【智能家居项目】FreeRTOS版本——多任务系统中使用DHT11 | 获取SNTP服务器时间 | 重新设计功能框架

🐱作者：一只大喵咪1201
🐱专栏：《智能家居项目》
🔥格言：你只管努力，剩下的交给时间！

🍓多任务系统中使用DHT11

在上篇文章中，本喵仅进行了单任务的DHT11温湿度传感器使用，相当于裸机使用。

根据上面时序图计算接收一次数据(5个字节)的耗时，不考虑主机发送起始信号的耗时：

• 最小时间：40 + 80 + 80 + (50+28)*40 = 3320us = 3.32ms。
• 最大时间：40 + 80 + 80 + (50+70)*40 = 5000us = 5ms。

在配置文件FreeRTOSConfig.h中，configTICK_RATE_HZ的值是1000，这表示FreeRTOS中有多个同优先级的就绪任务时，它们依次执行1ms。

• 而读取DHT11时最少耗时3.32ms，如果读取DHT11的过程被其他任务打断的话，必定失败。

如上图所示，在smarthouse.c文件中定义一个DHT11_UpdateValue函数来更新DHT11传感器的值，并且通过串口打印出来。

如上图，创建三个相同优先级的任务，分别执行SmartHomeTask任务，DHT11_UpdataValue以及other_task任务。

此时三个任务按照时间片轮转的方式在执行：

如上图，此时虽然ESP8266在某种巧合下连接成功了，但是DHT11读取温湿度数据失败了，始终都是0。

有三种解决方法：

• 读取时关中断或者关闭调度。
• 把DHT11的任务优先级设置为最高。
• 修改程序，在中断里记录时间、解析数据。

将DHT11任务优先级设置为最高必然能成功，因为只有这一个任务在运行，所以只介绍其他两种解决方法。

🍅关闭调度器

目前项目中存在SmartHouseTask任务和DHT11_UpdateValue任务，在连接WIFI和读取温湿度数据时，都不能被打断，必须具有原子性，否则就会出现错误。

如上图所示，在连接WIFI和建立连接之前，先调用vTaskSuspendAll()关闭调度器，此时其他任务无法调度，操作完毕后再调用xTaskResumeAll()打开调度器，恢复任务调度。

如上图所示，在DHT11读取温湿度数据前将调度器关闭，读取完毕后再打开，防止其他任务来干扰导致读取出错。

如上图，此时WIFI连接和温湿度数据读取都正常。

🍅使用中断

将主机和DHT11传送数据的总线设置成外部中断模式：

如上图，在主机发出起始信号并将总线拉高时使能中断，并且启动定时器。

DHT11每改变一次总线状态就会触发一次中断，在中断函数中记录中断发生的时间Tx，如上图中的T3-T2就是总线保持高电平时间，根据时间判断出该bit是0还是1。

• 在发出起始信号后使能中断并启动定时器的原因：
  • 最理想的使能位置是在T3位置。
  • 但是这里使能完中断并启动定时器以后，可能就过了50us了。
  • 会导致中断丢失，从而造成数据读取错误。

所以提前使能中断，这样的话一次读取数据的过程中会产生83次中断，前3次DHT11做出应答时触发的中断，所以在程序中抛弃这三次中断，仅处理后面的80次中断即可。

• 40个bit，一个bit会触发两次中断。

编程思路：

• 初始化
  • 设置定时器，精度要达到1us量级
  • 设置DHT11数据引脚：用作开漏输出模式
  • 设置DHT11数据引脚：用于中断、双边沿触发

定时器前面本喵在上篇文中已经初始化过了，这里直接使用DHT11_TIM_Init来初始化微秒定时器。

如上图，定义一个函数DHT11_GPIO_Init_As_Output将数据引脚设置成开漏输出模式。

如上图，定义一个函数DHT11_GPIO_Init_As_IRQ将数据引脚设置成中断模式。

如上图，在DHT11初始化的时候，先将引脚初始化为输出引脚，并创建一个二进制信号量。

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• 在DHT11_Read函数中：
  • 发出Start信号
  • 等待ACK
  • 使能数据引脚的中断
  • 阻塞

如上图，先提供使能和失能中断的方式以及启动和停止定时器的方式，在每次失能定时器的时候都要将记录中断发生次数的变量dht11_edge_cnt清零。

在启动定时器的时候，设置最大超时时间为10ms，因为读取DHT11一次数据(40bit)最多耗时5ms，如果10ms还没有读成功就说明出问题了。

如上图所示，发出起始信号，将总线拉高后立即打开中断并启动定时器，然后去获取信号量，这是为了让该任务阻塞。

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• 在DHT11数据引脚的中断函数中
  • 记录中断发生的时间，放在数组里
  • 累加中断次数，发现40位数据都接收完毕后，唤醒任务

如上图，先提供一个能读取微秒定时器计数值的函数DHT11_ReadTimer_us。

如上图，在中断函数中再增加用于处理DHT11产生的中断。当中断发生后，获取一下发生的时间并放入到存放时间的数组中。

当中断发生80次以后就唤醒读取数据的任务，调用DHT11_Notify_Task，因为40个bit会产生80次中断。

如上图代码，归还初始化时创建的信号量，唤醒读取温湿度数据的任务。

如果中断发生了83次就直接返回，不记录时间，因为这时必然接收到了40个bit，多发生的3次中断是DHT11应答产生的。

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• 任务被唤醒后：根据中断时间解析出得到的数据

在读取温湿度数据DHT11_Read时，任务被唤醒后没有立刻处理数据，而是又调用vTaskDelay(1)延时了1ms，这是因为该任务被唤醒时产生了80次中断，这80次中断中包含DHT11应答产生的中断，此时数据产生的中断就没有到达80，所以要再等一会。

然后再失能中断并停止定时器，将数据引脚设置成输出模式，再去解析数据。

如上图，整体处理裸机和之前的方式差不多，数据左移以后，如果该bit是1则或等，如果是0则不用处理。

但是这里需要处理多出来的3次中断，83次中断中只有80次中断发生时记录的时间数据是有用的，这里通过校验和来舍弃多发生的3次中断：

• 从记录时间的数组首部开始，取80个数据解析出温湿度数据。
• 然后使用校验和来判断，如果校验通过则直接采用，如果不通过就抛弃数组第一个时间数据，从下一个数据开始再取80个解析。
• 最多解析3次就能校验得到正确的温湿度数据。

在判断每个bit是高电平还是低电平的时候，让数组中后一个时间值减去前一个时间中，得到的就是两次中断之间电平保持的时间，如果大于40us则是高电平，否则就是低电平。

如上图代码中所示，需要的差值仅是高电平保持的时间，低电平的不需要，也就是只需要算1时刻减0时刻和3时刻减2时刻的时间差值。

所以每计算完一次以后，数组下标直接加2而不是加1。

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如上图，将更新温湿度任务中关闭调度器的部分屏蔽掉，因为现在使用的是中断方式。

• 中断的优先级高于所有任务，所以读取温湿度过程中的是实时性是可以保证的。
• 在中断没有将80个时间值处理完毕前，该任务由于无法申请到信号量而处于阻塞状态。

如上图，此时温湿度数据可以正常读取，温度是T=16℃，湿度是H = 38%，并且WIFI也成功连接。打印的路径信息是校验错误时打印的，这个数据就被抛弃了。

• 由于温湿度数据并不会剧烈变化，所以不需要很高的实时性。

🍓获取SNTP服务器时间

ESP8266带有从SNTP服务器上获取时间的功能，查看手册中相关用法：

设置：

如上图所示是设置时域和SNTP服务器的AT指令，设置指令格式：

• AT+CIPSNTPCFG=1,8,"cn.ntp.org.cn","ntp.sjtu.edu.cn","us.pool.ntp.org"
  • 1表示使能，相应的填0就表示失能。
  • 8表示时域，北京时间位于东八区，所以是8。
  • 引号中的内容是SNTP服务器的IP地址。

对于SNTP服务器，可以将3个都填进去，也可以不填使用默认的，网上有很多SNTP服务器的IP地址，这里本喵使用上海市的SNTP服务器IP地址202.120.2.101。发送的指令就是AT+CIPSNTPCFG=1,8,"202.120.2.101"。

如上图，将指令使用串口发送给ESP8266后，回显OK表明设置成功。

查询：

如上图所示是查询SNTP时间的指令AT+CIPSNTPTIME?，回显的是查询到的时间：

如上图所示，查询时间后返回+CIPSNTPTIME:Fri Nov 17 13:44:30 2023，当前时间是星期五11月17日13点44分30秒2023年。

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接下来就是将获取SNTP服务器时间加入到智能家居项目中了，获取SNTP服务器时间是网卡的功能，所以这部分代码放在网卡设备及esp8266驱动层。

如上图是描述获取到时间的结构体，获取到的时间Fri Nov 17 13:44:30 2023中，年是4个字节，月是3个字节，日是2个字节，时是2个字节，分是2个字节，秒是2个字节，使用数组存放。由于是字符串，所以每个数组多出一个字节来放\0。

如上图，在网卡设备结构体中，增加一个unsigned char isConnected来表示网卡状态，0表示WIFI没有连接，1表示WIFI连接成功，只有WIFI连接成功才能获取时间。再增加一个获取时间的函数指针GetTime。

如上图，在esp8266.c中定义获取时间的函数ESP8266_GetNetTime，在该函数中，由于设置时区和服务器比较耗时，还需要等待，而且也无需重复设置，所以只设置一次即可。

从回显的字符串中解析出时间后，要判断一下是否是是1970年，如果是则说明设置服务器和时区没有成功，需要重新设置一下。

如上图，初始化ESP8266时增加网络状态和获取时间函数指针的初始化。

如上图，在smarthouse.c中连接WIFI的函数中，WIFI连接成功就将isConnected标志置一，表示WIFI连接成功了。

如上图，在smarthouse.c中定义一个GetNetTime函数来获取网络时间，获取到以后分别在屏幕和串口上显示。

如上图所示，创建一个任务用来获取网络时间。

如上图串口所示，此时既能获取温湿度数据，又能获取网络时间，但是此时还没有充分利用起来FreeRTOS特性，所以其他功能会收到影响，这里只是验证获取时间的功能是正常的，至于OLED屏幕上的显示本喵就不拍照了。

🍓重新设计功能框架

如上图所示是增加了两个功能模块后的框架结构图。

输入事件队列是信息中轴：

• 按键中断触发定时器中断，消除抖动后往队列写入"按键类事件"。
• 使用微信小程序、sscom发出控制命令，UART3接收到数据，解析出数据后往队列写入"网络类事件"。
• SNTP任务：每隔1分钟通过网络获取时间，修正本地时间。
• 1秒钟周期定时器：往队列写入"时间类事件"，以便更新OLED上的时间。
• DHT11任务：每隔几秒钟读取温湿度，往队列写入"温湿度类事件"。
• SmartHome任务：
  • 连接WIFI
  • 读取输入事件，控制设备：LED、风扇、OLED

任务的优先级：

• SmartHome任务：优先级最高，它要及时响应用户的操作，平时大部分时间都是阻塞状态。
• 定时器后台任务：优先级第2高，用来更新时间，如果时间的更新不及时会影响产品体验。
• SNTP任务：优先级第3高，它每隔1分钟执行一次，用来修正时间。
• DHT11任务：优先级最低，温湿度不会剧烈变化。

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使用一个软件定时器作为1秒钟周期定时器，将该定时器也看作是一个设备：

如上图代码，创建一个结构体来描述软件定时器，包括设备编号，定时周期，回调函数，软件定时器句柄，以及初始化等方法。

如上图，定义具体的函数，然后来初始化周期定时器全局变量，回调函数使用的是外部的vOneSecTimerFunc。其他函数调用内核层相应的函数。

如上图，在内核抽象层使用FreeRTOS提供的操作软件定时器的接口即可，在初始化的时候，将创建软件定时器后生成的句柄填入到上一层的全局变量ptTimer->xPeriodTimer中。

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软件定时器超时后会调用回调函数：

如上图代码所示，在软件定时器的回调函数中，会先获取一下当前网卡的时间，然后再给这个时间增加1秒，因为软件定时器1秒钟超时一次，在时间增加的时候要注意进位。

时间增加完毕后，再将这个时间设置到网卡时间中，并且构造输入事件写入到输入队列中，让最上层的智能家居任务来显示这个时间到OLED上。

每超时一次后，超时次数OverTimeCounter加1，当前其等于60的时候到了一分钟，此时要唤醒更新时间任务，从SNTP服务器获取新的网络时间来校正本地时间。

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在回调函数中获取网卡时间的时候，前提是网卡中已经存在时间了：

如上图，在获取网卡时间时，先xSemaphoreTake申请信号量，如果成功则返回网卡时间的地址，否则就阻塞。

• 使用一个信号量，让更新网络时间的任务和软件定时器回调函数互斥访问网卡时间。

如上图，在设置一次网卡时间后，就会增加一下信号量，好让软件定时器的回调函数能访问，而不会阻塞。

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那么是谁会设置网卡时间呢？

如上图代码，在获取网络时间的任务运行后，会先获取一次网络时间，然后设置到网卡时间中，此时定时器的回调还是才能获取到网卡时间，在这之前处于阻塞状态。

除此之外，还创建了一个xUpDateNetTimeSema信号量，用来控制SNTP服务器上获取网络时间。在创建成功后先增加一下，方便第一次获取网络时间，Take以后，再次到了这里后就会阻塞。

当软件定时器超时60次，也就是一分钟时：

如上图，调用UpdateTimeNotify时就会Give一下这个信号量，此时就会唤醒任务从网络上获取一下时间来校正本地时间。

• 更新网络时间的任务大部分时间处于阻塞状态，每一分钟会被软件定时器的回调函数唤醒一次来从SNTP服务器上获取一次时间。

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如上图，在初始化所有子系统和设备的时候，需要将软件定时器也初始化。

如上图，在智能家居任务将输入事件转换成Json格式的时候，再增加一个定时器输入的转换，如红色框中所示。

如上图，在根据输入事件控制设备时，增加定时器输入部分，从网卡中获取时间后将时间显示到OLED屏幕的最下面。

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🍓总结

至此本喵就带着大家实现了FreeRTOS版本的智能家居项目，它的优点主要在于有非常高的实时性。

温湿度部分使用了中断方式，这也是一种保证实时性的手段，有兴趣的小伙伴可以自行了解一下中断编程。

多任务系统中，每个任务在不需要运行的时候，要让其处于阻塞状态，让出CPU资源，可以通过信号量，队列等等方式来实现。