基于FreeRTOS的實驗設備柜控制器研究與設計

唐道鮮 侯美伊 李慶宇 李躍華

摘 要：針對傳統實驗設備管理中用戶租借困難、管理費時費力和不能實時維護等問題，設計一種基于實時操作系統的實驗設備柜控制器系統。控制器采用Amazon FreeRTOS實時操作系統，通過多種傳感器監測設備柜內外環境狀態，并將控制器接入AWS IoT平臺，使用MQTT協議雙向傳輸數據。實際應用表明，使用該管理控制系統后，實驗設備能實現安全、高效地自助借還。

關鍵詞：FreeRTOS;實驗設備;MQTT;物聯網;智慧校園

DOI：10. 11907/rjdk. 201709????????????????????????????????????????????????????????????????? 開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

中圖分類號：TP319 ? 文獻標識碼：A ??????????????? 文章編號：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

智慧校園是物聯網技術與校園管理的有機融合，實現校園日常管理信息化、數字化，大大提升管理效率[1-2]。然而傳統的實驗設備管理依然采用人工登記和維護方式，極大影響智慧校園發展[3-5]。隨著物聯網技術發展，實驗設備管理系統有二維碼輔助計算機實驗設備管理系統、基于RFID技術的實驗設備管理系統等。文獻[6]介紹了二維碼在實驗設備日常管理中的應用，雖然提高了實驗設備管理效率，但二維碼易于損壞，且污損后無法識別，給實驗設備維護增加了一定難度;文獻[7]將無線射頻技術應用于實驗設備管理信息化中， 雖然增強了系統抗干擾能力，但未解決用戶自助租借實驗設備以及管理人員遠程維護問題。本文研究的實驗設備柜控制器可實現對實驗設備的實時監測、借用歸還等智能化管理。采用Amazon FreeRTOS軟件平臺，使用RFID（Radio Frequency Identification）技術，具有遠程開門、設備借還、溫濕度傳感器數據采集、控制器狀態監測、檢測門鎖狀態和云端通信等功能。依托AWS（Amazon Web Services）的安全機制和云計算能力，實現安全高效的設備自助借還管理。

1 技術簡介

1.1 FreeRTOS簡介

FreeRTOS是Richard Barry 于2003 年發布的一個輕型開源實時操作系統內核，其功能包括任務管理、時間管理、消息隊列、信號量、中斷管理、軟件定時器、協同例程管理等[8-11]。Amazon FreeRTOS 相比于FreeRTOS增加了IoT 應用組件，比如Secure Sockets和MQTT（Message Queuing Telemetry Transport）協議便于開發者連接到AWS云平臺[12]。為保證設備與AWS IoT平臺安全通信，Amazon FreeRTOS加入證書校驗、Secure Sockets、TLS等保證數據傳輸安全[13]。開發者通過使用Amazon FreeRTOS快速將設備部署到AWS IoT平臺，并對設備進行統一管理和部署。

1.2 AWSIoT簡介

AWS IoT是亞馬遜公司于2015年發布的物聯網應用平臺，它允許已連接的設備根據相應權限與AWS云應用程序或其它設備交互，即接入平臺的設備所傳入的數據可使用AWS服務[14]，數據到AWS IoT平臺就 “自由翱翔”于各個AWS云服務中，這是其它物聯網云平臺尚未完全實現的功能。

1.3 MQTT簡介

MQTT是IBM開發的客戶端—服務器發布（Publish）/訂閱（Subscribe）消息即時通訊協議[15]。MQTT是一種輕量級消息發布協議，以TCP/IP協議為基礎，提供一對多和多對多的消息發布方式，具有低開銷、開放和易于實現的特點[16]。借助MQTT消息推送功能，開發者可以實現終端設備遠程控制和統一管理。將硬件終端連接到同一個MQTT代理服務器，不僅可以實現人機交互，還可實現物與物交互。

2 硬件系統設計

2.1 硬件總體設計

控制器采用ARM Cortex-M4內核的STM32L475VGT6 32位微處理器，控制器上運行Amazon FreeRTOS操作系統，創建多個任務按事先設定的優先級順序調度運行。傳感器組主要負責采集板載溫濕度、環境溫濕度和氣壓數據，并將采集到的數據處理后發送給控制器。RFID模塊主要包括RC522模塊，用于識別實驗設備上電子標簽ID信息，并將數據發送給控制器。電控鎖模塊包含J02電控鎖和繼電器，主要負責驅動電控鎖開門和門鎖狀態偵測數據反饋。WiFi通訊模塊負責接收解析AWS IoT發來的數據，并將控制器封裝好的數據發送至AWS IoT平臺。本文實驗設備柜控制器硬件總體設計如圖1所示。

2.2 硬件模塊設計

2.2.1 微處理器

選用ARM Cortex-M4內核的STM32L475VGT6 32位微處理器。STM32L475VGT6最高運行主頻可達80MHz，擁有1Mbytes的Flash和128Kbytes的SRAM，擁有UART、TIM、DMA、SPI、Flash等模塊。STM32L475VGT6的配置足夠穩定運行FreeRTOS實時操作系統，實現本系統所有功能。

2.2.2 RFID模塊

選用RC522模塊，該模塊的RFID芯片支持ISO 14443協議和MIFARE協議，且支持13.56MHz頻率下的非接觸式通信方式和協議[17-18]。使用ISO 14443A協議并采用SPI協議驅動該模塊， 用于電子標簽讀寫數據。

2.2.3 電控鎖模塊

電控鎖模塊主要實現開啟設備柜門和監測設備柜門狀態，以及對用戶操作的反饋。四路光耦隔離繼電器模塊驅動電控鎖，以此保證J02電控鎖通電時間不超過額定時間。此外，J02電控鎖附帶的偵測線還可用于柜門關閉后觸發控制器外部中斷，控制RC522模塊對柜門內的設備電子標簽進行識別檢測。選用有源蜂鳴器作為用戶借還行為引起的異常報警和開門操作提醒功能。當用戶進行遠程開門操作，柜門開啟成功后，蜂鳴器會長鳴提醒。當服務器傳來歸還設備錯誤指令時，控制器處理消息后會執行異常報警功能，對用戶操作行為進行反饋。

2.2.4 傳感器組

實驗設備控制器選用HTS221溫濕度傳感器和DHT11溫濕度傳感器。精密儀器設備對存放環境溫濕度條件有一定要求，前者用于監測控制器運行時PCB所處環境溫濕度，后者用于監測柜門外環境溫濕度。此外，為了更加完整地監測設備柜環境，選用LPS22HB氣壓計用于監測環境氣壓值。

HTS221是意法半導體（STMicroelectronics）生產的數字式溫濕度傳感器IC。控制器通過I2C協議與HTS221溫濕度傳感器通信，其通信地址為0xBE。DHT11是一個包含已校準數字信號輸出的溫濕度傳感器[19]，內部由一個8位單片機控制一個電阻式感濕元件和一個 NTC測溫元件。DHT11采用單總線協議，只需用一個GPIO便可獲取到數字化溫濕度數據[20]。氣壓計選用ST生產的氣壓傳感器LPS22HB，控制器通過I2C協議與LPS22HB氣壓計傳感器通信，其通信地址為0xBA。

3 軟件系統設計

3.1 軟件總體設計

基于FreeRTOS實時操作系統開發的實驗設備柜控制器系統架構如圖2所示。將系統功能進行邏輯劃分，創建不同的獨立任務完成各個功能。利用FreeRTOS實時操作系統的多任務機制對任務分配系統資源，并根據規定的任務優先級運行調度。

根據系統功能需求，建立6個關鍵應用任務：時間同步任務、數據采集任務、柜門管理任務、日志管理任務、運行狀態監測任務和云端通信任務。

3.2 FreeRTOS移植配置

使用FreeRTOS前，需要根據MCU型號和系統功能進行如下初始化配置：①開啟可視化跟蹤調試;②任務名字字符串長度;③支持動態內存申請;④日志打印的最大消息長度。

為使傳輸數據易于閱讀和幀格式規范，同時易于解析和生成數據幀，本文移植了cJSON包，用于生成和解析JSON格式數據。在FreeRTOS中移植cJSON包，需在cJSON.h中將原來申請內存函數malloc修改為pvPortMalloc，釋放內存函數free修改為pvPortFree。

3.3 證書及網絡初始化

控制器采用WiFi模塊與云服務器通信，需要配置WiFi網絡連接信息。接入AWS IoT需要導入身份證書，使用MQTT消息代理需要配置代理地址信息。WiFi網絡配置需設置無線網絡名稱、無線網絡密碼和無線網絡安全類型。MQTT代理配置需設置AWSIoT證書、AWS IoT平臺MQTT消息代理地址、MQTT代理通信端口號以及控制器在AWS IoT平臺上配置的物品唯一名稱。

3.4 任務優先級分配

控制器采用Amazon FreeRTOS實時操作系統，利用其多任務調度機制實現實驗設備柜控制器功能需求。將功能進行邏輯分析，對部分功能創建獨立任務完成，并設置任務優先級和堆棧大小，由操作系統完成調度運行。

Amazon FreeRTOS（版本號202002.00）默認設置的最大優先級為7，為滿足本文任務設計需要，修改FreeRTOSConfig.h配置文件。將任務最大優先級configMAX_PRIORITIES修改為15，任務最小堆棧configMINIMAL_STACK_SIZE修改為90，系統運行堆棧大小configTOTAL_HEAP_SIZE修改為60*1024。控制器系統中任務及優先級分配如表1所示。

3.5 任務功能

基于STM32L475微處理控制器及外設組成實驗設備柜控制器系統，運行Amazon FreeRTOS實時操作系統滿足多任務和實時響應云端指令。任務功能模塊如圖3所示。

3.5.1 時間同步

基于UDP協議和SNTP協議實現時間同步功能，更新RTC時鐘，使實驗設備控制器本地時間與服務器同步。最新版Amazon FreeRTOS在協議層減去UDP支持，需要開發者自己設置。在es_wifi.c文件ES_WIFI_StartClientConnection（）中增加conn->Type == ES_WIFI_UDP_CONNECTION，以此實現對UDP的支持。

3.5.2 數據采集任務

傳感器包括HTS221溫濕度傳感器、LPS22HB壓力計以及DHT11溫濕度傳感器，前兩個傳感器負責采集PCB所處環境溫濕度和氣壓數據，保證實驗設備控制器不受外界環境干擾。精密儀器設備對環境溫濕度條件有一定要求，本文選擇DHT11傳感器用于監測實驗設備存放位置的環境溫濕度，以便管理人員實時監控，避免因環境因素造成實驗設備損壞。傳感器數據采集流程如圖4所示。

3.5.3 設備借還

用戶使用借還功能時，控制器會打開柜門并上傳柜門狀態信息。

當控制器收到用戶開門指令時，控制繼電器觸發吸合打開柜門。圖5所示的是遠程開門操作。用戶在客戶端使用遠程開門功能。終端執行開門操作，若成功則柜門打開，控制器向服務器上傳開門成功信息，反之則開門失敗。

用戶通過客戶端發送開門指令，控制器接收到指令后執行開門操作，并將結果反饋給用戶。若柜門狀態是監測指令，控制器會直接返回柜門狀態給用戶。

圖6為租借設備流程。當用戶開啟柜門時，控制器會將相應柜門狀態偵測線的中斷標志使能。當用戶關上柜門時，控制器會開啟RC522天線，識別柜門內設備的電子標簽ID信息，若未檢測到電子標簽ID信息則判定為設備借出，并將數據上傳服務器，反之，設備未借出則不需要上傳數據到服務器。

圖7所示的為租借歸還流程。用戶要歸還設備時，在客戶端使用相應功能，終端會收到歸還設備指令，開啟相應柜門。待用戶關閉柜門后，控制器開啟RC522天線，讀取RFID標簽的ID信息并上傳至服務器，服務器對上傳設備id和柜門id進行匹配，判斷是否歸還正確。

3.5.4 運行狀態任務

CPU定時或通過指令觸發采集系統運行信息，其實現邏輯是通過調度CPU_Task任務，使用vTaskList（）獲取任務優先級、剩余堆棧等信息列表，使用vTaskGetRunTimeStats（）獲取當前任務占用CPU使用率，使用xPortGetFreeHeapSize（）獲取系統剩余堆棧信息。

4 測試與評估

實驗設備控制器系統啟動時會進行證書校驗和WiFi模塊初始化，并發送一條消息告知服務器當前設備在線。當系統初始化完成后執行時間同步任務，向NTP服務器發送SNTP協議格式數據，控制器將返回數據處理后更新RTC時鐘，實現控制器本地時間與網絡時間同步，如圖8所示。

用戶使用借還功能時，控制器會打開柜門并上傳柜門狀態信息。開門指令“order：OD”，控制器接收后進行開門操作并將指令執行結果反饋給服務器。當用戶借用設備關門后，控制器會控制RC522模塊識別電子標簽，若沒識別到設備信息則表明設備借出，設置state鍵值為1，并將結果反饋給服務器。反饋指令“order：CD”需要附帶該實驗設備所在柜門id，如圖9所示。

5 結語

本文設計并實現了一個遠程、高效、自動化和智能化的實驗設備柜控制器系統。利用FreeRTOS創建多個任務按事先所設定的優先級順序調度運行，完成設備借還、時間同步、遠程監控等多個功能;采用MQTT消息傳輸協議，接入AWSIoT平臺，保證數據傳輸安全;服務器調取AWS服務對數據進行處理分析，并將結果呈現給用戶;使用RFID識別技術實現設備柜門與實驗設備相互綁定。

參考文獻：

[1] 王祝華. 智慧思政： 智慧校園環境下高校思想政治教育的實踐創新[J]. 中國現代教育裝備， 2020，19（11）： 24-27.

[2] NASRO M A，SALEH A. Smart campus-a sketch[J]. Sustainable Cities and Society，2020，22（1）：59-67.

[3] 吳耀東，吳迪. 基于RFID的高校實驗設備管理系統的研究[J]. 電子制作， 2020，33（Z1）：111-112.

[4] 施琴， 宋阿羚， 徐韋佳，等. 射頻識別技術在實驗設備管理中的應用研究[J]. 中國電子教育，2019，18（3）： 65-69.

[5] 齊增衛. 超高頻射頻識別無源標簽芯片以及片上溫度傳感器的研究[D]. 西安：西安電子科技大學， 2016.

[6] 王明科， 張夢亞. 二維碼在實驗儀器中的管理及應用研究[J]. 信息與電腦（理論版）， 2019， 31（22）： 152-153.

[7] 俞恩軍，吳飛青. 基于RFID的手持式實驗設備信息讀取終端與系統設計[J]. 山東農業工程學院學報，2018，35（7）：33-37.

[8] 朱明輝，趙信廣， 尤星懿. 基于FreeRTOS和MQTT的海洋監測網絡框架[J]. 電子技術應用， 2018， 44（1）： 41-44.

[9] 張文亮，田沛，劉暉，等. 基于FreeRTOS的lwip協議棧的移植與測試[J].自動化技術與應用， 2015， 34（11）： 25-29.

[10] 劉迎澍， 楊珂， 丁緯航. 基于FreeRTOS的智能用電監控系統[J].電子設計工程， 2017， 25（21）： 157-160.

[11] 鄭洲. 基于FreeRTOS的低成本車載影音系統方案設計[J].單片機與嵌入式系統應用， 2015， 15（6）： 22-25.

[12] 何小慶. 三種物聯網操作系統分析與比較[J]. 微納電子與智能制造， 2020， 2（1）： 65-72.

[13] AMAZON. FreeRTOS user guide[EB/OL]. https：//docs.aws.amazon.com/freertos/latest/userguide/what-is-freertos.html，2020-5-10.

[14] AMAZON WEB SERVICES INC. How to use AWS IoT[EB/OL]. https：//aws.amazon.com/iot/？nc1=h_ls， 2020-5-10.

[15] GOMES Y F，SANTOS D F S， ALMEIDA H O， et al. Integrating MQTT and ISO/IEEE 11073 for health information sharing in the internet of things[C]. IEEE International Conference on Consumer Electronics， IEEE， 2015：200-201.

[16] OUSMANE S， IBRAHIMA N， CLAUDE L， et al. Lightweight security scheme for MQTT/MQTT-SN protocol[C]. 2019 Sixth International Conference on Internet of Things： Systems， Management and Security （IOTSMS）， 2019：119-123.

[17] 夏潤璞， 馬明君， 汪立偉. 基于RFID的智能圖書分揀系統的設計[J]. 電子技術與軟件工程， 2018，17（14）：36-39.

[18] 葉晨. 基于RFID的智能門禁系統設計[J]. 信息系統工程，2018，17（6）： 34-36.

[19] 劉錦. 溫室大棚智能監測系統[J]. 南方農機，2020，51（6）：28-29.

[20] 葉俊明. 基于SIM900A的溫濕度采集與傳輸[J]. 數碼世界， 2016，15（10）： 136-141.

（責任編輯：杜能鋼）