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利用RT-Thread与MQTT实现的毕业设计——智慧班车管理系统的设计与实现实录

发布于 2023-06-03 00:16:40 浏览：458 订阅该版

[tocm]

大家好，我是一位刚刚接触RT-Thread的小白（┭┮﹏┭┮21入坑，中间有很长时间摸鱼），本次毕业设计的题目是智慧班车管理系统的设计与实现，其理论基础是基于我在专科和老师申请的一个实用新型专利——一种智慧班车信息管理系统【这是我专科的专利，本科的毕设哈，本人现已考研到新疆大学计算机技术专业】

![screenshot_image.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20230603/3eb3f234e6d2e0d6004609aab13a8e0c.png.webp)
# 项目成果演示

下面是对于本个项目实现效果的演示：
https://live.csdn.net/v/embed/299837

# 项目硬件开发总结
下面从开发者的角度对本项目进行总结：（因为不是写paper所以比较随意哈~）
项目采用的IoT架构，底层是STM32L475VET6潘多拉开发板+RT-Thread，对于RT-Thread的资源使用情况在论文中也有提到，这里直接截个图：

![screenshot_image.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20230603/f45d1fab2b3714bf354e0d0c31663537.png)
## RT-Thread使用情况详情

内核层的信号量、邮箱、消息队列等机制是用于线程同步以及线程通信的，中断一开始是用于检测PIN设备的IRQ，但是后来去掉了，原因是不好用，确实是用中断的时候自己懒得调试了，程序运行会出现很多问题，所以直接开了个线程，这个后面会讲到。

设备与驱动层中I/O设备模型是最基本的设备Model，所以不再赘述。UART设备是值得一提的哈。因为这个项目需要用到三个串口，即串口1用于Finsh组件调试，串口2用于NB-IoT通信，串口3用于GPS数据的URC解析，但是官方给的BSP中没有添加串口3设备，所以需要自己添加UART设备。

## 添加UART设备

在RT-Thread文档中心已经给出了详细的添加步骤，所在路径如下：

![screenshot_image.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20230603/428048fcef3f0aada42f2a19034e122c.png)

这里也贴上了具体链接：[外设驱动添加指南](https://www.rt-thread.org/document/site/#/rt-thread-version/rt-thread-standard/tutorial/make-bsp/stm32-bsp/STM32%E7%B3%BB%E5%88%97%E5%A4%96%E8%AE%BE%E9%A9%B1%E5%8A%A8%E6%B7%BB%E5%8A%A0%E6%8C%87%E5%8D%97 "外设驱动添加指南")
首先，需要本地安装Cubemx，然后打开裁剪过的BSP目录中的board文件夹
【关于BSP的裁剪工作可以通过ENV工具，使用scons--dist完成】
然后找到该文件夹

![screenshot_image.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20230603/f69b81808ececf759c031b0ac1032619.png)
并打开其中的Cube工程：

![screenshot_image.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20230603/0a14a81ce815ff90ba8b1b6481535b46.png)
打开完成后如果Cube版本与官方制作BSP使用的Cube版本不同时会弹出如下提示框：

![screenshot_image.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20230603/1b88535b3e4827912b8f97967f1218f5.png.webp)
这里可以选择Migrate迁移选项，这样就会在线获取对应版本的Cube，另外，这里提供一个“文明上网”的Blog：[使用Edge打开~](https://p6p.net/22826.html)

![screenshot_image.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20230603/084a2937033ccf05c6f757e500a8a6bf.png.webp)
找到UART3选项，设置为异步模式

![screenshot_image.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20230603/db59df95cc3c7e6617dfc3c15a1e5f74.png)

![screenshot_image.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20230603/16ec64c292cc0e3c235f903b4877aec4.png.webp)
同时，需要注意的是USART3默认使用的端口，潘多拉开发板并没有引出，所以需要到引出的PB10和PB11单独设置端口的模式：

![screenshot_image.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20230603/15f5b9707f38ae49dbdfb62a270f0095.png)
设置完成后不要直接生成，检查一下不要生成单独的c和h文件，即下面的选项不要勾选：

![screenshot_image.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20230603/2b0144720e85f968d6b19582fb788e3a.png.webp)
然后点击生成代码：

![screenshot_image.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20230603/0539a1e8e31278302d699bd64abaf67c.png.webp)
最后，需要打开board文件夹中的Kconfig文件，添加UART3选项：【建议使用Notepad打开，这样打开的文件格式对称，便于复制】

![screenshot_image.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20230603/01acd6df76ff3f587f3d402ec9b23dae.png)
添加完成后，打开ENV工具输入menuconfig命令，依次进入Hardware Drivers Config--->On-chip Peripheral Drivers--->Enable UART就可以看到新添加的UART3选项：

![screenshot_image.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20230603/0588834e4e563d9167e1b0fc111bdd5b.png)
选中后重新生成工程，打开后记得重新编译。这样，UART3设备驱动已经添加成功。
## 适配软件包

回顾一下本项目需要完成的功能，这里直接贴出了论文截图：（懒了~）

![screenshot_image.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20230603/c403748f3adb75132e7fe43ac6550d30.png)
综上，项目使用到的软件包包括AHT10软件包（适配Sensor框架）、lwgps软件包（硬件使用的是整点原子官方的GPS模块ATK-1218-BD：[官网链接](http://www.openedv.com/docs/modules/other/ATK-1218-BD.html)）。另外需要说明的是: MQ2使用的是DO输出，所以用于采集空气质量的MQ2和采集班车人数的红外对射模块使用的RT-Thread提供的PIN设备框架，直接使用API获取管脚电平即可，缩短开发周期。

**AHT10软件包的使用**
将AHT10软件包添加后，只需要关心应用层的逻辑即可。
我的应用层线程初始化都是在main线程中完成的，有关于AHT10数据采集线程的初始化如下：

![screenshot_image.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20230603/2b736d4c5ef15da8f37e0d0812cda95e.png.webp)
线程入口函数如下：

```c
static void aht10_thread_entry()
{
	  rt_device_t dev_temp = RT_NULL;
	  rt_device_t dev_humi = RT_NULL;
	  struct tmp_msg msg;
	  struct rt_sensor_data sensor_data;
    rt_size_t res_temp,res_humi;
	  rt_err_t res;
		res = rt_sem_take(send_AHT_sem, RT_WAITING_FOREVER);
		if(res != RT_EOK)
		{
			rt_kprintf("getGps_thread take a nb semaphore, failed.\n");
			return;
		}	
	  dev_temp = rt_device_find("temp_aht");
	  dev_humi = rt_device_find("humi_aht");	
	  if (dev_temp == RT_NULL)
    {
        rt_kprintf("Can't find device:dev_temp\n");
        return;
    }
		if (rt_device_open(dev_temp, RT_DEVICE_FLAG_RDWR) != RT_EOK)
    {
        rt_kprintf("open device dev_temp failed!\n");
        return;
    }
		if (dev_humi == RT_NULL)
		{
				rt_kprintf("Can't find dev_humi device\n");
				return;
		}
		if (rt_device_open(dev_humi, RT_DEVICE_FLAG_RDWR) != RT_EOK)
		{
				rt_kprintf("open device dev_humi failed!\n");
				return;
		}
    while(1)
    {
			  
			  res_temp = rt_device_read(dev_temp, 0, &sensor_data, 1);
			  
        if (res_temp != 1)
        {
            rt_kprintf("read temp data failed!");
            rt_device_close(dev_temp);
            return;
        }
        else
        {
//            rt_kprintf("temp:%3dC\n",abs(sensor_data.data.temp)/10);
					  msg.temp_value=(abs(sensor_data.data.temp)/10);
        }
        rt_thread_mdelay(10);
        res_humi = rt_device_read(dev_humi, 0, &sensor_data, 1);
        if (res_humi != 1)
        {
            rt_kprintf("read humi data failed!\n");
            rt_device_close(dev_humi);
            return;
        }
        else
        {
//           rt_kprintf("hum:%2d%, timestamp:%5d\n",abs(sensor_data.data.humi)/10);
				   msg.humi_value=abs(sensor_data.data.humi)/10;
        }				
				rt_mq_send(tmp_msg_mq, &msg,sizeof(msg));
//				rt_kprintf("======aht10-Thread Send a mq,msg.tem:%d,msg.hum:%d======\r\n",msg.temp_value,msg.humi_value);
        rt_thread_mdelay(300);				
    }
}
```
在上述代码中首先是获取NB初始化完成后release的信号量；获取成功后，再获取注册到Sensor框架中的温湿度传感器（注意：这里的温湿度传感器是分开的，可以通过list_device在Finshi终端查看）；然后是打开设备并读取温湿度信息；最后将采集到的数据以邮箱机制发送到NB发送线程。这是整个AHT10软件包的添加和数据的读取工作（需要注意：AHT10是通过I2C进行通信的，所以需要开启I2C设备框架）

**lwgps软件包的使用**
lwgps软件包是一个轻量级的gps的URC解析包，支持NEMA格式。在使用软件包的时候也遇到过不少的坑哈，但是庆幸的是都已经解决了，这里需要感谢一位RT-Thread社区朋友提供的驱动文件，链接在这：[有关lwgps软件包使用问题的社区链接地址](https://club.rt-thread.org/index.php/ask/question/2dcf3494d6930f65.html)
可以直接使用该作者提供的驱动框架。特别需要注意的是：这里有一个小坑，可能很多人会忽略，软件包已经使用了`INIT_APP_EXPORT(lwgps2rtt_init);`添加了lwgps的初始化，因此不需要在应用层调用，如果调用会出现我之前出现的报错信息：

![screenshot_image.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20230603/ae541eedd81a6aa286b4aac895e0ee55.png.webp)
完成软件包添加后可利用Finsh组件输入`lwgps_example`命令，查看官方给出的example，它的位置是在lwgps软件包的example.c中：

![screenshot_image.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20230603/c40e86824bb5e5ba5a729b70784dd95b.png.webp)
**在应用层使用lwgps软件包**
类似于AHT10线程创建一样简单，直接使用create动态创建GPS数据采集线程：

![screenshot_image.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20230603/889099399d45ea4e79a4388ca7bb062a.png.webp)
线程入口函数如下：

```c
static void getGps_thread_entry()
{
	  lwgps_t gps_info;
	  struct gps_msg gpsmsg;
    float lati , longi;
    rt_err_t res;
//		res = rt_sem_take(send_Gps_sem, RT_WAITING_FOREVER);
//		if(res != RT_EOK)
//		{
//			rt_kprintf("getGps_thread take a nb semaphore, failed.\n");
//			return;
//		}	  
    while(1)
    {
        lwgps2rtt_get_gps_info(&gps_info);
				gpsmsg.lati_value=(gps_info.latitude);
			  gpsmsg.longi_value=(gps_info.longitude);
			  gpsmsg.hour=(gps_info.hours);
//			  rt_kprintf("GPS-Data:hour-->%d\r\n",gpsmsg.hour);
			  rt_mq_send(gps_msg_mq,&gpsmsg,sizeof(gpsmsg));
				rt_thread_delay(500);
    }
}
```
## 使用PIN设备——MQ2数据采集
关于MQ2的数据读取，并没有使用到ADC设备，因为我想缩短开发周期赶论文┭┮﹏┭┮。我选用的是MQ2的DO输出模式，通过调整电位器设置阈值，实现原理比较简单哈，不再赘述。同时，它的软件读取工作也比较简单。但是由于项目实时性要求，上行数据流是采用JSON封装的，方便小程序端解析，所以需要持续发送采集数据，因此无论是检测到可燃气体还是没有检测到都要发送消息队列。
详细代码如下：
```c
static void test_thread_entry()
{
	char TR_ARRAY[]="true";
	char FA_ARRAY[]="false";
	struct mq_msg mq2_msg;
	while(1)
	{
//		rt_kprintf("test\r\n");
		if(rt_pin_read(MQ2_PIN_NUM)==PIN_LOW)
		{
			memcpy(mq2_msg.msg,TR_ARRAY,sizeof(TR_ARRAY));
			rt_mq_send(mq2_msg_mq,&mq2_msg,sizeof(mq2_msg));
			rt_pin_write(BEEP_PIN_NUM, PIN_HIGH);
		  rt_thread_mdelay(500);
		  rt_pin_write(BEEP_PIN_NUM, PIN_LOW);
		}
		else{
			memcpy(mq2_msg.msg,FA_ARRAY,sizeof(FA_ARRAY));
			rt_mq_send(mq2_msg_mq,&mq2_msg,sizeof(mq2_msg));
		}
		rt_thread_mdelay(200);
	}
}
```
## 使用PIN设备——红外对射数据采集
红外模块采用的“消抖”操作，因为有可能车门位置经过的人会一直停留，所以按照按键消抖处理的，详细的流程不再说明，直接上代码了：

```c
/* 红外检测线程入口函数*/
static void hw_thread_entry(void *parameter)
{
    static rt_uint8_t hw_up = 1;   /* 无人标志 */
    /* 初始化红外对射模块 */
    rt_pin_mode(PIN_NUM_ADD, PIN_MODE_INPUT);
    rt_pin_mode(PIN_NUM_SUB, PIN_MODE_INPUT);
    rt_pin_mode(LED0_PIN, PIN_MODE_OUTPUT);
		tmp_msg_mb = rt_mb_create("temp_mb0", MB_LEN, RT_IPC_FLAG_FIFO);
    while (1)
    {
        /* 检测无人标志 */
        if (hw_up &&  ((rt_pin_read(PIN_NUM_ADD) == PIN_LOW)    ||
                      (rt_pin_read(PIN_NUM_SUB) == PIN_LOW)))
        {
            rt_thread_mdelay(50);   /* 延时消抖*/
            hw_up = 0;
            if (rt_pin_read(PIN_NUM_SUB) == PIN_LOW)
            {
                rt_kprintf("Having person-SUB!\n");
                rt_pin_write(LED0_PIN, PIN_HIGH);
							  if(people_num<=0)
								{
									rt_kprintf("The number of people is empty\n");
									continue;
								}
							  else{
									people_num--;
									rt_kprintf("The num of people is %d\r\n",people_num);
									//rt_mb_send(tmp_msg_mb,people_num);
//									rt_mb_send(tmp_msg_mb,people_num);
								}
            }
            else if (rt_pin_read(PIN_NUM_ADD) == PIN_LOW)
            {
               
                rt_kprintf("Having person-ADD!\n");
                rt_pin_write(LED0_PIN, PIN_LOW);//点亮
								if(people_num>=30)
								{
									rt_kprintf("The number of people is full!\n");
									continue;
								}
							  else{
									people_num++;
									rt_kprintf("The num of people is %d\r\n",people_num);
//									rt_mb_send(tmp_msg_mb,people_num);
								}
            }
        }
        else if((rt_pin_read(PIN_NUM_ADD) == PIN_HIGH) &&
                (rt_pin_read(PIN_NUM_SUB) == PIN_HIGH))
        {
            hw_up = 1;     /*无人标志	*/
//					  rt_mb_send(tmp_msg_mb,people_num);
        }
				rt_mb_send(tmp_msg_mb,people_num);
        rt_thread_mdelay(100);
    }
}
```
## 使用AT设备——NB模块初始化与NB模块数据发送
首先需要在项目中添加AT组件，同时添加M5311软件包，添加完成后，在应用层main线程中开启NB初始化以及NB订阅和发送线程（采用MQTT协议）

![screenshot_image.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20230603/4ca722e242c5171c1fcd8caaa9a765da.png.webp)
初始化线程入口函数如下：
```c
//NB初始化线程：新建MQTT机制+连接MQTT服务器
static void NB_mqtt_thread_entery()
{
	nb_client = at_client_get("uart2");
	nb_resp = at_create_resp(1024, 0, rt_tick_from_millisecond(300));
	if(at_obj_exec_cmd(nb_client,nb_resp,arv)!=RT_EOK)
	{
	  LOG_E("The MQTT haven't inited success\r\n");
	}
	else{
	 LOG_E("MQTT HAVE INITED SUCCESS\r\n");
	 if(at_obj_exec_cmd(nb_client,nb_resp,"AT+MQTTOPEN=1,1,0,0,0,'',''")!=RT_EOK)
	 {
	   LOG_E("The MQTT haven't inited success\r\n");
	 }
	 else{//真正完成了新建MQTT机制和连接服务器
	    LOG_E("The MQTT haven inited success\r\n");
		 	rt_pin_write(BEEP_PIN_NUM, PIN_HIGH);
		  rt_thread_mdelay(500);
		  rt_pin_write(BEEP_PIN_NUM, PIN_LOW);
		  rt_sem_release(nb_sem);//释放信号量
			rt_sem_release(send_Gps_sem); 
			rt_sem_release(send_AHT_sem);
	  }
	}
   rt_thread_mdelay(1000);
}	
```

订阅和发送线程入口函数如下：

```c
static void NB_mqtt_send_thread_entery()
{ 
	struct tmp_msg msg;
	struct gps_msg GPS;
	struct mq_msg mq2msg;
  static rt_err_t result;
	int pep_num=0;
	result = rt_sem_take(nb_sem, RT_WAITING_FOREVER);
	if(result != RT_EOK)
	{
	  rt_kprintf("NB_mqtt_send_thread take a nb semaphore, failed.\n");
	  return;
	}else{
		for(;;)
		{
			if(at_obj_exec_cmd(nb_client,nb_resp,"AT+MQTTSUB=\"pyr\",1")==RT_EOK)//订阅主题
			{
			  rt_kprintf("The NB-IoT have subscribed the pyr topic\r\n");
				
			  break;
			}
		}  
		 while(1)
		{
				if((rt_mq_recv(gps_msg_mq,&GPS,sizeof(GPS),RT_WAITING_FOREVER)==RT_EOK)&&
					 (rt_mq_recv(tmp_msg_mq, &msg, sizeof(msg), RT_WAITING_FOREVER)==RT_EOK)&&
					 (rt_mq_recv(mq2_msg_mq, &mq2msg, sizeof(mq2msg), RT_WAITING_FOREVER)==RT_EOK)&&
					 (rt_mb_recv(tmp_msg_mb,(int*)&pep_num,RT_WAITING_FOREVER)==RT_EOK))
				{
					rt_kprintf("---------->NB Send Thread Receive the data-hour:%d,tmp:%d,mq2:%s,pep_num:%d\r\n",GPS.hour,msg.temp_value,mq2msg.msg,pep_num);
					if(at_obj_exec_cmd(nb_client,nb_resp,"AT+MQTTPUB=\"pyr\",1,1,0,0,\"{\"temp\":%d,\"hum\":%d,\"lati\":%f,\"longi\":%f,\"mq2\":%s,\"pep_num\":%d}\"",msg.temp_value,msg.humi_value,GPS.lati_value,GPS.longi_value,mq2msg.msg,pep_num)!=RT_EOK)
					{
						LOG_E("Send the MEssage of the MQTT failed\r\n");
					}
//					if(at_obj_exec_cmd(nb_client,nb_resp,"AT+MQTTPUB=\"pyr\",1,1,0,0,\"{\"latitude\":37.3862770000,\"longitude\":117.9898270000,\"temp\":23,\"humi\":60,\"person\":15,\"smoke\":false}\"")!=RT_EOK)
//					{
//						LOG_E("Send the MEssage of the MQTT failed\r\n");
//					}
				}
			
				rt_thread_mdelay(500);
//				rt_thread_mdelay(1000); 有延时，所以采用0.5S-Debug测出来的
		}
	}
}
```
# 项目软件开发总结
项目的应用软件使用的是微信小程序，涉及到的内容包括：小程序适配MQTT客户端连接服务器以及订阅和发布消息、小程序云开发模式Serverless、小程序使用Map组件、小程序使用腾讯云SMS服务（个人版）、小程序实现左滑删除样式等内容... ...另外，MQTT服务器使用的是EMQ搭建的免费版MQTT服务器。

这是使用的MQTT地址，目前仍然可以使用：[EMQ服务器IP地址](https://123.60.181.106) ，支持端口号18083、8083、8084、18084访问，同时提供匿名访问
微信小程序的具体实现比较简单，这里不再赘述，详细的内容参见代码即可

另外，本项目涉及的所有代码全部开源，请自行获取：[Gitee库地址](https://gitee.com/lhzstudio/graduation_-design/blob/master/)

欢迎大佬们批评指正~