利用RT-Thread与MQTT实现的毕业设计——智慧班车管理系统的设计与实现实录
大家好，我是一位刚刚接触RT-Thread的小白（┭┮﹏┭┮21入坑，中间有很长时间摸鱼），本次毕业设计的题目是智慧班车管理系统的设计与实现，其理论基础是基于我在专科和老师申请的一个实用新型专利——一种智慧班车信息管理系统【这是我专科的专利，本科的毕设哈，本人现已考研到新疆大学计算机技术专业】
项目成果演示
下面是对于本个项目实现效果的演示：
滨院毕业设计项目实现效果
项目硬件开发总结
下面从开发者的角度对本项目进行总结：（因为不是写paper所以比较随意哈~）
项目采用的IoT架构，底层是STM32L475VET6潘多拉开发板+RT-Thread，对于RT-Thread的资源使用情况在论文中也有提到，这里直接截个图：
RT-Thread使用情况详情
内核层的信号量、邮箱、消息队列等机制是用于线程同步以及线程通信的，中断一开始是用于检测PIN设备的IRQ，但是后来去掉了，原因是不好用，确实是用中断的时候自己懒得调试了，程序运行会出现很多问题，所以直接开了个线程，这个后面会讲到。
设备与驱动层中I/O设备模型是最基本的设备Model，所以不再赘述。UART设备是值得一提的哈。因为这个项目需要用到三个串口，即串口1用于Finsh组件调试，串口2用于NB-IoT通信，串口3用于GPS数据的URC解析，但是官方给的BSP中没有添加串口3设备，所以需要自己添加UART设备。
添加UART设备
在RT-Thread文档中心已经给出了详细的添加步骤，所在路径如下：
这里也贴上了具体链接：外设驱动添加指南
首先，需要本地安装Cubemx，然后打开裁剪过的BSP目录中的board文件夹
【关于BSP的裁剪工作可以通过ENV工具，使用scons–dist完成】
然后找到该文件夹
并打开其中的Cube工程：
打开完成后如果Cube版本与官方制作BSP使用的Cube版本不同时会弹出如下提示框：
这里可以选择Migrate迁移选项，这样就会在线获取对应版本的Cube，另外，这里提供一个“文明上网”的Blog：使用Edge打开~
找到UART3选项，设置为异步模式
同时，需要注意的是USART3默认使用的端口，潘多拉开发板并没有引出，所以需要到引出的PB10和PB11单独设置端口的模式：
设置完成后不要直接生成，检查一下不要生成单独的c和h文件，即下面的选项不要勾选：
然后点击生成代码：
最后，需要打开board文件夹中的Kconfig文件，添加UART3选项：【建议使用Notepad打开，这样打开的文件格式对称，便于复制】
添加完成后，打开ENV工具输入menuconfig命令，依次进入Hardware Drivers Config—>On-chip Peripheral Drivers—>Enable UART就可以看到新添加的UART3选项：
选中后重新生成工程，打开后记得重新编译。这样，UART3设备驱动已经添加成功。
适配软件包
回顾一下本项目需要完成的功能，这里直接贴出了论文截图：（懒了~）
综上，项目使用到的软件包包括AHT10软件包（适配Sensor框架）、lwgps软件包（硬件使用的是整点原子官方的GPS模块ATK-1218-BD：官网链接）。另外需要说明的是: MQ2使用的是DO输出，所以用于采集空气质量的MQ2和采集班车人数的红外对射模块使用的RT-Thread提供的PIN设备框架，直接使用API获取管脚电平即可，缩短开发周期。
AHT10软件包的使用
将AHT10软件包添加后，只需要关心应用层的逻辑即可。
我的应用层线程初始化都是在main线程中完成的，有关于AHT10数据采集线程的初始化如下：
线程入口函数如下：
static void aht10_thread_entry()
{
rt_device_t dev_temp = RT_NULL;
rt_device_t dev_humi = RT_NULL;
struct tmp_msg msg;
struct rt_sensor_data sensor_data;
rt_size_t res_temp,res_humi;
rt_err_t res;
res = rt_sem_take(send_AHT_sem, RT_WAITING_FOREVER);
if(res != RT_EOK)
{
rt_kprintf("getGps_thread take a nb semaphore, failed.\n");
return;
}
dev_temp = rt_device_find("temp_aht");
dev_humi = rt_device_find("humi_aht");
if (dev_temp == RT_NULL)
{
rt_kprintf("Can't find device:dev_temp\n");
return;
}
if (rt_device_open(dev_temp, RT_DEVICE_FLAG_RDWR) != RT_EOK)
{
rt_kprintf("open device dev_temp failed!\n");
return;
}
if (dev_humi == RT_NULL)
{
rt_kprintf("Can't find dev_humi device\n");
return;
}
if (rt_device_open(dev_humi, RT_DEVICE_FLAG_RDWR) != RT_EOK)
{
rt_kprintf("open device dev_humi failed!\n");
return;
}
while(1)
{
res_temp = rt_device_read(dev_temp, 0, &sensor_data, 1);
if (res_temp != 1)
{
rt_kprintf("read temp data failed!");
rt_device_close(dev_temp);
return;
}
else
{
// rt_kprintf("temp:%3dC\n",abs(sensor_data.data.temp)/10);
msg.temp_value=(abs(sensor_data.data.temp)/10);
}
rt_thread_mdelay(10);
res_humi = rt_device_read(dev_humi, 0, &sensor_data, 1);
if (res_humi != 1)
{
rt_kprintf("read humi data failed!\n");
rt_device_close(dev_humi);
return;
}
else
{
// rt_kprintf("hum:%2d%, timestamp:%5d\n",abs(sensor_data.data.humi)/10);
msg.humi_value=abs(sensor_data.data.humi)/10;
}
rt_mq_send(tmp_msg_mq, &msg,sizeof(msg));
// rt_kprintf("======aht10-Thread Send a mq,msg.tem:%d,msg.hum:%d======\r\n",msg.temp_value,msg.humi_value);
rt_thread_mdelay(300);
}
}
在上述代码中首先是获取NB初始化完成后release的信号量；获取成功后，再获取注册到Sensor框架中的温湿度传感器（注意：这里的温湿度传感器是分开的，可以通过list_device在Finshi终端查看）；然后是打开设备并读取温湿度信息；最后将采集到的数据以邮箱机制发送到NB发送线程。这是整个AHT10软件包的添加和数据的读取工作（需要注意：AHT10是通过I2C进行通信的，所以需要开启I2C设备框架）
lwgps软件包的使用
lwgps软件包是一个轻量级的gps的URC解析包，支持NEMA格式。在使用软件包的时候也遇到过不少的坑哈，但是庆幸的是都已经解决了，这里需要感谢一位RT-Thread社区朋友提供的驱动文件，链接在这：有关lwgps软件包使用问题的社区链接地址
可以直接使用该作者提供的驱动框架。特别需要注意的是：这里有一个小坑，可能很多人会忽略，软件包已经使用了INIT_APP_EXPORT(lwgps2rtt_init);添加了lwgps的初始化，因此不需要在应用层调用，如果调用会出现我之前出现的报错信息：
完成软件包添加后可利用Finsh组件输入lwgps_example命令，查看官方给出的example，它的位置是在lwgps软件包的example.c中：
在应用层使用lwgps软件包
类似于AHT10线程创建一样简单，直接使用create动态创建GPS数据采集线程：
线程入口函数如下：
static void getGps_thread_entry()
{
lwgps_t gps_info;
struct gps_msg gpsmsg;
float lati , longi;
rt_err_t res;
// res = rt_sem_take(send_Gps_sem, RT_WAITING_FOREVER);
// if(res != RT_EOK)
// {
// rt_kprintf("getGps_thread take a nb semaphore, failed.\n");
// return;
// }
while(1)
{
lwgps2rtt_get_gps_info(&gps_info);
gpsmsg.lati_value=(gps_info.latitude);
gpsmsg.longi_value=(gps_info.longitude);
gpsmsg.hour=(gps_info.hours);
// rt_kprintf("GPS-Data:hour-->%d\r\n",gpsmsg.hour);
rt_mq_send(gps_msg_mq,&gpsmsg,sizeof(gpsmsg));
rt_thread_delay(500);
}
}
使用PIN设备——MQ2数据采集
关于MQ2的数据读取，并没有使用到ADC设备，因为我想缩短开发周期赶论文┭┮﹏┭┮。我选用的是MQ2的DO输出模式，通过调整电位器设置阈值，实现原理比较简单哈，不再赘述。同时，它的软件读取工作也比较简单。但是由于项目实时性要求，上行数据流是采用JSON封装的，方便小程序端解析，所以需要持续发送采集数据，因此无论是检测到可燃气体还是没有检测到都要发送消息队列。
详细代码如下：
static void test_thread_entry()
{
char TR_ARRAY[]="true";
char FA_ARRAY[]="false";
struct mq_msg mq2_msg;
while(1)
{
// rt_kprintf("test\r\n");
if(rt_pin_read(MQ2_PIN_NUM)==PIN_LOW)
{
memcpy(mq2_msg.msg,TR_ARRAY,sizeof(TR_ARRAY));
rt_mq_send(mq2_msg_mq,&mq2_msg,sizeof(mq2_msg));
rt_pin_write(BEEP_PIN_NUM, PIN_HIGH);
rt_thread_mdelay(500);
rt_pin_write(BEEP_PIN_NUM, PIN_LOW);
}
else{
memcpy(mq2_msg.msg,FA_ARRAY,sizeof(FA_ARRAY));
rt_mq_send(mq2_msg_mq,&mq2_msg,sizeof(mq2_msg));
}
rt_thread_mdelay(200);
}
}
使用PIN设备——红外对射数据采集
红外模块采用的“消抖”操作，因为有可能车门位置经过的人会一直停留，所以按照按键消抖处理的，详细的流程不再说明，直接上代码了：
/* 红外检测线程入口函数*/
static void hw_thread_entry(void *parameter)
{
static rt_uint8_t hw_up = 1; /* 无人标志 */
/* 初始化红外对射模块 */
rt_pin_mode(PIN_NUM_ADD, PIN_MODE_INPUT);
rt_pin_mode(PIN_NUM_SUB, PIN_MODE_INPUT);
rt_pin_mode(LED0_PIN, PIN_MODE_OUTPUT);
tmp_msg_mb = rt_mb_create("temp_mb0", MB_LEN, RT_IPC_FLAG_FIFO);
while (1)
{
/* 检测无人标志 */
if (hw_up && ((rt_pin_read(PIN_NUM_ADD) == PIN_LOW) ||
(rt_pin_read(PIN_NUM_SUB) == PIN_LOW)))
{
rt_thread_mdelay(50); /* 延时消抖*/
hw_up = 0;
if (rt_pin_read(PIN_NUM_SUB) == PIN_LOW)
{
rt_kprintf("Having person-SUB!\n");
rt_pin_write(LED0_PIN, PIN_HIGH);
if(people_num<=0)
{
rt_kprintf("The number of people is empty\n");
continue;
}
else{
people_num--;
rt_kprintf("The num of people is %d\r\n",people_num);
//rt_mb_send(tmp_msg_mb,people_num);
// rt_mb_send(tmp_msg_mb,people_num);
}
}
else if (rt_pin_read(PIN_NUM_ADD) == PIN_LOW)
{
rt_kprintf("Having person-ADD!\n");
rt_pin_write(LED0_PIN, PIN_LOW);//点亮
if(people_num>=30)
{
rt_kprintf("The number of people is full!\n");
continue;
}
else{
people_num++;
rt_kprintf("The num of people is %d\r\n",people_num);
// rt_mb_send(tmp_msg_mb,people_num);
}
}
}
else if((rt_pin_read(PIN_NUM_ADD) == PIN_HIGH) &&
(rt_pin_read(PIN_NUM_SUB) == PIN_HIGH))
{
hw_up = 1; /*无人标志 */
// rt_mb_send(tmp_msg_mb,people_num);
}
rt_mb_send(tmp_msg_mb,people_num);
rt_thread_mdelay(100);
}
}
使用AT设备——NB模块初始化与NB模块数据发送
首先需要在项目中添加AT组件，同时添加M5311软件包，添加完成后，在应用层main线程中开启NB初始化以及NB订阅和发送线程（采用MQTT协议）
初始化线程入口函数如下：
//NB初始化线程：新建MQTT机制+连接MQTT服务器
static void NB_mqtt_thread_entery()
{
nb_client = at_client_get("uart2");
nb_resp = at_create_resp(1024, 0, rt_tick_from_millisecond(300));
if(at_obj_exec_cmd(nb_client,nb_resp,arv)!=RT_EOK)
{
LOG_E("The MQTT haven't inited success\r\n");
}
else{
LOG_E("MQTT HAVE INITED SUCCESS\r\n");
if(at_obj_exec_cmd(nb_client,nb_resp,"AT+MQTTOPEN=1,1,0,0,0,'',''")!=RT_EOK)
{
LOG_E("The MQTT haven't inited success\r\n");
}
else{//真正完成了新建MQTT机制和连接服务器
LOG_E("The MQTT haven inited success\r\n");
rt_pin_write(BEEP_PIN_NUM, PIN_HIGH);
rt_thread_mdelay(500);
rt_pin_write(BEEP_PIN_NUM, PIN_LOW);
rt_sem_release(nb_sem);//释放信号量
rt_sem_release(send_Gps_sem);
rt_sem_release(send_AHT_sem);
}
}
rt_thread_mdelay(1000);
}
订阅和发送线程入口函数如下：
static void NB_mqtt_send_thread_entery()
{
struct tmp_msg msg;
struct gps_msg GPS;
struct mq_msg mq2msg;
static rt_err_t result;
int pep_num=0;
result = rt_sem_take(nb_sem, RT_WAITING_FOREVER);
if(result != RT_EOK)
{
rt_kprintf("NB_mqtt_send_thread take a nb semaphore, failed.\n");
return;
}else{
for(;;)
{
if(at_obj_exec_cmd(nb_client,nb_resp,"AT+MQTTSUB=\"pyr\",1")==RT_EOK)//订阅主题
{
rt_kprintf("The NB-IoT have subscribed the pyr topic\r\n");
break;
}
}
while(1)
{
if((rt_mq_recv(gps_msg_mq,&GPS,sizeof(GPS),RT_WAITING_FOREVER)==RT_EOK)&&
(rt_mq_recv(tmp_msg_mq, &msg, sizeof(msg), RT_WAITING_FOREVER)==RT_EOK)&&
(rt_mq_recv(mq2_msg_mq, &mq2msg, sizeof(mq2msg), RT_WAITING_FOREVER)==RT_EOK)&&
(rt_mb_recv(tmp_msg_mb,(int*)&pep_num,RT_WAITING_FOREVER)==RT_EOK))
{
rt_kprintf("---------->NB Send Thread Receive the data-hour:%d,tmp:%d,mq2:%s,pep_num:%d\r\n",GPS.hour,msg.temp_value,mq2msg.msg,pep_num);
if(at_obj_exec_cmd(nb_client,nb_resp,"AT+MQTTPUB=\"pyr\",1,1,0,0,\"{\"temp\":%d,\"hum\":%d,\"lati\":%f,\"longi\":%f,\"mq2\":%s,\"pep_num\":%d}\"",msg.temp_value,msg.humi_value,GPS.lati_value,GPS.longi_value,mq2msg.msg,pep_num)!=RT_EOK)
{
LOG_E("Send the MEssage of the MQTT failed\r\n");
}
// if(at_obj_exec_cmd(nb_client,nb_resp,"AT+MQTTPUB=\"pyr\",1,1,0,0,\"{\"latitude\":37.3862770000,\"longitude\":117.9898270000,\"temp\":23,\"humi\":60,\"person\":15,\"smoke\":false}\"")!=RT_EOK)
// {
// LOG_E("Send the MEssage of the MQTT failed\r\n");
// }
}
rt_thread_mdelay(500);
// rt_thread_mdelay(1000); 有延时，所以采用0.5S-Debug测出来的
}
}
}
项目软件开发总结
项目的应用软件使用的是微信小程序，涉及到的内容包括：小程序适配MQTT客户端连接服务器以及订阅和发布消息、小程序云开发模式Serverless、小程序使用Map组件、小程序使用腾讯云SMS服务（个人版）、小程序实现左滑删除样式等内容… …另外，MQTT服务器使用的是EMQ搭建的免费版MQTT服务器。
这是使用的MQTT地址，目前仍然可以使用：EMQ服务器IP地址 ，支持端口号18083、8083、8084、18084访问，同时提供匿名访问
微信小程序的具体实现比较简单，这里不再赘述，详细的内容参见代码即可
另外，本项目涉及的所有代码全部开源，请自行获取：Gitee库地址
欢迎大佬们批评指正~