基于ESP32+Platformio的物联网RTOS_SDK-CC_Device

news2024/11/27 20:33:34

本项目基于ESP32以及Platformio平台开发，请自行查阅如何配置这个环境
开源gitee地址：cc_smart_device
如果愿意贡献项目or提出疑问和修改的，请在gitee上提issue
项目里的mqtt服务器是公共的 请大家最好换成私有的 否则容易收到其他用户的错误数据

文章目录

  • 1 基本介绍
  • 2 基本架构
  • 3 中间件
    • 3.1 RTOS部分
      • 3.1.1 互斥锁
      • 3.1.2 信号量
      • 3.1.3 消息队列
      • 3.1.4 软件定时器
      • 3.1.5 线程
        • 3.1.5.1自动初始化机制
      • 3.1.6 内存分配与回收
      • 3.1.7 条件变量
      • 3.1.8 内存池
    • 3.2 日志接口
    • 3.3 Shell命令行
      • 3.3.1 简单介绍
      • 3.3.2 常用命令介绍
    • 3.4 Msg消息层
      • 3.4.1 msg
      • 3.4.2 mqtt
      • 3.4.3 device_msg
  • 4 设备
    • 4.1 简介
    • 4.2 设备初始化挂载机制
    • 4.3 相关API
      • 4.3.1 abs_device
      • 4.3.2 串口
      • 4.3.3 WiFi
      • 4.3.4 文件系统（基于Flash）

1 基本介绍

项目的初衷来自于大学的毕设是一个物联网的设备，工作中学习到了一些编码技巧，想应用在自己的实际项目中，加上ESP32自带的FreeRTOSAPI我觉得实在是太丑了，所以制作了这个SDK，用于未来物联网项目的便捷开发。

2 基本架构

项目的系统框图如下
系统框图
本项目的特色有

  • 宏定义注册初始化函数，用户无需在主函数中显式调用初始化函数，只需要通过宏定义进行函数的自动初始化，并且有优先级机制
  • 宏定义注册线程，线程不需要用户在主函数进行创建，只需要通过宏定义创建线程，耦合度低
  • Shell命令行导出函数，Shell命令补全，进行测试以及一些交互，方便用户进行调试。
  • 宏定义注册MQTT主题对应的回调，当接收到一个主题消息时，会自动路由到该回调中
  • 统一的消息层接口，使得不同节点的消息可以调用统一的上层API
  • 宏定义注册消息分发，消息将会自动路由到回调中
  • 宏定义注册设备初始化函数，用户不需要像linux的设备驱动那样手动设置读写控制的回调
  • cc_config.h中可以配置开关WIFI，MQTT，设备分发等，实现体积缩减以及简洁程序方便自定义
  • 实现抽象设备类，用户加入的物联网设备只需按规定实现对应的读写，控制函数

整个项目构成文件夹如下

  • device（设备层）
    • abs_device（抽象设备类 用户设备按需实现抽象设备类的函数即可）
    • borad_device（板级设备支持，例如IIC，串口，WIFI）
    • user_device（用户自定义设备）
  • middleware（中间件部分）
    • core（RTOS相关组件）
    • log（日志打印接口）
    • shell（命令行交互）
    • msg（消息层）
  • user_app（用户应用层）
    非必要情况下 用户只需要改变user_app里的代码即可，其他可通过cc_config.h进行配置实现

3 中间件

3.1 RTOS部分

3.1.1 互斥锁

互斥锁用于多线程中的线程安全同步，在一个线程持有锁时，另一个线程试图获取锁时将遭遇阻塞，或超时失败不处理等。因为多个线程对一个共享变量（例如全局变量）的访问是不安全的，可能会造成不同步问题。具体互斥锁用法可以看CSDN，有很多。

cc_mutex_create动态创建一把互斥锁
cc_mutex_init静态创建一把锁
cc_mutex_lock上锁操作 拿不到锁则永久阻塞等待
cc_mutex_trylock上锁操作 拿不到锁直接return
cc_mutex_lock_time上锁操作 上锁指定时间
cc_mutex_unlock解锁操作
cc_mutex_del删除一把锁（动态）

3.1.2 信号量

可以实现类似生产者消费者的模式，通过发送信号量的形式，另一个接收信号量的线程收到信号时，就会执行接下来的业务逻辑。也可以实现线程同步机制，信号量发送一次后，可以理解为有一个计数值+1，然后其他线程检测到这个计数值不是0了。就会消费掉这个计数值，然后进行自己接下来的逻辑操作，同理，如果信号量释放了三次，也会被消费三次，具体信号量用法可以看CSDN，有很多。

cc_sem_create动态创建一个信号量
cc_sem_init静态创建一个信号量
cc_sem_release释放一个信号量
cc_sem_wait等待一个信号量，拿不到就永久阻塞
cc_sem_try_wait等待一个信号量，拿不到就直接走return
cc_sem_wait_time等待一个信号量，拿不到就等待指定时间
cc_sem_get_cnt获取信号量计数值
cc_sem_del删除一个信号量

3.1.3 消息队列

实现多线程间的通信，将消息复制到一条队列中去发送，另一个接收这个队列的将会收到该条消息，实现安全的线程通信（因为如果有全局变量通信是线程不安全的，互斥锁在这里是不合适的，复杂了那样，而且互斥锁只有1和0的关系，不够灵活）

cc_queue_create创建一个消息队列 参数是队列长度和每个消息的大小
cc_queue_init静态创建一个消息队列
cc_queue_deinit删除一个队列(用于静态接口)
cc_queue_send_time发送消息到队尾，若队列满 等待指定时间看看是否能入队
cc_queue_send发送消息到队尾 若队列满 则永久等待队列有空闲位置
cc_queue_send_try发送消息到队尾 若队列满则return
cc_queue_send_urgent_time发送紧急消息 也就是发送到队头进行插队，若发送不了则等待指定时间看看能否入队
cc_queue_send_urgent_try发送紧急消息 发不了就走
cc_queue_send_urgent发送紧急消息 永久等待
cc_queue_send_overwrite发送消息，覆盖写入，也就是如果队列满了，这将覆盖队列的第一条数据
cc_queue_recv_time队列接收，如果指定时间没接收到则return
cc_queue_recv队列接收，若没接收到则阻塞
cc_queue_recv_try队列接收，若没接收到就直接return
cc_queue_destory删除一个队列(用于动态接口)

3.1.4 软件定时器

就是在模拟硬件定时器的效果而已，没什么

cc_timer_create创建一个定时器 参数是定时时间，定时器类型（单次多次），回调函数
cc_timer_reset定时器复位
cc_timer_start定时器启动
cc_timer_stop定时器停止
cc_timer_change_time定时器改变定时周期
cc_timer_get_systick定时器获取系统滴答计时器
cc_timer_init静态创建一个定时器
cc_timer_change_time改变定时器周期
cc_timer_change_time_and_start懒得解释了
cc_timer_change_time_and_stop懒得解释了
cc_timer_create_and_start
cc_timer_init_and_start
cc_timer_deinit反初始化 用于静态接口
cc_timer_destory销毁 用于动态接口

3.1.5 线程

具体多任务多线程这种和裸机的区别，大家自己看csdn吧。

cc_thread_yield任务切换
cc_is_in_isr是否在中断
cc_thread_self获取当前线程TID
cc_thread_delete根据TID删除线程
cc_thread_delete_by_name根据名字删除线程
cc_thread_delete_by_cb根据回调删除线程
cc_get_tid_by_cb根据回调获得TID
cc_get_tid_by_name根据名字获得TID
cc_thread_create_raw
cc_thread_create_stack_size
cc_thread_create_default
cc_thread_resume_all唤醒所有线程
cc_thread_suspend_all挂起所有线程
cc_thread_resume唤醒指定线程
cc_thread_suspend挂起指定线程
cc_thread_enter_critical进入临界段
cc_thread_exit_critical退出临界段
cc_thread_get_priority获得优先级
cc_thread_set_priority设置优先级
cc_thread_get_state根据TID获取线程状态
cc_thread_get_state_by_name根据名字获取线程状态
cc_thread_get_state_by_cb根据回调获取线程状态
cc_get_min_stack_using_size根据TID获取线程剩余的最小栈空间
cc_get_min_stack_using_size_by_name根据名称获取线程剩余的最小栈空间
cc_get_min_stack_using_size_by_cb根据回调获取线程剩余的最小栈空间
3.1.5.1自动初始化机制

普通的函数接口大家就直接看源码吧，有过基础的肯定会用，这里主要讲一下自动初始化组件，这这里，我提供了两个宏定义，用于初始化线程，如何使用呢？只需要调用宏定义即可

CC_THREAD_REGISTER_ALIAS参数是 线程回调，线程优先级，栈大小
CC_THREAD_REGISTER参数是 线程回调，线程优先级，栈大小，线程名字

第一个为什么可以不传参呢？因为这里的#fun,就是把函数名字变成字符串，传入了CC_THREAD_REGISTER_ALIAS的第四个名称参数中。这是一些宏定义的奇怪用法！！！非常的酷炫
S

attribute((constructor)) 这个字段，则是可以让这个宏函数，在main函数之前执行，也就是实现所谓的自动初始化效果，具体源码这里暂不讲解。大家可以自己研究。

使用宏定义创建有一个非常大的好处就是，主函数不再需要进行任务的创建，利于项目复杂度高时进行管理，并且我会把所有的线程信息都存储下来。使得整个程序对任务的管理更加方便，代码的耦合度也更低。

一个简单的小例子。
在这里插入图片描述
这样就实现了一个心跳线程的创建，不需要的时候直接注释宏定义，main函数里面什么都不用，当项目体量大的时候，这样的好处会非常明显。

3.1.6 内存分配与回收

简单 直接看就行，就是free和malloc而已

3.1.7 条件变量

条件变量用于让线程等待一个条件，阻塞等待，当然，超时了也可以返回，互斥锁只有0和1的关系，而条件变量可以实现多对1个触发条件的效果，具体大家可以看csdn，”条件变量和互斥锁的区别“，和信号量的区别在，信号量是计数的，可以释放多次，释放几次，就会被拿到几次执行几次。而条件变量则是释放一次，等待这个条件的线程则会执行一次，如果是广播释放，则会全部执行。

cc_cond_create动态创建一个条件变量
cc_cond_init静态创建一个条件变量
cc_cond_wait等待一个条件变量，拿不到就永久阻塞
cc_cond_try_wait等待一个条件变量，拿不到就直接走return
cc_cond_wait_ms等待一个条件变量，拿不到就等待指定时间
cc_cond_signal释放一个条件变量，拿到条件的线程就执行
cc_cond_broadcast广播释放，所有等待该条件的线程都执行下去

3.1.8 内存池

注意 内存池申请大小时,请用宏MEM_BLOCK_REAL_SIZE(sz)申请你需要的单个数据块大小,静态初始化时MEMPOOL_TOTAL_REAL_SIZE(num,sz)分配静态数组大小,因为内部存储结构有指针,所以数据有内存要留给指针,导致比如用户申请了20的内存,实际只有16而MEM_BLOCK_REAL_SIZE(sz)这个宏帮你进行了这片内存的增加

cc_mempool_t cc_mempool_create(size_t block_num, size_t block_size) ;动态创建一个内存池
int cc_mempool_init(cc_mempool_t pool,void *smem, size_t sz, size_t block_size);静态创建一个内存池
int cc_mempool_destroy(cc_mempool_t pool) ;销毁内存池(暂未实现)
void* cc_mempool_alloc(cc_mempool_t pool)申请一片内存(永久等待)
void* cc_mempool_try_alloc(cc_mempool_t pool) ;申请一片内存(不等待)
void* cc_mempool_alloc_time(cc_mempool_t pool, uint32_t timeout) ;申请一片内存(等待单位时间)
int cc_mempool_free(cc_mempool_t pool, void *m) ;释放对应内存

3.2 日志接口

使用方法和printf完全兼容。

cc_log打印正常日志
cc_log_e打印异常日志

​ 使用日志打印比起正常的printf有个好处就是，会告诉你时间，函数，以及处于哪一行，是否出错这样的。相当于这样，会为你添加前缀
在这里插入图片描述

3.3 Shell命令行

3.3.1 简单介绍

开发这个组件的目的是因为，大家有没有发现，我们在测试程序的时候很麻烦，总是这里注释一下，那边注释一下。如果有很多个测试程序的话，可能还要根据串口然后switch case一个个执行，那么有没有一种办法可以像例如git,linux那样和命令行交互呢，当然可以了，所以我开发了这个命令行组件，方便大家进行一些测试用例的导出，以及控制一些变量的数值来实现**”功能的开关“**等。

**使用的方法很简单，同样也是通过宏定义进行注册。**就和之前的线程是一样的

CC_COMMAND_SHELL_ALIAS(func, name, info)参数是 回调函数，测试用例别名，介绍信息
CC_COMMAND_SHELL(func, info)参数是 回调函数，介绍信息，该测试用例的名字就是函数名

使用格式！！！！！！！！！！

shell 测试用例名字,参数1，参数2

不传参就是 shell 测试用例名字

如果要传参的话，程序支持两个参数的传入 例如 shell heart,1,2 这里按逗号分隔的两个函数就会进入到用户的回调中去。用户自行进行对应的转换。

一个小例子。我们写下heart_debug函数，用宏定义CC_COMMAND_SHELL导出到Shell命令行中
在这里插入图片描述
这就是一个简单的控制心跳任务开关的用例导出，通过cc_get_tid_by_cb函数（通过线程回调获取线程TID），再根据传入的param1，对该线程进行挂起或者恢复的操作，在命令行中使用如下。
在这里插入图片描述

3.3.2 常用命令介绍

1:shell help 会打印这个程序支持的所有命令，例如
在这里插入图片描述
2：shell tid_info 打印线程信息
在这里插入图片描述
**3： xx_debug，**就是打开调试信息，打开后会显示对应的debug调试信息，例如一个消息的解析过程，主要是调试的时候用的。例如我这边如果全部打开。
在这里插入图片描述

打开了三个调试功能，下面如果我们再次输入shell help会出现什么呢？

显示了一条消息从消息层收到的原始消息 shell_help,再到shell_data_handle处理是否是自己的消息，并解析，最后发送到shell线程，最终得到执行后，回复到msg层执行的结果。
在这里插入图片描述

3.4 Msg消息层

3.4.1 msg

主要负责进行各个节点的消息接收，在本项目中，不同的发送信道，被认为是一个节点，并有其对应的发送队列。提供了一个统一的消息入口。例如刚刚的shell tid_info这种命令，既可以基于串口那边，从”串口节点“发送过来，也可与从MQTT那边，从MQTT节点发送过来，主要目的是实现消息的分发路由。同时，这样对不同消息节点的轮询判断，就不会导致，全部发到一条队列时，如果有一个信道的消息过多，导致响应其他信道消息的消息太慢的情况。

但是虽然目前这个消息层写的不太好，也不完善，只是一个简单实现。

我也深知自己的技术水平目前还不足以写出一套例如握手，确认帧的这种完整的消息链路传递，会涉及到很多的对端设计，还是非常麻烦的

以后技术水平上来了会慢慢重构，而且那个也会增加项目的复杂度，有可能对用户来说也更复杂了。

目前的消息路由是

节点携带消息发送到队列 -> 消息线程 -> 轮询判断队列是否有消息 -> 有的话接收并进行消息的处理or进一步转发出去

int cc_msg_send(int node, char *data, int len, char *topic, int topic_len);消息发送(最后两个参数是给mqtt的 普通节点可以不用)
void cc_msg_resp(int node, char *data, int len, char *topic);消息回复(目前只支持串口和MQTT)

MSG层同样支持宏定义注册功能

CC_MSG_HANDLE_REGISTER(func, prefix_name) 用户可以通过这个宏定义注册自己对应的消息前缀的回调，数据以节点+消息帧的形式及进行传输
消息帧的结构体如下
在这里插入图片描述

例如我这里就注册了shell 消息的回调，这也是为什么我们前面的shell命令行的格式 是以 shell+空格 开头，数据存在node节点的mem中，用户可以通过这样的形式获取数据
在这里插入图片描述
解析数据采用以下形式，数据就在这个frame中
在这里插入图片描述

3.4.2 mqtt

作为消息层里的一个传输节点存在，里面的回调调用了cc_msg_send函数，如果mqtt的消息匹配到了上面的那些shell help这种的规则命令（还未加入主题进行路由判断，很简单后面一加就好），就会执行到对应的shell命令，这就是抽象分发层的好处。同理，这个程序也表示了我们使用线程注册的好处，其实我在这个c文件里面已经注册开启了这个线程了，但其实对用户来说，主函数里这个线程是”不可见“的。解除了代码的耦合。

然后mqtt功能可以通过cc_config.h里的CC_CONFIG_USE_MQTT开启注意，开启这个宏定义的同时 WIFI 也要一同开启，因为MQTT要基于网络使用。
本项目中多个地方都运用回到了宏定义注册的功能.这里 **MQTT 的订阅也应用了宏定义注册功能,将订阅主题和回调绑定在了一起,**调用了宏定义的,可以自动订阅这个topic,触发到topic对应的宏定义

CC_TOPIC_SUBSRIBE_ALIAS(cb, topic)参数1回调 参数2主题
CC_TOPIC_SUBSRIBE(cb)参数1回调,自动订阅的主题就是回调的名字

CC_TOPIC_SUBSRIBE_ALIAS(heart_msg, “heart”) 例如调用这个宏定义后,程序内部就会自动帮你订阅heart这个主题,收到主题消息后将触发你的heart_msg函数回调

CC_TOPIC_SUBSRIBE(heart_msg) 将会自动帮你订阅 “heart_msg” 这个主题,并触发你heart_msg回调.
其他API

cc_msg_mqtt_publish(const char *topic, const char *data);发布消息
cc_msg_mqtt_subsribe(const char *topic);消息订阅
cc_get_mqtt_state连接状态

3.4.3 device_msg

这是设备消息层，主要用来进行设备消息的分发。是提前规定好了消息帧格式以及帧头的，可以通过配置文件CC_CONFIG_USE_DEVIEMSG开启或者关闭。

消息帧头和格式可以通过 shell d_distr_help 打印
在这里插入图片描述
帧头也可以通过CC_CONFIG_DEVICE_DISTR_HEAD进行配置。

当用户注册了设备（这里后面会写到怎么注册） 并且发送了正确的消息后，消息将会被路由到这个设备的回调or线程中去，如果消息帧表面是异步的，那么就会发送到设备内部的消息队列，用户可以自行去接收并做对应处理，如果是同步，则会直接调用这个设备的对应的读写或者控制的回调函数，然后操作到实际的硬件中。

这里就是一条消息发送完成，发送到分发层，状态机根据逗号进行解包，发送到设备分发层线程，最终处理完成调用硬件的写回调，以及默认的退出回调的过程。
在这里插入图片描述

4 设备

4.1 简介

基于linux的设备驱动的设计思想,设计了一个抽象设备类**,hard_drv为设备的真实物理硬件驱动**,id和类型就是单纯的设备ID与类型，pin用于那种引脚不多的设备可以内部初始化时使用,剩下的那些状态啊,缓冲区啊,num_data主要用于存储设备信息(我知道这样不节约内存 但是方便)。

最重要的还是中间四个函数,初始化,读,写,控制的回调(后续会增加关闭回调,和复位回调那些)。

这四个函数就是底层用户自己实现的时候需要重写的函数,这样消息路由到每个设备的时候,就可以自动调用对应设备的回调,进而操作到对应设备的硬件驱动函数,实现代码的解耦合。

几个退出回调主要用于操作完成后,需要的后续操作,系统的默认实现是不操作,用户如果定义了的话,就按用户操作走,比如读取数据完,发送到mqtt,那么读取数据这个操作就是read_cb实现,发送到mqtt就是read_exit_cb实现。

在这里插入图片描述
后面的三个变量为，互斥锁和队列以及静态创建队列所需的存储消息的内存块大小(主要用于异步通信使用),例如操作led设备时,既可以通过回调直接同步操作,也可以通过发送消息到它的队列里,等待队列拿出消息执行,异步操作。

4.2 设备初始化挂载机制

由于不同类型的设备，本质上用的都是这个抽象设备类实现，那么该如何将不同设备的不同回调实现逻辑对应起来呢？

自动挂载机制实现了这件事

​ CC_DEVICE_INIT_MOUNT（func,type） 这个宏的第一个参数，为设备的初始化回调，第二个参数为设备类型。他可以存储某个特定设备类的回调，具体这个存储的作用，后续会讲到，这边先看用例
例如这边，我注册了一个舵机设备，将初始化函数作为第一个参数，设备类型作为第二个参数。这样 我们就完成了舵机类型设备的挂载。

使用时**（注意这里的devices变量名字不能变）**只需要往数组里填入对应的设备类型即可，如果在外部初始化了硬件驱动的话，则直接改变第一个参数就行
在这里插入图片描述

这边，我们就已经完成了一个ID为1的舵机设备的初始化
在这里插入图片描述

4.3 相关API

4.3.1 abs_device

user_device_t cc_device_get(user_device_t devices, uint8_t device_type, uint8_t device_id);获取设备
CC_DEVICE_INIT_MOUNT设备类型初始化挂载

4.3.2 串口

用户其实不需要动这三个函数，打印调用日志接口，读取的话串口那边会发送消息队列

cc_println(format, …)串口打印 带换行
cc_printf(format, …)串口打印
cc_read()串口读取

4.3.3 WiFi

初始化接口一般不需要用户手动用，会自动初始化的

int cc_wifiWIFI初始化
int cc_get_wifi_state()获取WIFI状态
int cc_wifi_disconnect()WiFi断开连接

4.3.4 文件系统（基于Flash）

这是一个基于flash的文件系统，当需要持久化某些参数的时候，可以通过这个文件系统进行持久化的存储，掉电不丢失，利用键值对的方式进行存储

int cc_fs_set_string(const char* key, char *data);根据键设置字符串
String cc_fs_get_string(const char* key);根据键获取字符串
int cc_fs_set_bool(const char* key, int data);根据键设置bool
int cc_fs_get_bool(const char* key);根据键获取bool
int cc_fs_set_double(const char* key, double data);根据键设置double
double cc_fs_get_double(const char* key);根据键获取double
float cc_fs_get_float(const char* key);根据键设置float
int cc_fs_set_float(const char* key, float data);根据键获取float
int cc_fs_set_char(const char* key, char data);根据键设置char
char cc_fs_get_char(const char* key);根据键获取char
int cc_fs_set_uchar(const char* key, uint8_t data);根据键设置unsigned char
uint8_t cc_fs_get_uchar(const char* key);根据键获取unsigned char
int cc_fs_set_uint(const char* key, uint32_t data);根据键设置unsigned int
uint32_t cc_fs_get_uint(const char* key);根据键获取unsigned int
int cc_fs_set_bytes(const char* key, void *data, uint32_t len);根据键设置bytes
int cc_fs_get_bytes(const char* key, void *data, uint32_t len);根据键获取bytes
int cc_fs_remove_key(const char* key);移除某个键
uint32_t cc_fs_get_free_size();获取剩余大小
int cc_fs_clear();清空

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验证技术 验证是验证用户信息并确定该用户是否有权访问服务器资源的过程。用于验证用户信息的各种验证技术包括： 基本验证基于表单的验证摘要验证客户机整数验证1. 基本验证 网站可能包含两种类型的网站，即受保护和不受保护网页。默认情况下，所有用户都可以访问不受保护或者…
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【Java EE初阶十八】网络原理（三）

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3. 网络层 网络层要做的事情主要是两方面： 1)、地址管理：制定一系列的规则,通过地址,描述出网络上一个设备的位置； 2)、路由选择：网络环境是比较复杂的，从一个节点到另一个节点之间，存在很…
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【7】知识融合

【7】知识融合

知识融合（也称本体对齐、本体匹配、实体对齐），即合并两个知识图谱(本体)，基本的问题都是研究怎样将来自多个来源的关于同一个实体或概念的描述信息融合起来。 需要确认的是： 等价实例：实体的匹配&#xf…
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C++ 调用js 脚本

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需求： 使用Qt/C 调用js 脚本。Qt 调用lua 脚本性能应该是最快的，但是需要引入第三方库，虽然也不是特别麻烦，但是调用js脚本，确实内置的功能（C 调用lua 脚本-CSDN博客） 步骤： 1&…
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redis 值中文显示乱码

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问题： 解决办法： exit退出 进入时添加 --raw参数
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