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项目名称:智能家居边缘网关项目

news 2025/7/19 13:56:28

一，项目介绍

软件环境: C语言
硬件环境: STM32G030C8TX单片机开发板
开发工具: Linux平台GCC交叉编译环境以及ukeil

(1)边缘网关概念

边缘网关是部署在网络边缘侧的网关，通过网络联接、协议转换等功能联接物理和数字世界，提供轻量化的联接管理、实时数据分析及应用管理功能。比较常见的就是智能家居中智能音箱（蓝牙网关）+路由器（wifi网关），工厂里的工业网关等。它们通常扮演着一个区域内中心网关的功能，即负责终端设备的网络连接，也负责各终端数据的采集以及远程控制。同时，又提供数据上云的功能。

(2)包含知识点

两大网联网场景：消费物联网、工业物联网两大场景全覆盖

边缘网关新概念：物联网边缘网关中边缘采集、边缘计算两大主流技术

基础综合运用：C、shell、Makefile、C++、QT、单片机、数据库等基础知识大融合

Linux开发技术点：进程间通信、多线程程序设计、文件操作、网络编程、应用协议

物联网主流通信技术：Json、Modbus、mqtt

各种调试工具学习：mqtt.fx、modbus slave、modbus poll、wireshark、网络调试、串口调试等

二，产品需求矩阵

上位机：搜索界面，设备信息显示和控制界面，监控界面，历史数据查询，边缘计算

网关：上报模块，公有云模块，搜索响应模块，数据存储模块，内置网页，各采集模块，视频流模块

设备端：stm32模块，modbus模块

三，全局点表

点表使用

真实物联网场景中，点表通过客户端界面（上位机或者web页面）编辑，生成json文件后下发给设备，设备解析使用。

四，modbus采集进程

modbus采集模块实现了modbus工业设备的通信对接，向上通过modbusTCP协议采集单片机的数据，并刷新到共享内存，以便上报模块进程使用。向下接收来自上报模块的JSON控制指令，解析后，转换为标准的modbusTCP指令后通过网络发送给设备，实现设备的控制。

(1)主程序：

int main(int argc, char const *argv[])
{INIT_LIST_HEAD(&head);FILE *fd = fopen("./node.json", "r");if (fd == NULL){perror("fopen err\n");}//定位文件末尾操作fseek(fd, 0, SEEK_END);//计算文件的大小int len = ftell(fd);//定位文件开头操作fseek(fd, 0, SEEK_SET);char *p = (char *)malloc(len + 1);fread(p, 1, len, fd);cJSON *root = NULL;//把传入的字符串转成cJSON的结构（反序列化）root = cJSON_Parse(p);if (root == NULL){perror("err parse\n");//return -1;}//版本cJSON *item = cJSON_GetObjectItem(root, "version");printf("version =%s\n", item->valuestring);item = cJSON_GetObjectItem(root, "mb_dev");char *IP = cJSON_GetObjectItem(item, "addr")->valuestring;int pot = cJSON_GetObjectItem(item, "port")->valueint;printf("ip=%s port=%d\n", IP, pot); //解析端口和设备地址//解析modbuscJSON *ROO = cJSON_GetObjectItem(root, "modbus");cJSON *tem = cJSON_GetObjectItem(ROO, "data");int array_size = cJSON_GetArraySize(tem); //数组的大小cJSON *JS_tem = tem->child;               //子对象for (int i = 0; i < array_size; i++){struct mb_node_list *arr = (struct mb_node_list *)malloc(sizeof(struct mb_node_list));printf("key=%d\n", cJSON_GetObjectItem(JS_tem, "key")->valueint);printf("name=%s\n", cJSON_GetObjectItem(JS_tem, "name")->valuestring);printf("addr=%d\n", cJSON_GetObjectItem(JS_tem, "addr")->valueint);printf("type=%d\n", cJSON_GetObjectItem(JS_tem, "type")->valueint);arr->node.key = cJSON_GetObjectItem(JS_tem, "key")->valueint;arr->node.addr = cJSON_GetObjectItem(JS_tem, "addr")->valueint;list_add(&arr->list, &head);JS_tem = JS_tem->next;}//1,创建实例//modbus_t *ctx = modbus_new_tcp(argv[1], atoi(argv[2]));modbus_t *ctx = modbus_new_tcp(IP, pot);//2,设置从机IDmodbus_set_slave(ctx, 1);//3,和主机进行连接int slave = modbus_connect(ctx);if (slave != 0){perror("connect err");return -1;}else{printf("连接成功!!!!\n");}//数据采集线程if (pthread_create(&tid, NULL, mythread, ctx) != 0){perror("pthread_create err");return -1;}//指令控制if (pthread_create(&tid, NULL, controlthread, ctx) != 0){perror("pthread_create_control err");return -1;}pthread_detach(tid);while (1);//6,释放Modbus实例modbus_free(ctx);//7,关闭套接字modbus_close(ctx);return 0;
}

(2)数据采集线程：

//数据采集线程
void *mythread(void *arg)
{uint16_t data[1024] = {};uint16_t data1[1024] = {};uint8_t dest[1024] = {};int ret = -1;ret = shm_init(&para, "shm_test", MAX_NODE_SIZE); //初始化if (ret < 0){perror("shm_init err\n");//return -1;}//获取共享内存的地址并将其赋值给指针变量addrvoid *addr = shm_getaddr(&para);if (addr == NULL){perror("shm_getaddr err\n");//return -1;}int *p = NULL;p = addr;printf("Address=%p\n", p);int *num = addr;struct std_node *add = (addr + sizeof(int));modbus_t *ctx = (modbus_t *)arg;while (1){sleep(2);list_for_each(pos, &head){tmp1 = list_entry(pos, struct mb_node_list, list);//温度if (tmp1->node.key == 101){modbus_read_input_registers(ctx, tmp1->node.addr - 1, 2, data);}//湿度else if (tmp1->node.key == 102){modbus_read_input_registers(ctx, tmp1->node.addr - 1, 2, data + 2);}//空调开关else if (tmp1->node.key == 103){modbus_read_bits(ctx, tmp1->node.addr - 1, 2, dest);//printf("空调开关= %u  ", dest[0]);}//空调的温度,//读取保持寄存器(功能码 0x3)else if (tmp1->node.key == 104){modbus_read_registers(ctx, tmp1->node.addr , 2, data1);}//风扇开关else if (tmp1->node.key == 105){modbus_read_bits(ctx, tmp1->node.addr - 1, 2, dest + 2);}//风扇档位1档,2档,3档else if (tmp1->node.key == 106){modbus_read_registers(ctx, tmp1->node.addr , 2, data1 + 2);}printf("温度寄存器= %u  湿度寄存器= %u\n", data[0], data[2]);printf("空调温度的监测= %u  风扇的档位=%u\n", data1[0], data1[2]);printf("空调开关的状态:=%u 风扇开关的状态:=%u\n", dest[0], dest[1]);}
/* 读取的方式modbus_read_input_registers(ctx, 0, 4, data);//读输入寄存器的值，可读取多个连续输入寄存器的值（对应功能码为0x04）//温度,湿度printf("温度寄存器= %u  湿度寄存器= %u\n", data[0], data[2]);//空调的温度,风扇档位1档,2档,3档//读取保持寄存器(功能码 0x3)modbus_read_registers(ctx, 0, 4, data1);printf("空调温度的监测= %u  风扇的档位=%u\n", data1[0], data1[2]);//空调开关和风扇开关//读取线圈或者离散量输出状态(功能码 0x1)modbus_read_bits(ctx, 0, 4, dest);printf("空调开关的状态:=%u 风扇开关的状态:=%u\n", dest[0], dest[1]);
*/for (int i = 0; i < *num; i++){if (add[i].key == 101) //温度{add[i].new_val.f_val = modbus_get_float_dcba(data);printf("Temperature sensor=%f\n", add[i].new_val.f_val);if (add[i].new_val.f_val != 0){add[i].ret = 0;}else{add[i].ret = -1;printf("Temperature sensor err:=%d\n", add[i].ret);}}else if (add[i].key == 102) //湿度{add[i].new_val.f_val = modbus_get_float_dcba(data + 2);printf("Humidity sensor=%f\n", add[i].new_val.f_val);if (add[i].new_val.f_val != 0){add[i].ret = 0;}else{add[i].ret = -1;printf("Humidity sensor err:=%d\n", add[i].ret);}}else if (add[i].key == 103) //空调开关{add[i].new_val.b_val = dest[0];printf("air conditioning switch=%d\n", add[i].new_val.b_val);if (add[i].new_val.b_val != 0){add[i].ret = 0;}else{add[i].ret = -1;printf("air conditioning switch err:=%d\n", add[i].ret);}}else if (add[i].key == 104) //空调的温度{add[i].new_val.f_val = modbus_get_float_dcba(data1);printf("air conditioning temperature=%f\n", add[i].new_val.f_val);if (add[i].new_val.f_val != 0){add[i].ret = 0;}else{add[i].ret = -1;printf("air conditioning temperature err:=%d\n", add[i].ret);}}else if (add[i].key == 105) //风扇开关{add[i].new_val.b_val = dest[1];printf("Fan switch=%d\n", add[i].new_val.b_val);if (add[i].new_val.b_val != 0){add[i].ret = 0;}else{add[i].ret = -1;printf("Fan switch err:=%d\n", add[i].ret);}}else if (add[i].key == 106) ///风扇档位控制,1档,2档,3档{add[i].new_val.f_val = modbus_get_float_dcba(data1 + 2);printf("Fan switch control=%f\n", add[i].new_val.f_val);if (add[i].new_val.f_val != 0){add[i].ret = 0;}else{add[i].ret = -1;printf("Fan switch err:=%d\n", add[i].ret);}}}for (int i = 0; i < 6; i++){if (add[i].key == 101){printf("key=%d new_val=%f\n", add[i].key, add[i].new_val.f_val);}else if (add[i].key == 102){printf("key=%d new_val=%f\n", add[i].key, add[i].new_val.f_val);}else if (add[i].key == 103){printf("key=%d new_val=%d\n", add[i].key, add[i].new_val.b_val);}else if (add[i].key == 104){printf("key=%d new_val=%f\n", add[i].key, add[i].new_val.f_val);}else if (add[i].key == 105){printf("key=%d new_val=%d\n", add[i].key, add[i].new_val.b_val);}else if (add[i].key == 106){printf("key=%d new_val=%f\n", add[i].key, add[i].new_val.f_val);}}sleep(1);}//free(tmp1);// tmp1 = NULL;shm_del(&para);pthread_exit(NULL);
}

(3)指令控制进程：

//指令控制
void *controlthread(void *arg)
{modbus_t *ctx = (modbus_t *)arg;struct msg msg;//反序列化msg.mtype = 1;while (1){// u_int16_t buf[4] = {444};// u_int16_t buf1[4] = {1662};//modbus_write_registers(ctx,40000,2,buf);//modbus_write_registers(ctx,40002,2,buf1);//modbus_write_registers(ctx,40003,2,buf);//modbus_write_registers(ctx,40005,4,buf );//modbus_write_register(ctx,0, 12);//modbus_write_register(ctx,2, 12);if (msg_queue_recv("modbus", &msg, sizeof(msg), 1, 0) > 0){cJSON *root = cJSON_Parse(msg.mdata);if (NULL == root){printf("err parse\n");//return -1;}//cJSON *item;//item = cJSON_GetObjectItem(root, "data"); //解析对象//解析key的值cJSON *login_key = cJSON_GetObjectItem(root, "key");int identifying_Key = login_key->valueint;printf("key=%d\n", identifying_Key); //打印此时的key值//解析val的值login_key = cJSON_GetObjectItem(root, "val");int identifying_val = atoi(cJSON_GetObjectItem(root, "val")->valuestring);printf("val=%d\n", identifying_val);//遍历链表list_for_each(pos, &head){tmp = list_entry(pos, struct mb_node_list, list);if (identifying_Key == tmp->node.key){if (identifying_Key == 103) //空调开关{modbus_write_bit(ctx, tmp->node.addr - 1, identifying_val);}else if (identifying_Key == 104) //空调温度控制{uint16_t buf[4];modbus_set_float_dcba((float)atof(cJSON_GetObjectItem(root, "val")->valuestring), buf);modbus_write_registers(ctx, tmp->node.addr, 2, buf);}else if (identifying_Key == 105) //风扇开关{modbus_write_bit(ctx, tmp->node.addr - 1, identifying_val);}else if (identifying_Key == 106) //风扇档位控制,1档,2档,3档{uint16_t buf[4];modbus_set_float_dcba((float)atof(cJSON_GetObjectItem(root, "val")->valuestring), buf);modbus_write_registers(ctx, tmp->node.addr, 2, buf);}}}}}pthread_exit(NULL);pause();
}

五，STM32

●STM32采集模块
stm32采集模块实现了stm32设备的通信对接，向上通过串口协议采集单片机的数据，
并刷新到共享内存，以便上报模块进程使用。
向下接收来自上报模块的JSON控制指令，解析后，
转换为相应的控制指令后通过串口发送给设备，实现设备的控制。

●单片机设备模块
单片机模拟了智能家居系统的设备场景，分别实现了传感器数据采集上报、设备的远程控制等功能。
通过ADC采集光敏传感器，并按照上报协议通过串口发送给网关设备。
接收来自网关的控制指令，通过JSON反序列化后，进行相应的设备控制。
呼吸灯来表示设备运行状态，按键模拟墙壁开关同步模拟灯光控制。

(1)需求分析

采集类传感器使用光敏度传感器。
蓝LED模拟智能灯，可以采集到灯状态并可远程控制；五向按键作为灯控开关（家居本地控制）。
绿色灯作为呼吸灯，1S闪烁一次，表示设备运行正常。
蓝灯表示网络连接状态，如果连接wifi并成功连接服务器后，蓝灯常亮（wifi连接模式）。
每隔2s采集一次传感器数据、智能灯的状态、电池电量信息，组包主动上报给网关。
接收来自网关的控制指令，并对智能灯做相应的控制。

(2)技术点分析

GPIO
串口通信
串口中断
GPIO中断
硬件定时器
ADC采集
网络调试（wifi连接模式）

注意：这种方式很直观，发送前需要对发送的数据进行JSON的序列化动作。

单片机的栈空间比较小，如果使用cJSON序列化时候，在串口调试助手发现输出不正常时，一般是栈空间不够了，此时可以考虑增大栈空间，可以直接从cubeMX直接进行调整。

(3)Linux中采集和控制代码

主线程： // 读取串口数据（数据采集）

int main(int argc, char const *argv[])
{fd = open("/dev/ttyUSB0", O_RDWR);if (fd < 0){perror("open err");return -1;}elseprintf("open device success\n");serial_init(fd); //设置串口属性//创建线程pthread_t tid;if (pthread_create(&tid, NULL, my_pthread, NULL) != 0){perror("pthread create err");return -1;}printf("this is father\n");char buf[1024] = {0}; //存放读串口数据static struct shm_param para;int ret = -1;// 创建共享内存ret = shm_init(&para, "shm_test", 1024);if (ret < 0){return -1;}// 获取共享内存地址struct std_node *addr = shm_getaddr(&para);if (addr == NULL){return -1;}while (1){// 读取串口数据if (read(fd, buf, sizeof(buf)) < 0){perror("read err");return -1;}printf("cj_buf=%s\n", buf);// 反序列化cJSON *root = cJSON_Parse(buf);if (NULL == root){printf("parse err\n");return -1;}printf("*****反序列化*****\n");cJSON *data = NULL;cJSON *tmp = NULL;cJSON *item = NULL;data = cJSON_GetObjectItem(root, "data");int n = cJSON_GetArraySize(data);struct std_node buffer[n - 1];for (int i = 0; i < n; i++){tmp = cJSON_GetArrayItem(data, i);item = cJSON_GetObjectItem(tmp, "key");buffer[i].key = item->valueint;printf("%s=%d\n", item->string, item->valueint);item = cJSON_GetObjectItem(tmp, "val");if (buffer[i].key == 301) //传感器{buffer[i].type = 3;buffer[i].dev_type = buffer[i].key / 100;buffer[i].old_val.f_val = item->valueint;buffer[i].new_val.f_val = item->valueint;}else if (buffer[i].key == 302) //电池{buffer[i].type = 2;buffer[i].dev_type = buffer[i].key / 100;buffer[i].old_val.i_val = item->valueint;buffer[i].new_val.i_val = item->valueint;}else if (buffer[i].key == 303) //灯状态{buffer[i].type = 2;buffer[i].dev_type = buffer[i].key / 100;buffer[i].old_val.i_val = item->valueint;buffer[i].new_val.i_val = item->valueint;}//打印查看采集的值printf("%s=%d\n", item->string, item->valueint);buffer[i].ret = 0;}cJSON_Delete(root);}pthread_join(tid, NULL);return 0;
}

线程：//从消息队列中读cjson（控制指令通过串口发给单片机）

void *my_pthread(void *arg)
{printf("this is son\n");struct msgbuf r_buf;cJSON *r = cJSON_CreateObject();cJSON *d = cJSON_CreateArray();cJSON_AddItemToObject(r, "data", d);cJSON *i = cJSON_CreateObject();cJSON_AddItemToArray(d, i);cJSON_AddNumberToObject(i, "key", 303);cJSON_AddStringToObject(i, "name", "light");cJSON_AddStringToObject(i, "val", "1");char *q = cJSON_PrintUnformatted(r);r_buf.mtype = 1;strcpy(r_buf.mdata, q);msg_queue_send("stm32", &r_buf, sizeof(r_buf), 0);printf("r_buf=%s\n", r_buf.mdata);free(q);cJSON_Delete(r);while (1){//从消息队列中读cjsonstruct msgbuf recv_buf;int t = msg_queue_recv("stm32", &recv_buf, sizeof(recv_buf), 0, 0);if (t < 0){perror("msg recv err");return NULL;}printf("%s\n", recv_buf.mdata);// 反序列化cJSON *msg_root = cJSON_Parse(recv_buf.mdata);if (NULL == msg_root){printf("parse err\n");return NULL;}int msg_key, msg_val;cJSON *msg_item = NULL;cJSON *msg_data = cJSON_GetObjectItem(msg_root, "data");int cout = cJSON_GetArraySize(msg_data);printf("*************\n");for (int i = 0; i < cout; i++){cJSON *tmp = cJSON_GetArrayItem(msg_data, i);msg_item = cJSON_GetObjectItem(tmp, "key");msg_key = msg_item->valueint;printf("%s=%d\n", msg_item->string, msg_item->valueint);msg_item = cJSON_GetObjectItem(tmp, "name");printf("%s=%s\n", msg_item->string, msg_item->valuestring);msg_item = cJSON_GetObjectItem(tmp, "val");msg_val = atoi(msg_item->valuestring);printf("%s=%s\n", msg_item->string, msg_item->valuestring);}cJSON_Delete(msg_root);// 序列化if (msg_key == 303){cJSON *root = cJSON_CreateObject();cJSON *data = cJSON_CreateArray();cJSON_AddItemToObject(root, "data", data);cJSON *item3 = cJSON_CreateObject();cJSON_AddItemToArray(data, item3);cJSON_AddNumberToObject(item3, "key", 303);cJSON_AddStringToObject(item3, "name", "light");cJSON_AddNumberToObject(item3, "val", msg_val);char *p = cJSON_PrintUnformatted(root);printf("ctronl_cjson=%s\n", p);//写串口if (write(fd, p, strlen(p)) < 0){perror("write err");return NULL;}free(p);cJSON_Delete(root);}}pthread_exit(NULL);
}

(4)ukeil工程

main.c() LED灯五项按键中断，串口接受控制指令，ADC采集

五项按键

//按键中断
void HAL_GPIO_EXTI_Rising_Callback(uint16_t GPIO_Pin)
{if(GPIO_Pin==GPIO_PIN_8){HAL_GPIO_TogglePin(GPIOB,GPIO_PIN_1);while(HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA,GPIO_PIN_8));//抬手检测}
}

串口接受控制指令

//每次达到上述条件后，会触发此中断，每次触发中断缓冲区数据就是完整一包数据
void HAL_UARTEx_RxEventCallback(UART_HandleTypeDef *huart, uint16_t Size)
{if(huart->Instance == USART1){
//		printf("RxBuf is %s\n", RxBuf);//这里来解析命令，并做出相应的反应
//		char dev_name[32]={0};cJSON* recv_root=cJSON_Parse(RxBuf);
//		if(NULL==recv_root)
//		{
//			printf("parse err\n");
//		}cJSON*recv_data=cJSON_GetObjectItem(recv_root,"data");int count=cJSON_GetArraySize(recv_data);for(int i=0;i<count;i++){cJSON*tmp=cJSON_GetArrayItem(recv_data,i);
//			printf("********zhongduan*******\n");cJSON* recv_item=NULL;recv_item=cJSON_GetObjectItem(tmp,"key");
//			printf("%s=%d\n", recv_item->string, recv_item->valueint);int key=recv_item->valueint;//			recv_item=cJSON_GetObjectItem(tmp,"name");
//			printf("%s=%s\n", recv_item->string, recv_item->valuestring);
//			strcpy(dev_name,recv_item->valuestring);recv_item=cJSON_GetObjectItem(tmp,"val");
//			printf("%s=%d\n", recv_item->string, recv_item->valueint);int val=recv_item->valueint;
//			int val=atoi(recv_item->valueint);//控制灯if(key==303){//开灯if(val==1){HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_1, GPIO_PIN_RESET);}//关灯else if(val==0){HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_1, GPIO_PIN_SET);}}cJSON_Delete(recv_root);}memset(RxBuf,0,1024);//再次设置此中断HAL_UARTEx_ReceiveToIdle_IT(&huart1,RxBuf,1024);}
}

ADC采集，LED灯，呼吸灯

  /* USER CODE BEGIN WHILE */while (1){//呼吸灯for(int i=995;i>=0;i--){TIM3->CCR3=i;HAL_Delay(1);}for(int i=0;i<995;i++){TIM3->CCR3=i;HAL_Delay(1);}//		启动adc开始转换HAL_ADC_Start(&hadc1);//		获取转换结果while(!(ADC1->ISR&(1<<2)));bat=HAL_ADC_GetValue(&hadc1);while(!(ADC1->ISR&(1<<3)));light=HAL_ADC_GetValue(&hadc1);//		停止转换HAL_ADC_Stop(&hadc1);//		printf("bat=%d light=%d\n",bat,light);
//		HAL_Delay(10);if(HAL_GPIO_ReadPin(GPIOB,GPIO_PIN_1)==GPIO_PIN_SET){
//			printf("led_off\n");led_val=0;}else{
//			printf("led_on\n");led_val=1;}//序列化封装为json格式cJSON* root=cJSON_CreateObject();cJSON* data=cJSON_CreateArray();cJSON_AddItemToObject(root,"data",data);cJSON* item=cJSON_CreateObject();cJSON_AddItemToArray(data,item);cJSON_AddNumberToObject(item,"key",301);cJSON_AddStringToObject(item,"name","sensor");cJSON_AddNumberToObject(item,"val",light);cJSON* item2=cJSON_CreateObject();cJSON_AddItemToArray(data,item2);cJSON_AddNumberToObject(item2,"key",302);cJSON_AddStringToObject(item2,"name","bat");cJSON_AddNumberToObject(item2,"val",bat);cJSON* item3=cJSON_CreateObject();cJSON_AddItemToArray(data,item3);cJSON_AddNumberToObject(item3,"key",303);cJSON_AddStringToObject(item3,"name","light");cJSON_AddNumberToObject(item3,"val",led_val);char *p = cJSON_PrintUnformatted(root);HAL_UART_Transmit(&huart1,p,strlen(p),1000);
//		printf("cjson=%s\n",p);free(p);cJSON_Delete(root);//lcd屏显示sprintf(lcd_sensor,"%d\n",light);sprintf(lcd_bat,"%d\n",bat);sprintf(lcd_led,"%d\n",led_val);Gui_DrawFont_GBK16(25,30,WHITE,RED,"sensor:");Gui_DrawFont_GBK16(80,30,WHITE,RED,lcd_sensor);Gui_DrawFont_GBK16(35,45,WHITE,RED,"bat:");Gui_DrawFont_GBK16(78,45,WHITE,RED,lcd_bat);Gui_DrawFont_GBK16(35,60,WHITE,RED,"LED:");Gui_DrawFont_GBK16(78,60,WHITE,RED,lcd_led);/* USER CODE END WHILE *//* USER CODE BEGIN 3 */}/* USER CODE END 3 */
}

总结：

强化编程基础
迅速拓展知识面，训练自己的学习能力
了解企业开发流程，提前感受团队项目开发过程