项目实战-外卖自提柜 1.项目介绍、协议制定

项目实战-外卖自提柜 1.项目介绍、协议制定
项目实战-外卖自提柜 2. CubeMX + FreeRTOS入门
项目实战-外卖自提柜 3. FreeRTOS主要API的应用
项目实战-外卖自提柜 4. FreeRTOS 堆栈分配、调试技巧
项目实战-外卖自提柜 5. ESP8266 01S配置与掉线处理
项目实战-外卖自提柜 6. 硬件工作与测试（原理图、PCB绘制、测试视频）

项目介绍

外卖自提柜，类似蜂巢之类的快递柜。
工作流程：

• 外卖员通过手机APP扫描柜体上面的固定二维码，在APP中输入客户的手机号

• 完成后，服务器向对应手机号发送含有取货密码的短信

• 同时自动分配一个空柜子，向设备端发送一个开柜指令，内容包括，柜号、开柜密码等

• 设备端收到开柜指令后开柜

• 客户收到短信后凭密码取外卖，取完后设备端上报服务器取货成功的信息。

基本功能包括与服务器通信，控制开柜，显示信息，声音提示，验证码输入等等。

服务器和APP是别人做的，我做设备端，柜体用下面这种。

方案选型

方案：
MCU + WIFI模块 + GPRS模块 + 显示屏 + 键盘
选型：
stm32f103rbt6 + esp8266 + sim800 + lcd彩屏 + 矩阵键盘

一开始觉得这个项目so easy 烂大街 ，乍一看确实，这选型也太烂大街了（笑），如果说这是一道电赛题，几天也能弄出来，但做它却花了近两个月…至于原因嘛，做的时候是当一个产品 亲儿子 来做（虽然也不知道产品标准是啥），从系统稳定性、工程/代码规范来讲，很认真在做的。

工作流程

设备端主要工作流程如下：

1. 硬件开机后与服务器连接，连接成功后，硬件自动向服务器发送注册指令， 包含本机的Id，服务器收到后会将该机器注册进来，进行监管。

2. 当有客户想要存放时，会扫描硬件二维码获取机器Id，然后在App上打开某个格子，服务器会向该机器发送存货指令 ， 包含要打开的机器Id，格子Id，存放模式，取货验证码等等，同时服务器会向取货的客户发送6位验证码短信。

3. 机器接收到存柜存货指令后，尝试打开相应格子，并保存验证码，若打开成功，则发回给服务器开柜成功指令表示成功。否则返回开柜失败指令表示失败。

4. 客户来取物品时，在机器上输入相应的六位密码，响应密码的格子就会自动打开，然后向服务器发送取货指令，报告格子被打开。

5. 持续工作，设备需要每30s发送一次心跳指令。

协议制定

协议部分雏形是做服务器的同学定的，这部分直接导致系统从裸奔变成跑FreeRTOS，也是个人认为整个项目最费劲的地方。

下面直接把跟做服务器同学的部分讨论贴上来
（聊天记录自己读了好几遍，相当给劲）

首次确定格式 帧头+数据长度+数据+校验和：

Ta：帧头+长度+数据+校验和 的形式可以吗。帧头标志数据开始，长度标识了信息结束的位置，其实也可以看作是帧头作为不同信息的分隔符
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我：可以
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Ta：还有一种情况是信息内部出现帧头格式，怎么识别。数据丢失也可能发生在头部和尾部
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我：只要不是单字节非ASCII数据，就不会连续四字节的0x0a，咱们数据都用short类型（两字节），帧头就用四个连续的0x0a就可以避免上面的情况了

到这时候，我依然打算裸奔（不跑RTOS），直到后面出现一个个问题：

Ta：
因为数据传输可能出现两种情况，第一种是出错，第二种是丢失。不论哪种情况都需要数据重传，所以对于不管是出错还是丢失的数据都采取丢弃不响应的措施。而正确收到的数据需要返回一个回复帧用以响应。
然后在自己这里设置一个定时器，如果超过一定时间没有收到响应就认为这个数据丢失或者出错了，就进行重传。重传三次以上都没有响应就关闭链接。
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但加入重传就导致另一个问题，就是由于网络问题，回复帧丢失或者是回复帧传输较慢，发送端认为接收端未收到，但实际接收端收到了。发送端就会又进行重传，这时我们需要判断这条指令我们有没有执行过，不能重复执行。
所以如果要进行严格的数据安全保证： 第一个是定时检查，重传未响应数据 第二个是对于响应丢失或延迟，识别并排除重复指令
所以在我们这里实现就是，识别每一个指令，保存发送过的指令，超时重传处理，每个指令都要有回复帧。客户端和服务器端都需要实现这些功能，因为相互传输过程中都有可能出现出错，丢失
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我：
为解决上面的问题，我们增加一个计数值，我们双方每成功通信一次，计数加1，对于发送方来说，收到正确的应答算一次成功通信；对于接收方来说，收到的数据没有错误算一次成功通讯。
把这个计数值附加在每条指令的最后（校验和之前），这样发送者的计数值应该和接收者的计数值相同。如果出现了上面的那种情况，比如设备端已经收到数据，而由于回复帧有延时导致服务器误判断为超时，重发本条指令。这时设备端计数值已经加1了，而服务器的计数值未增加（此时设备端计数值=服务器计数值+1）,则设备端判断为重复指令，忽略此次指令对应的执行动作，但照常回复
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Ta：ok我觉得可行，我再想一下细节，明天同步完善一下
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Ta：我昨天想了一下，计数值可能会出现问题。因为通信消息的发送并不是顺序进行的
比如，当前计数值为10，表示已经通信10次了。现在服务器向你发送多条开柜消息（多人在使用柜子），由于前面发送的还没收到应答消息，所以计数值还是10，那这些消息的消息的计数值就都=10+1=11。
另一种情况是，服务器发送开柜消息，通信号为11，在这段发送时间里，你那里也发送开柜信号，通信号也是11。因为咱俩计数值是一致的=10，我这里发送一条新消息11，你那里也是11
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我：我的理解是，虽然会同时使用柜子，但发送指令还是按顺序来的，服务器发完指令阻塞等待设备回复，这期间不对该设备发送指令，进行一次成功通讯后（收到成功应答信号），再进行下一次通讯
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Ta：实际上并不是这样的，netty框架本身是异步的，当然也可以同步阻塞，但是阻塞的话，一个客户发送消息，如果消息丢了，需要超时重传，响应丢了需要超时重传，这个过程一直阻塞的话，其他人的手机界面一直转圈圈等待，效率太低了。netty就是为高效而生，如果每进行一步都要阻塞等待，那用最简单传统的socket通信就可以了。所以通信不能阻塞，通信必须可以并发
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Ta：假如我们设置一分钟的超时时间+四五位客户存东西+线路传送时间，那么最后一位存东西的不一直在等吗，相当于在排队
我们要的效果是，如果第一位存的消息没到达但是干扰不了第五位存的，第五位顺利到达了，第五位正常存取，第一位自己在等待
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我：懂了，这样的话，计数值不行。主要原因是计数值总在收到回复后才自增，导致后面数据的必须阻塞才能保证计数正确。
那另一种方案，计数值在每发送一个新数据时自增（新数据不包括错误重发的数据），这样计数值相当于一个数据帧的唯一ID，开一个数组/链表，内容为正在等待接收方回复的数据帧的ID，如果某数据帧收到正确的回复，那么将该数据帧对应的ID从数组/链表中移出。
当然这里需要判断这条回复帧是回复哪条数据帧的，所以回复帧中，需要增加数据帧ID的信息。
这样，发送端在每发送一个数据帧时，将该数据帧的ID计入数组/链表，同时开一个属于该数据帧的定时器，做超时判断。
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Ta：这样，如果服务器和客户端公用一个计数值，不好保证同步。服务器自己用一个计数器，从服务器发送出去的数据帧从0开始计数，客户端同理，使用自己的计数器。每发送一个指令就自增，保证自己发送的数据id在自己发送里是唯一的。同理我发送给你的数据指令id在你的接收里也是唯一的。

这一段讨论，增加了一个头疼的需求：

要保证当设备发送一条指令时，等待该条指令被应答的时间内，不影响新的指令的发送

我还是以系统裸奔为前提，来寻找解决办法：

每发送一条指令，我需要为该条指令创建一个独立的的软件定时器，用以等待接收方对该条指令的回复，同时不能阻塞系统的运行。

软件定时器是可行的，但我只能提前在程序里创建好规定数量的定时器，这样软件定时器的个数是确定的，而极端恶劣环境下（有N多条指令要等待发送），那至少从理论上，这种方法不是最优解。
（最优解是：只要单片机的RAM还富裕，我就可以一直创建，直到榨干）

当然我可以动态 申请/释放 内存来 创建/删除 软件定时器，不过这个点子是我决定使用FreeRTOS之后才想到的，当然这就像自己去造轮子，毕竟RTOS实现多任务也通过动态管理内存。

一直在搬砖的我选择继续搬…

相比之前，增加了FrameId，每一帧都有自己唯一的FrameId，用以辨识重复的指令。

嘿，至此，数据格式完全确定了：

帧头 + Length + CmdId + DevId + Content + FrameId + 校验和

• 帧头：0x0a 0x0a 0x0a 0x0a
• Length :指令字节数总长度，包括其本身和校验和，两个字节的无符号short类型，顺序为 [低字节，高字节]
• CmdId: 指令的Id , 一个字节的无符号byte类型
• DevId: 目标设备的Id,两个字节的无符号short类型，顺序为 [低字节，高字节]
• Content : 该条指令包含的详细信息
• FrameId：每一帧的唯一Id，两字节无符号short类型，顺序为[低字节，高字节]
• 校验和：一字节有符号byte类型

不同指令的Content不同：

1. 注册帧000：设备向服务器发送的认证信息，在服务器上注册该设备
   Content为空

2. 回复帧001：回复数据正确
   Content为空

3. 心跳帧002：心跳保持
   Content为空

4. 存货开柜帧003：服务器向设备发送存货开柜指令
   Content内容包含：
   -CellId:机器格子的编号，要开启的格子。两个字节的无符号short类型，顺序为 [低字节，高字节]
   -Mode:代表存储的模式（常温，保温，制冷），一个字节的无符号byte
   -PassWord:表示存储密码，六个字节的char字符串，顺序即为密码顺序
   -SendAddress：表示存件者的id，11个字节的电话号码，char字符串，顺序即为号码顺序
   -ReceiveAddress:表示取件者的id，含义同上

5. 开柜成功帧004：设备开柜成功
   Content内容与指令003相同

6. 开柜失败帧005：设备开柜失败
   Content包含：
   -SendAddress : 表示存件者的id，11个字节的电话号码，char字符串，顺序即为号码顺序

7. 取货帧006：客户取货成功
   Content包含：
   -CellId:机器格子的编号，要开启的格子。两个字节的无符号short类型，顺序为 [低字节，高字节]

前期工作完成了，开始写程序。

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