基于FreeRTOS 的車輛狀態監測系統*

徐菁菁張 宇*楊俊清王月柔

(1.南昌大學前湖學院，江西南昌 330031；2.南昌大學信息工程學院，江西南昌 330031)

隨著計算機技術和微電子技術的不斷發展，嵌入式實時操作系統應用的領域越來越廣泛[1]。傳統的開發方法控制單一，效率低，而FreeRTOS 嵌入式實時操作系統可實現用戶自主配置內核功能且多平臺支持，該操作系統經長時間的更新已經較完善[2-3]。FreeRTOS 支持多任務，可采用搶占式和時間片輪轉混合的調度機制，縮短程序運行時間，低功耗tickless 模式降低系統功耗，極大地增加系統電源使用壽命，FreeRTOS 操作系統可以更好地保證程序運行可靠性和實時性[4-5]。

同時基于車輛健康狀態監測的需求日益增加[6]，提出基于FreeRTOS 的車輛狀態監測系統，在FreeRTOS 系統下建立系統運行指示、信息采集、發送數據包至物聯平臺等任務，通過對任務優先級設定實現任務切換，保證了系統的實時性，同時設置低功耗模式降低功耗。實際測試表明，系統實現了車輛狀態的實時監測。

1 系統整體方案設計

車輛狀態監測系統的系統功能結構框圖如圖1所示。車輛狀態監測系統以STM32 單片機為核心，還包含數據采集模塊、通信模塊、電源模塊、云平臺顯示等組成部分[7]。

圖1 系統功能結構框圖

數據采集模塊包括OBD 模塊、溫濕度模塊、加速度模塊，主要用于采集車速、轉速、油門開度、溫度、濕度、加速度等數據；STM32 微控制器，主要用于控制數據處理、低功耗等操作；物聯顯示平臺包括網頁端和客戶端，主要用于查看數據；通信模塊采用NB-IoT 模塊，主要用于單片機與云平臺之間的數據傳輸。

STM32 從各個數據采集模塊中讀取數據并處理后，通過NB-IoT 通信模塊將數據打包發送至物聯云平臺，用戶可直接從物聯平臺讀取數據。

2 系統硬件設計

本設計由主控芯片STM32F103RCT6、DHT12 溫濕度傳感器模塊、ADXL345 加速度傳感器模塊、以ELM327 作為協議轉換芯片的OBD 模塊、NB-IoT 通信模塊等部分組成。其系統硬件結構圖如圖2所示。

圖2 系統硬件結構圖

DHT12 溫濕度傳感器以I2C 的方式通信，傳輸車輛的溫度和濕度給主控芯片。ADXL345 采集車輛加速度的運動信息，通過I2C 的方式傳輸給主控。上位機發送AT 指令給OBD 模塊，OBD 反饋車速、轉速、油門開度等數據給主控。NB-IoT 通信模塊將主控芯片采集的數據以數據包的方式發送至云平臺，并接收云平臺的應答信息，通過串口的方式與主控芯片通信。

2.1 STM32F103RCT6 微控制器

系統以基于 ARM Cortex -M3 內核的STM32F103RCT6 控制器作為控制核心，程序存儲器容量為256KB，具有64 個引腳，支持I2C、SPI 和串口等外設[8]。最小系統的實現電路圖如圖3 所示。

圖3 STM32 最小系統電路圖

2.2 電源模塊

本設計采用輸出為7.2 V 的鋰電池為系統提供電源，系統需要為部分傳感器供電的5 V 和為微控制器供電的3.3 V。5 V 和3.3 V 直流電源可分別利用穩壓芯片LM2940 和LM1117[7]降壓獲得。

2.3 數據采集模塊

采集模塊由DHT12 溫濕度傳感器、ADXL345加速度傳感器和OBD 車載診斷模塊組成。

DHT12 數字式溫濕度傳感器是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合型傳感器，具有超小體積、低功耗的優點。

ADXL345 是一款完整的3 軸加速度測量系統，可采用低功耗、休眠等模式，降低功耗，本系統采用低功耗模式。可采用I2C 和SPI 數字通信。

OBD 使用ELM327 作為協議轉換芯片，將OBD協議數據轉換為RS232 輸出。目前常用的車載數據通信協議主要有CAN 總線通信與K 線通信2 種方式，本系統選用ISO15765(CAN-BUS)總線協議。ELM327[9]外圍電路如圖4 所示。

圖4 ELM327 外圍電路

2.4 NB-IoT 通信模塊

BC20 是一款高性能、低功耗、多頻段、尺寸緊湊的NB/GNSS 無線通信模塊，具有-40 ℃～+85 ℃超寬工作溫度范圍。由于支持多星座衛星系統解調算法，其定位更加精準，抗多路徑干擾能力更強。系統應用TCP 傳輸模式，發送數據協議中包含0x7e、報文頭、報文體、校驗碼和0x7e，其中報文頭包括報文ID、ICCID、發送時間和流水號；報文體依據發送類型設定。NB-IoT 模塊電路圖如圖5 所示。

圖5 NB-IoT 模塊電路圖

3 系統軟件設計

3.1 軟件總體設計

車輛狀態監測系統基于FreeRTOS 操作系統開發的軟件結構圖如圖6 所示，根據監測的要求需要建立5個主應用任務:系統初始化任務、系統運行指示任務、數據采集任務、數據處理任務、通信任務。使用FreeRTOS 的搶占式任務調度器來協調各任務運行[10]，多任務運行可以很好地提高系統的運行效率，同時設置FreeRTOS 系統為tickless 模式降低系統功耗。

車輛狀態監測系統上電啟動，傳感器、串口等模塊初始化大概需要1 s，然后進行NB-IoT 配置，大概需要13 s 到19 s 左右，再根據任務執行的順序執行。任務1 是LED 閃爍任務，表明系統處于工作狀態；任務2 是采集監測系統的各個狀態數據值，并以隊列或者信號量的形式存儲，可使用定時器定時發送也可使用ADXL345 閾值超出中斷發送，本系統使用閾值中斷發送，可以很好地降低系統功耗；任務3是將數據打包發送至云平臺。車輛狀態監測系統程序流程圖如圖7 所示。

圖6 軟件結構圖

圖7 整體軟件流程圖

3.2 FreeRTOS 操作系統的移植

從官網下載FreeRTOS 源碼，并將之添加到創建的FreeRTOS 文件夾中，portable 文件夾只保留keil、MemMang 和RVDS。再將croutine.c、event＿groups.c、list.c、queue.c、tasks.c 和timers.c 移植到新建的FreeRTOS＿CORE 文件夾中，同時將port.c 和heap＿4.c 移植到新建的FreeRTOS＿PORTABLE 文件夾中。最后將官方的Demo 中FreeRTOSConfig.h 系統配置文件添加至工程。此時編譯可能出現port.c、stm32f10x＿it.c 中有重復定義的中斷函數，這里選擇將stm32f10x＿it.c 中重復的函數屏蔽掉。至此，FreeRTOS 操作系統的移植便完成了[11]。

3.3 任務代碼實現

車輛狀態監測系統在實現時劃分為4 個任務進行實現，任務函數名稱、優先級分配、任務功能如表1 所示[12]。

表1 任務信息

FreeRTOS 的任務創建函數為xTaskCreate，任務創建代碼如下:

本系統使用隊列實現任務間的數據傳遞，代碼如下:

4 系統測試

車輛狀態監測系統接收短信指令后被喚醒，向監控系統鑒權。成功應答后，監控系統實時發送溫濕度等狀態值數據包至物聯平臺。監測系統網頁測試結果如圖8 所示。測試過程中，可借助串口調試助手及遠程連接查看指令收發情況及監測狀態參數。溫濕度、加速度數據如圖9 所示。OBD 監測車輛的車速、轉速、油門開度等參數數據如圖10 所示。

圖8 監測系統網頁測試結果

5 結論

圖9 溫濕度、加速度監測

圖10 OBD 數據監測

研究了基于FreeRTOS 的車輛狀態監測系統，設計并搭建硬件電路，多任務運行實時采集車輛狀態的各項參數，并將數據實時上傳到云平臺。通過測試表明，該系統可以實時穩定地讀取各個車輛狀態參數，并在網頁端查看數據，實現對車輛狀態的監測，達到了系統設計的目標。FreeRTOS 操作系統具有多任務、低功耗、實時性和穩定可靠等優點，使該系統具有運行穩定、數據實時上傳、精度高和功耗低等優點，適用于各種復雜的場合內長時間使用。