躍華

摘 要：針對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備管理中用戶(hù)租借困難、管理費(fèi)時(shí)費(fèi)力和不能實(shí)時(shí)維護(hù)等問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種基于實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備柜控制器系統(tǒng)?？刂破鞑捎肁mazon FreeRTOS實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，通過(guò)多種傳感器監(jiān)測(cè)設(shè)備柜內(nèi)外環(huán)境狀態(tài)，并將控制器接入AWS IoT平臺(tái)，使用MQTT協(xié)議雙向傳輸數(shù)據(jù)。實(shí)際應(yīng)用表明，使用該管理控制系統(tǒng)后，實(shí)驗(yàn)設(shè)備能實(shí)現(xiàn)安全、高效地自助借還。

關(guān)鍵詞：FreeRTOS;實(shí)驗(yàn)設(shè)備;MQTT;物聯(lián)網(wǎng);智慧校園

DOI：10. 11907/rjdk. 201709????????????????????????????????????????????????????????????????? 開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

中圖分類(lèi)號(hào)：TP319 ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ??????????????? 文章編號(hào)：1672-7800（2020）011-0136-05

Research and Design of Experimental Equipment Cabinet Controller

Based on FreeRTOS

TANG Dao-xian， HOU Mei-yi， LI Qing-yu， LI Yue-hua

（School of Information Science and Technology， Nantong University， Nantong 226019， China）

Abstract： In view of the difficulty in the management of traditional experimental equipment， such as user leasing， time-consuming and laborious management and inability to maintain in real time， an experimental equipment cabinet controller system based on real-time operating system is designed. The controller adopts the Amazon FreeRTOS real-time operating system， monitors the environment and equipment status inside and outside the cabinet through a variety of sensors and it is connected to AWS IoT platform， using the MQTT protocol to transmit data in both directions. Thus a secure and efficient self-servicing and management control system for experimental equipment is realized，and the practical application shows that the experimental equipment can be safely and efficiently borrowed and returned by the self-helping equipment cabinet controller system.

Key Words： FreeRTOS; experimental equipment; MQTT; Internet of Things; smart campus

0 引言

智慧校園是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與校園管理的有機(jī)融合，實(shí)現(xiàn)校園日常管理信息化、數(shù)字化，大大提升管理效率[1-2]。然而傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備管理依然采用人工登記和維護(hù)方式，極大影響智慧校園發(fā)展[3-5]。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展，實(shí)驗(yàn)設(shè)備管理系統(tǒng)有二維碼輔助計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)設(shè)備管理系統(tǒng)、基于RFID技術(shù)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備管理系統(tǒng)等。文獻(xiàn)[6]介紹了二維碼在實(shí)驗(yàn)設(shè)備日常管理中的應(yīng)用，雖然提高了實(shí)驗(yàn)設(shè)備管理效率，但二維碼易于損壞，且污損后無(wú)法識(shí)別，給實(shí)驗(yàn)設(shè)備維護(hù)增加了一定難度;文獻(xiàn)[7]將無(wú)線射頻技術(shù)應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)設(shè)備管理信息化中， 雖然增強(qiáng)了系統(tǒng)抗干擾能力，但未解決用戶(hù)自助租借實(shí)驗(yàn)設(shè)備以及管理人員遠(yuǎn)程維護(hù)問(wèn)題。本文研究的實(shí)驗(yàn)設(shè)備柜控制器可實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、借用歸還等智能化管理。采用Amazon FreeRTOS軟件平臺(tái)，使用RFID（Radio Frequency Identification）技術(shù)，具有遠(yuǎn)程開(kāi)門(mén)、設(shè)備借還、溫濕度傳感器數(shù)據(jù)采集、控制器狀態(tài)監(jiān)測(cè)、檢測(cè)門(mén)鎖狀態(tài)和云端通信等功能。依托AWS（Amazon Web Services）的安全機(jī)制和云計(jì)算能力，實(shí)現(xiàn)安全高效的設(shè)備自助借還管理。

1 技術(shù)簡(jiǎn)介

1.1 FreeRTOS簡(jiǎn)介

FreeRTOS是Richard Barry 于2003 年發(fā)布的一個(gè)輕型開(kāi)源實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核，其功能包括任務(wù)管理、時(shí)間管理、消息隊(duì)列、信號(hào)量、中斷管理、軟件定時(shí)器、協(xié)同例程管理等[8-11]。Amazon FreeRTOS 相比于FreeRTOS增加了IoT 應(yīng)用組件，比如Secure Sockets和MQTT（Message Queuing Telemetry Transport）協(xié)議便于開(kāi)發(fā)者連接到AWS云平臺(tái)[12]。為保證設(shè)備與AWS IoT平臺(tái)安全通信，Amazon FreeRTOS加入證書(shū)校驗(yàn)、Secure Sockets、TLS等保證數(shù)據(jù)傳輸安全[13]。開(kāi)發(fā)者通過(guò)使用Amazon FreeRTOS快速將設(shè)備部署到AWS IoT平臺(tái)，并對(duì)設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一管理和部署。

1.2 AWSIoT簡(jiǎn)介

AWS IoT是亞馬遜公司于2015年發(fā)布的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用平臺(tái)，它允許已連接的設(shè)備根據(jù)相應(yīng)權(quán)限與AWS云應(yīng)用程序或其它設(shè)備交互，即接入平臺(tái)的設(shè)備所傳入的數(shù)據(jù)可使用AWS服務(wù)[14]，數(shù)據(jù)到AWS IoT平臺(tái)就 “自由翱翔”于各個(gè)AWS云服務(wù)中，這是其它物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)尚未完全實(shí)現(xiàn)的功能。

1.3 MQTT簡(jiǎn)介

MQTT是IBM開(kāi)發(fā)的客戶(hù)端—服務(wù)器發(fā)布（Publish）/訂閱（Subscribe）消息即時(shí)通訊協(xié)議[15]。MQTT是一種輕量級(jí)消息發(fā)布協(xié)議，以TCP/IP協(xié)議為基礎(chǔ)，提供一對(duì)多和多對(duì)多的消息發(fā)布方式，具有低開(kāi)銷(xiāo)、開(kāi)放和易于實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)[16]。借助MQTT消息推送功能，開(kāi)發(fā)者可以實(shí)現(xiàn)終端設(shè)備遠(yuǎn)程控制和統(tǒng)一管理。將硬件終端連接到同一個(gè)MQTT代理服務(wù)器，不僅可以實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，還可實(shí)現(xiàn)物與物交互。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件總體設(shè)計(jì)

控制器采用ARM Cortex-M4內(nèi)核的STM32L475VGT6 32位微處理器，控制器上運(yùn)行Amazon FreeRTOS操作系統(tǒng)，創(chuàng)建多個(gè)任務(wù)按事先設(shè)定的優(yōu)先級(jí)順序調(diào)度運(yùn)行。傳感器組主要負(fù)責(zé)采集板載溫濕度、環(huán)境溫濕度和氣壓數(shù)據(jù)，并將采集到的數(shù)據(jù)處理后發(fā)送給控制器。RFID模塊主要包括RC522模塊，用于識(shí)別實(shí)驗(yàn)設(shè)備上電子標(biāo)簽ID信息，并將數(shù)據(jù)發(fā)送給控制器。電控鎖模塊包含J02電控鎖和繼電器，主要負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)電控鎖開(kāi)門(mén)和門(mén)鎖狀態(tài)偵測(cè)數(shù)據(jù)反饋。WiFi通訊模塊負(fù)責(zé)接收解析AWS IoT發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)，并將控制器封裝好的數(shù)據(jù)發(fā)送至AWS IoT平臺(tái)。本文實(shí)驗(yàn)設(shè)備柜控制器硬件總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

2.2 硬件模塊設(shè)計(jì)

2.2.1 微處理器

選用ARM Cortex-M4內(nèi)核的STM32L475VGT6 32位微處理器。STM32L475VGT6最高運(yùn)行主頻可達(dá)80MHz，擁有1Mbytes的Flash和128Kbytes的SRAM，擁有UART、TIM、DMA、SPI、Flash等模塊。STM32L475VGT6的配置足夠穩(wěn)定運(yùn)行FreeRTOS實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)所有功能。

2.2.2 RFID模塊

選用RC522模塊，該模塊的RFID芯片支持ISO 14443協(xié)議和MIFARE協(xié)議，且支持13.56MHz頻率下的非接觸式通信方式和協(xié)議[17-18]。使用ISO 14443A協(xié)議并采用SPI協(xié)議驅(qū)動(dòng)該模塊， 用于電子標(biāo)簽讀寫(xiě)數(shù)據(jù)。

2.2.3 電控鎖模塊

電控鎖模塊主要實(shí)現(xiàn)開(kāi)啟設(shè)備柜門(mén)和監(jiān)測(cè)設(shè)備柜門(mén)狀態(tài)，以及對(duì)用戶(hù)操作的反饋。四路光耦隔離繼電器模塊驅(qū)動(dòng)電控鎖，以此保證J02電控鎖通電時(shí)間不超過(guò)額定時(shí)間。此外，J02電控鎖附帶的偵測(cè)線還可用于柜門(mén)關(guān)閉后觸發(fā)控制器外部中斷，控制RC522模塊對(duì)柜門(mén)內(nèi)的設(shè)備電子標(biāo)簽進(jìn)行識(shí)別檢測(cè)。選用有源蜂鳴器作為用戶(hù)借還行為引起的異常報(bào)警和開(kāi)門(mén)操作提醒功能。當(dāng)用戶(hù)進(jìn)行遠(yuǎn)程開(kāi)門(mén)操作，柜門(mén)開(kāi)啟成功后，蜂鳴器會(huì)長(zhǎng)鳴提醒。當(dāng)服務(wù)器傳來(lái)歸還設(shè)備錯(cuò)誤指令時(shí)，控制器處理消息后會(huì)執(zhí)行異常報(bào)警功能，對(duì)用戶(hù)操作行為進(jìn)行反饋。

2.2.4 傳感器組

實(shí)驗(yàn)設(shè)備控制器選用HTS221溫濕度傳感器和DHT11溫濕度傳感器。精密儀器設(shè)備對(duì)存放環(huán)境溫濕度條件有一定要求，前者用于監(jiān)測(cè)控制器運(yùn)行時(shí)PCB所處環(huán)境溫濕度，后者用于監(jiān)測(cè)柜門(mén)外環(huán)境溫濕度。此外，為了更加完整地監(jiān)測(cè)設(shè)備柜環(huán)境，選用LPS22HB氣壓計(jì)用于監(jiān)測(cè)環(huán)境氣壓值。

HTS221是意法半導(dǎo)體（STMicroelectronics）生產(chǎn)的數(shù)字式溫濕度傳感器IC。控制器通過(guò)I2C協(xié)議與HTS221溫濕度傳感器通信，其通信地址為0xBE。DHT11是一個(gè)包含已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度傳感器[19]，內(nèi)部由一個(gè)8位單片機(jī)控制一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè) NTC測(cè)溫元件。DHT11采用單總線協(xié)議，只需用一個(gè)GPIO便可獲取到數(shù)字化溫濕度數(shù)據(jù)[20]。氣壓計(jì)選用ST生產(chǎn)的氣壓傳感器LPS22HB，控制器通過(guò)I2C協(xié)議與LPS22HB氣壓計(jì)傳感器通信，其通信地址為0xBA。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 軟件總體設(shè)計(jì)

基于FreeRTOS實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備柜控制器系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。將系統(tǒng)功能進(jìn)行邏輯劃分，創(chuàng)建不同的獨(dú)立任務(wù)完成各個(gè)功能。利用FreeRTOS實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的多任務(wù)機(jī)制對(duì)任務(wù)分配系統(tǒng)資源，并根據(jù)規(guī)定的任務(wù)優(yōu)先級(jí)運(yùn)行調(diào)度。

根據(jù)系統(tǒng)功能需求，建立6個(gè)關(guān)鍵應(yīng)用任務(wù)：時(shí)間同步任務(wù)、數(shù)據(jù)采集任務(wù)、柜門(mén)管理任務(wù)、日志管理任務(wù)、運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)任務(wù)和云端通信任務(wù)。

3.2 FreeRTOS移植配置

使用FreeRTOS前，需要根據(jù)MCU型號(hào)和系統(tǒng)功能進(jìn)行如下初始化配置：①開(kāi)啟可視化跟蹤調(diào)試;②任務(wù)名字字符串長(zhǎng)度;③支持動(dòng)態(tài)內(nèi)存申請(qǐng);④日志打印的最大消息長(zhǎng)度。

為使傳輸數(shù)據(jù)易于閱讀和幀格式規(guī)范，同時(shí)易于解析和生成數(shù)據(jù)幀，本文移植了cJSON包，用于生成和解析JSON格式數(shù)據(jù)。在FreeRTOS中移植cJSON包，需在cJSON.h中將原來(lái)申請(qǐng)內(nèi)存函數(shù)malloc修改為pvPortMalloc，釋放內(nèi)存函數(shù)free修改為pvPortFree。

3.3 證書(shū)及網(wǎng)絡(luò)初始化

控制器采用WiFi模塊與云服務(wù)器通信，需要配置WiFi網(wǎng)絡(luò)連接信息。接入AWS IoT需要導(dǎo)入身份證書(shū)，使用MQTT消息代理需要配置代理地址信息。WiFi網(wǎng)絡(luò)配置需設(shè)置無(wú)線網(wǎng)絡(luò)名稱(chēng)、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)密碼和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)安全類(lèi)型。MQTT代理配置需設(shè)置AWSIoT證書(shū)、AWS IoT平臺(tái)MQTT消息代理地址、MQTT代理通信端口號(hào)以及控制器在AWS IoT平臺(tái)上配置的物品唯一名稱(chēng)。

3.4 任務(wù)優(yōu)先級(jí)分配

控制器采用Amazon FreeRTOS實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，利用其多任務(wù)調(diào)度機(jī)制實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)設(shè)備柜控制器功能需求。將功能進(jìn)行邏輯分析，對(duì)部分功能創(chuàng)建獨(dú)立任務(wù)完成，并設(shè)置任務(wù)優(yōu)先級(jí)和堆棧大小，由操作系統(tǒng)完成調(diào)度運(yùn)行。

Amazon FreeRTOS（版本號(hào)202002.00）默認(rèn)設(shè)置的最大優(yōu)先級(jí)為7，為滿(mǎn)足本文任務(wù)設(shè)計(jì)需要，修改FreeRTOSConfig.h配置文件。將任務(wù)最大優(yōu)先級(jí)configMAX_PRIORITIES修改為15，任務(wù)最小堆棧configMINIMAL_STACK_SIZE修改為90，系統(tǒng)運(yùn)行堆棧大小configTOTAL_HEAP_SIZE修改為60*1024?？刂破飨到y(tǒng)中任務(wù)及優(yōu)先級(jí)分配如表1所示。

3.5 任務(wù)功能

基于STM32L475微處理控制器及外設(shè)組成實(shí)驗(yàn)設(shè)備柜控制器系統(tǒng)，運(yùn)行Amazon FreeRTOS實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)滿(mǎn)足多任務(wù)和實(shí)時(shí)響應(yīng)云端指令。任務(wù)功能模塊如圖3所示。

3.5.1 時(shí)間同步

基于UDP協(xié)議和SNTP協(xié)議實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步功能，更新RTC時(shí)鐘，使實(shí)驗(yàn)設(shè)備控制器本地時(shí)間與服務(wù)器同步。最新版Amazon FreeRTOS在協(xié)議層減去UDP支持，需要開(kāi)發(fā)者自己設(shè)置。在es_wifi.c文件ES_WIFI_StartClientConnection（）中增加conn->Type == ES_WIFI_UDP_CONNECTION，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)UDP的支持。

3.5.2 數(shù)據(jù)采集任務(wù)

傳感器包括HTS221溫濕度傳感器、LPS22HB壓力計(jì)以及DHT11溫濕度傳感器，前兩個(gè)傳感器負(fù)責(zé)采集PCB所處環(huán)境溫濕度和氣壓數(shù)據(jù)，保證實(shí)驗(yàn)設(shè)備控制器不受外界環(huán)境干擾。精密儀器設(shè)備對(duì)環(huán)境溫濕度條件有一定要求，本文選擇DHT11傳感器用于監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)設(shè)備存放位置的環(huán)境溫濕度，以便管理人員實(shí)時(shí)監(jiān)控，避免因環(huán)境因素造成實(shí)驗(yàn)設(shè)備損壞。傳感器數(shù)據(jù)采集流程如圖4所示。

3.5.3 設(shè)備借還

用戶(hù)使用借還功能時(shí)，控制器會(huì)打開(kāi)柜門(mén)并上傳柜門(mén)狀態(tài)信息。

當(dāng)控制器收到用戶(hù)開(kāi)門(mén)指令時(shí)，控制繼電器觸發(fā)吸合打開(kāi)柜門(mén)。圖5所示的是遠(yuǎn)程開(kāi)門(mén)操作。用戶(hù)在客戶(hù)端使用遠(yuǎn)程開(kāi)門(mén)功能。終端執(zhí)行開(kāi)門(mén)操作，若成功則柜門(mén)打開(kāi)，控制器向服務(wù)器上傳開(kāi)門(mén)成功信息，反之則開(kāi)門(mén)失敗。

用戶(hù)通過(guò)客戶(hù)端發(fā)送開(kāi)門(mén)指令，控制器接收到指令后執(zhí)行開(kāi)門(mén)操作，并將結(jié)果反饋給用戶(hù)。若柜門(mén)狀態(tài)是監(jiān)測(cè)指令，控制器會(huì)直接返回柜門(mén)狀態(tài)給用戶(hù)。

圖6為租借設(shè)備流程。當(dāng)用戶(hù)開(kāi)啟柜門(mén)時(shí)，控制器會(huì)將相應(yīng)柜門(mén)狀態(tài)偵測(cè)線的中斷標(biāo)志使能。當(dāng)用戶(hù)關(guān)上柜門(mén)時(shí)，控制器會(huì)開(kāi)啟RC522天線，識(shí)別柜門(mén)內(nèi)設(shè)備的電子標(biāo)簽ID信息，若未檢測(cè)到電子標(biāo)簽ID信息則判定為設(shè)備借出，并將數(shù)據(jù)上傳服務(wù)器，反之，設(shè)備未借出則不需要上傳數(shù)據(jù)到服務(wù)器。

圖7所示的為租借歸還流程。用戶(hù)要?dú)w還設(shè)備時(shí)，在客戶(hù)端使用相應(yīng)功能，終端會(huì)收到歸還設(shè)備指令，開(kāi)啟相應(yīng)柜門(mén)。待用戶(hù)關(guān)閉柜門(mén)后，控制器開(kāi)啟RC522天線，讀取RFID標(biāo)簽的ID信息并上傳至服務(wù)器，服務(wù)器對(duì)上傳設(shè)備id和柜門(mén)id進(jìn)行匹配，判斷是否歸還正確。

3.5.4 運(yùn)行狀態(tài)任務(wù)

CPU定時(shí)或通過(guò)指令觸發(fā)采集系統(tǒng)運(yùn)行信息，其實(shí)現(xiàn)邏輯是通過(guò)調(diào)度CPU_Task任務(wù)，使用vTaskList（）獲取任務(wù)優(yōu)先級(jí)、剩余堆棧等信息列表，使用vTaskGetRunTimeStats（）獲取當(dāng)前任務(wù)占用CPU使用率，使用xPortGetFreeHeapSize（）獲取系統(tǒng)剩余堆棧信息。

4 測(cè)試與評(píng)估

實(shí)驗(yàn)設(shè)備控制器系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)會(huì)進(jìn)行證書(shū)校驗(yàn)和WiFi模塊初始化，并發(fā)送一條消息告知服務(wù)器當(dāng)前設(shè)備在線。當(dāng)系統(tǒng)初始化完成后執(zhí)行時(shí)間同步任務(wù)，向NTP服務(wù)器發(fā)送SNTP協(xié)議格式數(shù)據(jù)，控制器將返回?cái)?shù)據(jù)處理后更新RTC時(shí)鐘，實(shí)現(xiàn)控制器本地時(shí)間與網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步，如圖8所示。

用戶(hù)使用借還功能時(shí)，控制器會(huì)打開(kāi)柜門(mén)并上傳柜門(mén)狀態(tài)信息。開(kāi)門(mén)指令“order：OD”，控制器接收后進(jìn)行開(kāi)門(mén)操作并將指令執(zhí)行結(jié)果反饋給服務(wù)器。當(dāng)用戶(hù)借用設(shè)備關(guān)門(mén)后，控制器會(huì)控制RC522模塊識(shí)別電子標(biāo)簽，若沒(méi)識(shí)別到設(shè)備信息則表明設(shè)備借出，設(shè)置state鍵值為1，并將結(jié)果反饋給服務(wù)器。反饋指令“order：CD”需要附帶該實(shí)驗(yàn)設(shè)備所在柜門(mén)id，如圖9所示。

5 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)遠(yuǎn)程、高效、自動(dòng)化和智能化的實(shí)驗(yàn)設(shè)備柜控制器系統(tǒng)。利用FreeRTOS創(chuàng)建多個(gè)任務(wù)按事先所設(shè)定的優(yōu)先級(jí)順序調(diào)度運(yùn)行，完成設(shè)備借還、時(shí)間同步、遠(yuǎn)程監(jiān)控等多個(gè)功能;采用MQTT消息傳輸協(xié)議，接入AWSIoT平臺(tái)，保證數(shù)據(jù)傳輸安全;服務(wù)器調(diào)取AWS服務(wù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，并將結(jié)果呈現(xiàn)給用戶(hù);使用RFID識(shí)別技術(shù)實(shí)現(xiàn)設(shè)備柜門(mén)與實(shí)驗(yàn)設(shè)備相互綁定。

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（責(zé)任編輯：杜能鋼）