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TecentOS Tiny-从 0/1 到 IOT 设备

 4 years ago
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随着网络通信技术发展，物联网在生活中应用越来越广。本文基于 TencentOS Tiny 物联网操作系统和 STM32 芯片，尝试从最底层的物理 0/1 高低电平到芯片寄存器，再到 RTOS 操作系统、甲醛传感器 IOT 组件，最后到腾讯云 IOT 平台来分析一个简单的物联网设备原理，更好的理解在嵌入式系统中软硬件是如何协作的。

一、TencentOS Tiny 架构

TencentOS tiny 主体架构图包含了这些

20201014-1.jpg

其中 CPU/MCU 常用的 ARM Cortex 系列分为下面几类：

  • Cortex-A 系列：面向性能密集型系统的应用处理器内核。应用在智能手机、上网本、数字电视等。
  • Cortex-R 系列：面向实时应用的高性能内核。应用在汽车制动系统、动力传输、航天航空等。
  • Cortex-M 系列：面向各类嵌入式应用的微控制器内核。应用在微控制场景、成本敏感性的产品。开发板所用的 STM32G070RBT6 就属于此类的 M0。

SMT32 MCU 的 GPIO（General-purpose input/output）引脚连接到外围电路，MCU 通过写 GPIO 的寄存器，可以将引脚设置为输入/输出、高/低电平。这样可以感知到外界物理电路高低电平变化或控制外接电路，从而实现控制（Microcontroller）。

比如，通过写寄存器直接将 GPIOB5 口的电平设置为高电平，从而点亮 LED。

GPIOB->ODR |= 1<<5; // 即 0x002333333 |= 1<<5
GPIOB->ODR &= ~(1<<5);

在开发中完全可以用裸的寄存器操作完成功能开发，但各种类型的芯片引脚、寄存器定义不同。如果能抽象出对 GPIO 的处理函数效率会更高，这就是 HAR（Hardware Abstract Layer）硬件抽象层。芯片厂家在这里 HAL_GPIO_TogglePin 函数封装了对 GPIO 的处理。

当我们尝试在 OLED 上展示 “Hello World” 时，需要频繁调用 HAL_GPIO_TogglePin。我们又可以将这些 GPIO 初始化、GPIO 电平设置的操作封装为一些函数，这样就形成了 BSP（Board Support Package）板级支持包层。TencentOS Tiny 在这里 OLED_ShowString 函数封装了液晶屏展示的功能。

板级支持包也可以看做显示屏/传感器/串口模块/WIFI 模块支持包，上层应用不需要关心底层的寄存器操作和电平变化。通过由下而上的 HAL 层、BSP 层，TencentOS tiny 将最下层的硬件层屏蔽起来，可以在此之上构建操作系统 Kernel。

操作系统抽象层

TencentOS tiny 实时内核包括任务管理、实时调度、时间管理、中断管理、内存管理、异常处理、软件定时器、链表、消息队列、信号量、互斥锁、事件标志等模块，实现了一个操作系统所有的机制。

为了形成完整的物联网组件 + 物联网操作系统 + 腾讯云 IOT 平台，定制化操作系统抽象层有很多优势。通过向下封装基础物联网组件 BSP，向上封装腾讯云 IOT 能力，如果形成行业统一的标准，会很大程度提升产品研发效率。

二、甲醛监测仪搭建步骤

主要需要把 TOS EVB G0 开发板、ESP8266 WIFI 模块、甲醛传感器搭建成甲醛监测仪，步骤如下：

1、通过串口下载固件到 ESP8266 WIFI 模块

ESP8266 模块本身也有 Tensilica L106 控制芯片，可以进行编程实现功能。TencentOS Tiny 已经提供了和腾讯云 IOT 平台对接的代码编译出来的 bin 二进制（固件），只需要将二进制烧录到芯片中就可以实现和腾讯云 IOT 的交互。TencentOS Tiny 做的工作是扩展封装了 ESP8266 的 AT 指令集，这样 STM32 芯片只需要通过串口把 AT 指令发送到 ESP8266 上，就能实现 STM32 和腾讯云 IOT 平台的通信。

20201014-2.jpg

在下载 bin 二进制时，需要把ESP_TXD 连接 USB 转串口芯片引脚 CH340_RX，ESP_RXD 连接 CH340_TX。这样 ESP8266 直接连接到 PC 串口 COM*，可以直接下载 bin 二进制。下载完后，恢复连接 1-3、5-7、2-4、6-8，让 ESP8266 和 STM32 相连，这样 STM32 才能控制 ESP8266 WIFI 模块。

20201014-3.jpg

2、通过 ST-LINK 下载程序到 STM32G070RBT6 芯片

使用 ST-LINK 调试器串行调试 SWD（Serial Wire Debug）模式来下载程序到芯片中。SWD 是芯片自身支持的调试能力。

三、代码分析

要理解整个嵌入式系统的原理，还需要分析一下工程的代码。整个工程路径在这里。

整个工程的入口函数是 application_entry，它对应的定义是：

extern void application_entry(void *arg);
osThreadDef(application_entry, osPriorityNormal, 
                       1, APPLICATION_TASK_STK_SIZE);
EMBARC_WEAK void application_entry(void *arg)
{
    while (1) {
        printf("This is a demo task!\r\n");
        tos_task_delay(1000);
    }
}

int main(void)
{
    /* OS kernel initialization */
    osKernelInitialize();
    /* application initialization entry */
    osThreadCreate(osThread(application_entry), NULL);
    /* start kernel */
    osKernelStart();
}

osThreadDef 将 application_entry 函数定义成一个 os_thread_def 线程结构体，osKernelInitialize 用来初始化内核，接着 osThreadCreate 创建 application_entry 为主体函数的线程。osKernelStart 启动 RTOS 内核。整个 RTOS 使用参考 CMSIS-RTOS API。

主任务线程

OLED 显示、读取甲醛传感器数值、WIFI 通信的主要逻辑写在 mqtt_demo_task 中。

// 初始化 WIFI 模块连接的 UART2 串口
esp8266_tencent_firmware_sal_init(HAL_UART_PORT_2); 
// 加入 WIFI 网络
esp8266_tencent_firmware_join_ap("user", "passwd");

UART3 连接了甲醛传感器读取数值，当需要读取数值时需要使用 HAL_NVIC_EnableIRQ 打开 UART3 的中断 ，让 CPU 能接收中断。

UART 引脚连接的功能如下：

  • UART1：USB 转串口芯片 CH340 引脚
  • UART2：ESP8266 WIFI 模块引脚
  • UART3：E53 甲醛传感器底板引脚
  • UART4：P6 4 针插线柱

核心逻辑主要有下列几步：

1、读取甲醛传感器数据

读取甲醛传感器数据由 ch20_parser.c 中的 ch20_parser_task_entry 线程处理，读取完成后通过 tos_mail_q_post 发送到邮箱，主线程通过 tos_mail_q_pend 读取邮箱数据。

那么 ch20_parser_task_entry 线程中的数据来源于哪里呢？是在 stm32g0xx_it_demo.c 中 HAL_UART_RxCpltCallback 接收 CPU 的 UART3 中断回调时写入的。

2、通过 WIFI 上传数据到腾讯云 IOT

上传数据是通过 tos_tf_module_mqtt_pub 发送数据到队列，其实是把 AT 指令 + 数据写到 UART2 的 WIFI 模块，WIFI 模块再上传数据。

int esp8266_tencent_firmware_module_mqtt_pub(const char *topic, qos_t qos,
 char *payload)
{
    at_echo_t echo;

    tos_at_echo_create(&echo, NULL, 0, "+TCMQTTPUB:OK");

    tos_at_cmd_exec(&echo, 1000, "AT+TCMQTTPUB=\"%s\",%d,\"%s\"\r\n", 
            topic, qos, payload);
    if (echo.status == AT_ECHO_STATUS_OK || 
         echo.status == AT_ECHO_STATUS_EXPECT)  {
        return 0;
    }
    return -1;
}

四、从 0/1 到 IOT 设备

20201014-4.jpg

20201014-5.jpg

这样就完成了从硬件层 0/1 高低电平到 STM32 芯片，再到 RTOS 操作系统、甲醛传感器物联网组件，最后到腾讯云 IOT 平台的整个流程。


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