??作者：一只大喵咪1201
??專欄：《智能家居項(xiàng)目》
??格言：你只管努力，剩下的交給時(shí)間！

??多任務(wù)系統(tǒng)中使用DHT11

在上篇文章中，本喵僅進(jìn)行了單任務(wù)的DHT11溫濕度傳感器使用，相當(dāng)于裸機(jī)使用。

根據(jù)上面時(shí)序圖計(jì)算接收一次數(shù)據(jù)(5個(gè)字節(jié))的耗時(shí)，不考慮主機(jī)發(fā)送起始信號(hào)的耗時(shí)：

• 最小時(shí)間：40 + 80 + 80 + (50+28)*40 = 3320us = 3.32ms。
• 最大時(shí)間：40 + 80 + 80 + (50+70)*40 = 5000us = 5ms。

在配置文件FreeRTOSConfig.h中，configTICK_RATE_HZ的值是1000，這表示FreeRTOS中有多個(gè)同優(yōu)先級(jí)的就緒任務(wù)時(shí)，它們依次執(zhí)行1ms。

• 而讀取DHT11時(shí)最少耗時(shí)3.32ms，如果讀取DHT11的過程被其他任務(wù)打斷的話，必定失敗。

如上圖所示，在smarthouse.c文件中定義一個(gè)DHT11_UpdateValue函數(shù)來更新DHT11傳感器的值，并且通過串口打印出來。

如上圖，創(chuàng)建三個(gè)相同優(yōu)先級(jí)的任務(wù)，分別執(zhí)行SmartHomeTask任務(wù)，DHT11_UpdataValue以及other_task任務(wù)。

此時(shí)三個(gè)任務(wù)按照時(shí)間片輪轉(zhuǎn)的方式在執(zhí)行：

如上圖，此時(shí)雖然ESP8266在某種巧合下連接成功了，但是DHT11讀取溫濕度數(shù)據(jù)失敗了，始終都是0。

有三種解決方法：

• 讀取時(shí)關(guān)中斷或者關(guān)閉調(diào)度。
• 把DHT11的任務(wù)優(yōu)先級(jí)設(shè)置為最高。
• 修改程序，在中斷里記錄時(shí)間、解析數(shù)據(jù)。

將DHT11任務(wù)優(yōu)先級(jí)設(shè)置為最高必然能成功，因?yàn)橹挥羞@一個(gè)任務(wù)在運(yùn)行，所以只介紹其他兩種解決方法。

??關(guān)閉調(diào)度器

目前項(xiàng)目中存在SmartHouseTask任務(wù)和DHT11_UpdateValue任務(wù)，在連接WIFI和讀取溫濕度數(shù)據(jù)時(shí)，都不能被打斷，必須具有原子性，否則就會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤。

如上圖所示，在連接WIFI和建立連接之前，先調(diào)用vTaskSuspendAll()關(guān)閉調(diào)度器，此時(shí)其他任務(wù)無法調(diào)度，操作完畢后再調(diào)用xTaskResumeAll()打開調(diào)度器，恢復(fù)任務(wù)調(diào)度。

如上圖所示，在DHT11讀取溫濕度數(shù)據(jù)前將調(diào)度器關(guān)閉，讀取完畢后再打開，防止其他任務(wù)來干擾導(dǎo)致讀取出錯(cuò)。

如上圖，此時(shí)WIFI連接和溫濕度數(shù)據(jù)讀取都正常。

??使用中斷

將主機(jī)和DHT11傳送數(shù)據(jù)的總線設(shè)置成外部中斷模式：

如上圖，在主機(jī)發(fā)出起始信號(hào)并將總線拉高時(shí)使能中斷，并且啟動(dòng)定時(shí)器。

DHT11每改變一次總線狀態(tài)就會(huì)觸發(fā)一次中斷，在中斷函數(shù)中記錄中斷發(fā)生的時(shí)間Tx，如上圖中的T3-T2就是總線保持高電平時(shí)間，根據(jù)時(shí)間判斷出該bit是0還是1。

• 在發(fā)出起始信號(hào)后使能中斷并啟動(dòng)定時(shí)器的原因：
  • 最理想的使能位置是在T3位置。
  • 但是這里使能完中斷并啟動(dòng)定時(shí)器以后，可能就過了50us了。
  • 會(huì)導(dǎo)致中斷丟失，從而造成數(shù)據(jù)讀取錯(cuò)誤。

所以提前使能中斷，這樣的話一次讀取數(shù)據(jù)的過程中會(huì)產(chǎn)生83次中斷，前3次DHT11做出應(yīng)答時(shí)觸發(fā)的中斷，所以在程序中拋棄這三次中斷，僅處理后面的80次中斷即可。

• 40個(gè)bit，一個(gè)bit會(huì)觸發(fā)兩次中斷。

編程思路：

• 初始化
  • 設(shè)置定時(shí)器，精度要達(dá)到1us量級(jí)
  • 設(shè)置DHT11數(shù)據(jù)引腳：用作開漏輸出模式
  • 設(shè)置DHT11數(shù)據(jù)引腳：用于中斷、雙邊沿觸發(fā)

定時(shí)器前面本喵在上篇文中已經(jīng)初始化過了，這里直接使用DHT11_TIM_Init來初始化微秒定時(shí)器。

如上圖，定義一個(gè)函數(shù)DHT11_GPIO_Init_As_Output將數(shù)據(jù)引腳設(shè)置成開漏輸出模式。

如上圖，定義一個(gè)函數(shù)DHT11_GPIO_Init_As_IRQ將數(shù)據(jù)引腳設(shè)置成中斷模式。

如上圖，在DHT11初始化的時(shí)候，先將引腳初始化為輸出引腳，并創(chuàng)建一個(gè)二進(jìn)制信號(hào)量。

• 在DHT11_Read函數(shù)中：
  • 發(fā)出Start信號(hào)
  • 等待ACK
  • 使能數(shù)據(jù)引腳的中斷
  • 阻塞

如上圖，先提供使能和失能中斷的方式以及啟動(dòng)和停止定時(shí)器的方式，在每次失能定時(shí)器的時(shí)候都要將記錄中斷發(fā)生次數(shù)的變量dht11_edge_cnt清零。

在啟動(dòng)定時(shí)器的時(shí)候，設(shè)置最大超時(shí)時(shí)間為10ms，因?yàn)樽x取DHT11一次數(shù)據(jù)(40bit)最多耗時(shí)5ms，如果10ms還沒有讀成功就說明出問題了。

如上圖所示，發(fā)出起始信號(hào)，將總線拉高后立即打開中斷并啟動(dòng)定時(shí)器，然后去獲取信號(hào)量，這是為了讓該任務(wù)阻塞。

• 在DHT11數(shù)據(jù)引腳的中斷函數(shù)中
  • 記錄中斷發(fā)生的時(shí)間，放在數(shù)組里
  • 累加中斷次數(shù)，發(fā)現(xiàn)40位數(shù)據(jù)都接收完畢后，喚醒任務(wù)

如上圖，先提供一個(gè)能讀取微秒定時(shí)器計(jì)數(shù)值的函數(shù)DHT11_ReadTimer_us。

如上圖，在中斷函數(shù)中再增加用于處理DHT11產(chǎn)生的中斷。當(dāng)中斷發(fā)生后，獲取一下發(fā)生的時(shí)間并放入到存放時(shí)間的數(shù)組中。

當(dāng)中斷發(fā)生80次以后就喚醒讀取數(shù)據(jù)的任務(wù)，調(diào)用DHT11_Notify_Task，因?yàn)?0個(gè)bit會(huì)產(chǎn)生80次中斷。

如上圖代碼，歸還初始化時(shí)創(chuàng)建的信號(hào)量，喚醒讀取溫濕度數(shù)據(jù)的任務(wù)。

如果中斷發(fā)生了83次就直接返回，不記錄時(shí)間，因?yàn)檫@時(shí)必然接收到了40個(gè)bit，多發(fā)生的3次中斷是DHT11應(yīng)答產(chǎn)生的。

• 任務(wù)被喚醒后：根據(jù)中斷時(shí)間解析出得到的數(shù)據(jù)

在讀取溫濕度數(shù)據(jù)DHT11_Read時(shí)，任務(wù)被喚醒后沒有立刻處理數(shù)據(jù)，而是又調(diào)用vTaskDelay(1)延時(shí)了1ms，這是因?yàn)樵撊蝿?wù)被喚醒時(shí)產(chǎn)生了80次中斷，這80次中斷中包含DHT11應(yīng)答產(chǎn)生的中斷，此時(shí)數(shù)據(jù)產(chǎn)生的中斷就沒有到達(dá)80，所以要再等一會(huì)。

然后再失能中斷并停止定時(shí)器，將數(shù)據(jù)引腳設(shè)置成輸出模式，再去解析數(shù)據(jù)。

如上圖，整體處理裸機(jī)和之前的方式差不多，數(shù)據(jù)左移以后，如果該bit是1則或等，如果是0則不用處理。

但是這里需要處理多出來的3次中斷，83次中斷中只有80次中斷發(fā)生時(shí)記錄的時(shí)間數(shù)據(jù)是有用的，這里通過校驗(yàn)和來舍棄多發(fā)生的3次中斷：

• 從記錄時(shí)間的數(shù)組首部開始，取80個(gè)數(shù)據(jù)解析出溫濕度數(shù)據(jù)。
• 然后使用校驗(yàn)和來判斷，如果校驗(yàn)通過則直接采用，如果不通過就拋棄數(shù)組第一個(gè)時(shí)間數(shù)據(jù)，從下一個(gè)數(shù)據(jù)開始再取80個(gè)解析。
• 最多解析3次就能校驗(yàn)得到正確的溫濕度數(shù)據(jù)。

在判斷每個(gè)bit是高電平還是低電平的時(shí)候，讓數(shù)組中后一個(gè)時(shí)間值減去前一個(gè)時(shí)間中，得到的就是兩次中斷之間電平保持的時(shí)間，如果大于40us則是高電平，否則就是低電平。

如上圖代碼中所示，需要的差值僅是高電平保持的時(shí)間，低電平的不需要，也就是只需要算1時(shí)刻減0時(shí)刻和3時(shí)刻減2時(shí)刻的時(shí)間差值。

所以每計(jì)算完一次以后，數(shù)組下標(biāo)直接加2而不是加1。

如上圖，將更新溫濕度任務(wù)中關(guān)閉調(diào)度器的部分屏蔽掉，因?yàn)楝F(xiàn)在使用的是中斷方式。

• 中斷的優(yōu)先級(jí)高于所有任務(wù)，所以讀取溫濕度過程中的是實(shí)時(shí)性是可以保證的。
• 在中斷沒有將80個(gè)時(shí)間值處理完畢前，該任務(wù)由于無法申請到信號(hào)量而處于阻塞狀態(tài)。

如上圖，此時(shí)溫濕度數(shù)據(jù)可以正常讀取，溫度是T=16℃，濕度是H = 38%，并且WIFI也成功連接。打印的路徑信息是校驗(yàn)錯(cuò)誤時(shí)打印的，這個(gè)數(shù)據(jù)就被拋棄了。

• 由于溫濕度數(shù)據(jù)并不會(huì)劇烈變化，所以不需要很高的實(shí)時(shí)性。

??獲取SNTP服務(wù)器時(shí)間

ESP8266帶有從SNTP服務(wù)器上獲取時(shí)間的功能，查看手冊中相關(guān)用法：

設(shè)置：

如上圖所示是設(shè)置時(shí)域和SNTP服務(wù)器的AT指令，設(shè)置指令格式：

• AT+CIPSNTPCFG=1,8,"cn.ntp.org.cn","ntp.sjtu.edu.cn","us.pool.ntp.org"
  • 1表示使能，相應(yīng)的填0就表示失能。
  • 8表示時(shí)域，北京時(shí)間位于東八區(qū)，所以是8。
  • 引號(hào)中的內(nèi)容是SNTP服務(wù)器的IP地址。

對于SNTP服務(wù)器，可以將3個(gè)都填進(jìn)去，也可以不填使用默認(rèn)的，網(wǎng)上有很多SNTP服務(wù)器的IP地址，這里本喵使用上海市的SNTP服務(wù)器IP地址202.120.2.101。發(fā)送的指令就是AT+CIPSNTPCFG=1,8,"202.120.2.101"。

如上圖，將指令使用串口發(fā)送給ESP8266后，回顯OK表明設(shè)置成功。

查詢：

如上圖所示是查詢SNTP時(shí)間的指令AT+CIPSNTPTIME?，回顯的是查詢到的時(shí)間：

如上圖所示，查詢時(shí)間后返回+CIPSNTPTIME:Fri Nov 17 13:44:30 2023，當(dāng)前時(shí)間是星期五11月17日13點(diǎn)44分30秒2023年。

接下來就是將獲取SNTP服務(wù)器時(shí)間加入到智能家居項(xiàng)目中了，獲取SNTP服務(wù)器時(shí)間是網(wǎng)卡的功能，所以這部分代碼放在網(wǎng)卡設(shè)備及esp8266驅(qū)動(dòng)層。

如上圖是描述獲取到時(shí)間的結(jié)構(gòu)體，獲取到的時(shí)間Fri Nov 17 13:44:30 2023中，年是4個(gè)字節(jié)，月是3個(gè)字節(jié)，日是2個(gè)字節(jié)，時(shí)是2個(gè)字節(jié)，分是2個(gè)字節(jié)，秒是2個(gè)字節(jié)，使用數(shù)組存放。由于是字符串，所以每個(gè)數(shù)組多出一個(gè)字節(jié)來放\0。

如上圖，在網(wǎng)卡設(shè)備結(jié)構(gòu)體中，增加一個(gè)unsigned char isConnected來表示網(wǎng)卡狀態(tài)，0表示W(wǎng)IFI沒有連接，1表示W(wǎng)IFI連接成功，只有WIFI連接成功才能獲取時(shí)間。再增加一個(gè)獲取時(shí)間的函數(shù)指針GetTime。

如上圖，在esp8266.c中定義獲取時(shí)間的函數(shù)ESP8266_GetNetTime，在該函數(shù)中，由于設(shè)置時(shí)區(qū)和服務(wù)器比較耗時(shí)，還需要等待，而且也無需重復(fù)設(shè)置，所以只設(shè)置一次即可。

從回顯的字符串中解析出時(shí)間后，要判斷一下是否是是1970年，如果是則說明設(shè)置服務(wù)器和時(shí)區(qū)沒有成功，需要重新設(shè)置一下。

如上圖，初始化ESP8266時(shí)增加網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)和獲取時(shí)間函數(shù)指針的初始化。

如上圖，在smarthouse.c中連接WIFI的函數(shù)中，WIFI連接成功就將isConnected標(biāo)志置一，表示W(wǎng)IFI連接成功了。

如上圖，在smarthouse.c中定義一個(gè)GetNetTime函數(shù)來獲取網(wǎng)絡(luò)時(shí)間，獲取到以后分別在屏幕和串口上顯示。

如上圖所示，創(chuàng)建一個(gè)任務(wù)用來獲取網(wǎng)絡(luò)時(shí)間。

如上圖串口所示，此時(shí)既能獲取溫濕度數(shù)據(jù)，又能獲取網(wǎng)絡(luò)時(shí)間，但是此時(shí)還沒有充分利用起來FreeRTOS特性，所以其他功能會(huì)收到影響，這里只是驗(yàn)證獲取時(shí)間的功能是正常的，至于OLED屏幕上的顯示本喵就不拍照了。

??重新設(shè)計(jì)功能框架

如上圖所示是增加了兩個(gè)功能模塊后的框架結(jié)構(gòu)圖。

輸入事件隊(duì)列是信息中軸：

• 按鍵中斷觸發(fā)定時(shí)器中斷，消除抖動(dòng)后往隊(duì)列寫入"按鍵類事件"。
• 使用微信小程序、sscom發(fā)出控制命令，UART3接收到數(shù)據(jù)，解析出數(shù)據(jù)后往隊(duì)列寫入"網(wǎng)絡(luò)類事件"。
• SNTP任務(wù)：每隔1分鐘通過網(wǎng)絡(luò)獲取時(shí)間，修正本地時(shí)間。
• 1秒鐘周期定時(shí)器：往隊(duì)列寫入"時(shí)間類事件"，以便更新OLED上的時(shí)間。
• DHT11任務(wù)：每隔幾秒鐘讀取溫濕度，往隊(duì)列寫入"溫濕度類事件"。
• SmartHome任務(wù)：
  • 連接WIFI
  • 讀取輸入事件，控制設(shè)備：LED、風(fēng)扇、OLED

任務(wù)的優(yōu)先級(jí)：

• SmartHome任務(wù)：優(yōu)先級(jí)最高，它要及時(shí)響應(yīng)用戶的操作，平時(shí)大部分時(shí)間都是阻塞狀態(tài)。
• 定時(shí)器后臺(tái)任務(wù)：優(yōu)先級(jí)第2高，用來更新時(shí)間，如果時(shí)間的更新不及時(shí)會(huì)影響產(chǎn)品體驗(yàn)。
• SNTP任務(wù)：優(yōu)先級(jí)第3高，它每隔1分鐘執(zhí)行一次，用來修正時(shí)間。
• DHT11任務(wù)：優(yōu)先級(jí)最低，溫濕度不會(huì)劇烈變化。

使用一個(gè)軟件定時(shí)器作為1秒鐘周期定時(shí)器，將該定時(shí)器也看作是一個(gè)設(shè)備：

如上圖代碼，創(chuàng)建一個(gè)結(jié)構(gòu)體來描述軟件定時(shí)器，包括設(shè)備編號(hào)，定時(shí)周期，回調(diào)函數(shù)，軟件定時(shí)器句柄，以及初始化等方法。

如上圖，定義具體的函數(shù)，然后來初始化周期定時(shí)器全局變量，回調(diào)函數(shù)使用的是外部的vOneSecTimerFunc。其他函數(shù)調(diào)用內(nèi)核層相應(yīng)的函數(shù)。

如上圖，在內(nèi)核抽象層使用FreeRTOS提供的操作軟件定時(shí)器的接口即可，在初始化的時(shí)候，將創(chuàng)建軟件定時(shí)器后生成的句柄填入到上一層的全局變量ptTimer->xPeriodTimer中。

軟件定時(shí)器超時(shí)后會(huì)調(diào)用回調(diào)函數(shù)：

如上圖代碼所示，在軟件定時(shí)器的回調(diào)函數(shù)中，會(huì)先獲取一下當(dāng)前網(wǎng)卡的時(shí)間，然后再給這個(gè)時(shí)間增加1秒，因?yàn)檐浖〞r(shí)器1秒鐘超時(shí)一次，在時(shí)間增加的時(shí)候要注意進(jìn)位。

時(shí)間增加完畢后，再將這個(gè)時(shí)間設(shè)置到網(wǎng)卡時(shí)間中，并且構(gòu)造輸入事件寫入到輸入隊(duì)列中，讓最上層的智能家居任務(wù)來顯示這個(gè)時(shí)間到OLED上。

每超時(shí)一次后，超時(shí)次數(shù)OverTimeCounter加1，當(dāng)前其等于60的時(shí)候到了一分鐘，此時(shí)要喚醒更新時(shí)間任務(wù)，從SNTP服務(wù)器獲取新的網(wǎng)絡(luò)時(shí)間來校正本地時(shí)間。

在回調(diào)函數(shù)中獲取網(wǎng)卡時(shí)間的時(shí)候，前提是網(wǎng)卡中已經(jīng)存在時(shí)間了：

如上圖，在獲取網(wǎng)卡時(shí)間時(shí)，先xSemaphoreTake申請信號(hào)量，如果成功則返回網(wǎng)卡時(shí)間的地址，否則就阻塞。

• 使用一個(gè)信號(hào)量，讓更新網(wǎng)絡(luò)時(shí)間的任務(wù)和軟件定時(shí)器回調(diào)函數(shù)互斥訪問網(wǎng)卡時(shí)間。

如上圖，在設(shè)置一次網(wǎng)卡時(shí)間后，就會(huì)增加一下信號(hào)量，好讓軟件定時(shí)器的回調(diào)函數(shù)能訪問，而不會(huì)阻塞。

那么是誰會(huì)設(shè)置網(wǎng)卡時(shí)間呢？

如上圖代碼，在獲取網(wǎng)絡(luò)時(shí)間的任務(wù)運(yùn)行后，會(huì)先獲取一次網(wǎng)絡(luò)時(shí)間，然后設(shè)置到網(wǎng)卡時(shí)間中，此時(shí)定時(shí)器的回調(diào)還是才能獲取到網(wǎng)卡時(shí)間，在這之前處于阻塞狀態(tài)。

除此之外，還創(chuàng)建了一個(gè)xUpDateNetTimeSema信號(hào)量，用來控制SNTP服務(wù)器上獲取網(wǎng)絡(luò)時(shí)間。在創(chuàng)建成功后先增加一下，方便第一次獲取網(wǎng)絡(luò)時(shí)間，Take以后，再次到了這里后就會(huì)阻塞。

當(dāng)軟件定時(shí)器超時(shí)60次，也就是一分鐘時(shí)：

如上圖，調(diào)用UpdateTimeNotify時(shí)就會(huì)Give一下這個(gè)信號(hào)量，此時(shí)就會(huì)喚醒任務(wù)從網(wǎng)絡(luò)上獲取一下時(shí)間來校正本地時(shí)間。

• 更新網(wǎng)絡(luò)時(shí)間的任務(wù)大部分時(shí)間處于阻塞狀態(tài)，每一分鐘會(huì)被軟件定時(shí)器的回調(diào)函數(shù)喚醒一次來從SNTP服務(wù)器上獲取一次時(shí)間。

如上圖，在初始化所有子系統(tǒng)和設(shè)備的時(shí)候，需要將軟件定時(shí)器也初始化。

如上圖，在智能家居任務(wù)將輸入事件轉(zhuǎn)換成Json格式的時(shí)候，再增加一個(gè)定時(shí)器輸入的轉(zhuǎn)換，如紅色框中所示。

如上圖，在根據(jù)輸入事件控制設(shè)備時(shí)，增加定時(shí)器輸入部分，從網(wǎng)卡中獲取時(shí)間后將時(shí)間顯示到OLED屏幕的最下面。

??總結(jié)

至此本喵就帶著大家實(shí)現(xiàn)了FreeRTOS版本的智能家居項(xiàng)目，它的優(yōu)點(diǎn)主要在于有非常高的實(shí)時(shí)性。

溫濕度部分使用了中斷方式，這也是一種保證實(shí)時(shí)性的手段，有興趣的小伙伴可以自行了解一下中斷編程。

多任務(wù)系統(tǒng)中，每個(gè)任務(wù)在不需要運(yùn)行的時(shí)候，要讓其處于阻塞狀態(tài)，讓出CPU資源，可以通過信號(hào)量，隊(duì)列等等方式來實(shí)現(xiàn)。文章來源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-751399.html

到了這里，關(guān)于【智能家居項(xiàng)目】FreeRTOS版本——多任務(wù)系統(tǒng)中使用DHT11 | 獲取SNTP服務(wù)器時(shí)間 | 重新設(shè)計(jì)功能框架的文章就介紹完了。如果您還想了解更多內(nèi)容，請?jiān)谟疑辖撬阉鱐OY模板網(wǎng)以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章，希望大家以后多多支持TOY模板網(wǎng)！