RT-Thread-【24嵌入式设计大赛】基于rt-thread的嵌入式多设备协同控制RT-Thread问答社区

【24嵌入式设计大赛】基于rt-thread的嵌入式多设备协同控制

发布于 2024-09-15 18:21:01 浏览：647 订阅该版

[tocm]

## 功能介绍
该项目主要基于RT-Thread火星一号开发板验证近距离多设备无线通信，实现的第一种是在同一网络下的tcp/ip通信，将finsh功能增加一个无线模式。
主要功能就是通过RW007 wifi模块 连接wifi,配置成服务器模式，等待客户端连接。
与客户端连接后可以通过与客户端进行通信，进行finsh的功能，同时保留正常串口的功能。
通过三个任务实现以上以上功能。
## 前言
   因为对于现在众多的移动设备实现的多设备协同十分好奇，尤其是华为的多设备协同技术，也称为“超级终端”功能。经过检索了解到是通过软件和硬件的深度集成来实现的。这项技术允许用户将不同的华为设备（如智能手机、平板电脑、笔记本电脑、智慧屏等）连接在一起，实现无缝的任务切换和数据共享。
## 设计背景
### 1、硬件开发板介绍:星火一号
  
![12f6e0d2d9a1234a37c010ecf7c35ec.jpg](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20240915/c83d6357bd49bcb8e2e09b2e4e9d6a28.jpg.webp)
  板载资源：
  - 复位按键、轻触按键 X4、自锁开关
  - 蜂鸣器
  - LR1220 RTC 后备电池座
  - ST-Link
  - USB-FS
  - 麦克风、4 极耳机
  - SD 卡座
  - 8MB NorFlash
  - 红外发射、红外接收
  - ICM20608 六轴传感器、AP3216 接近传感器、AHT20 温湿度传感器
  - RW007 WIFI
  - 240x240 并行 LCD 支持背光调节
  - 19 灯等距全彩 LED
  - 全彩 LED 外接
  - 3.3V 电源扩展、5V 电源扩展
  扩展接口：
  - RS485 接口
  - CAN 接口
  - 40Pin 树莓派标准扩展无冲撞 IO
  - Spark-10Pin 创意堆叠平台
  - PMOD 接口 x2
  支持的 IDE：RT-Thread Studio、MDK。
### 2、操作系统介绍：RT-Thread
  RT-Thread是一款开源的实时操作系统（RTOS），它专为嵌入式设备和物联网应用设计，具有小巧、高效、可扩展和易于使用的特点。以下是RT-Thread的一些关键特性和应用场景：
RT-Thread的特性：
    1. 轻量级和高效性：RT-Thread内核设计精简，资源占用低，适合在资源受限的嵌入式设备上运行，同时支持多任务并发执行，提高系统性能。
    2. 实时性：采用抢占式调度策略，确保实时任务能够快速响应。
    3. 丰富的组件生态：提供丰富的软件组件，包括文件系统、网络协议栈、图形界面、设备框架等，便于开发者快速构建应用。
    4. 良好的兼容性：支持多种硬件平台和编译器，易于移植和开发。
    5. 开源免费：遵循GPLv2许可协议，允许用户免费使用和修改源码。

## 功能点分析
### 0、嵌入式设备实现多设备协同需要实现多少功能和技术？
  在嵌入式系统中实现多设备协同工作，涉及到的关键技术和功能包括：
-   1. 通信协议：嵌入式系统通过各种通信协议与其他设备建立连接和信息交换，如串行通信、网络通信、总线通信等 。
-   2. 软件架构和算法设计：嵌入式系统的软件架构通常包括操作系统、应用程序和驱动程序等部分。通过设计合适的算法，系统可以分析其他设备的数据，做出决策，并协调其他设备的行为 。
-   3. 硬件接口和扩展模块：硬件接口使得嵌入式系统能够与其他设备直接连接，实现数据的传输和控制信号的传递。扩展模块提供了更多的功能和接口选项，使得系统能够适应更多种类的设备和应用场景 。
-   4. 操作系统：嵌入式操作系统（RTOS）是实现多设备协同的基础，它负责任务调度、资源管理、通信和同步等 。
-   5. 网络管理：在多设备协同中，网络管理是关键，包括IP地址分配、路由选择、网络通信协议等 。
-   6. 数据同步和共享：多设备协同需要实现数据的同步和共享，确保所有设备都能访问和使用最新的数据 。
-   7. 安全机制：为了保证数据的安全性和系统的稳定性，需要实现安全机制，如数据加密、认证、访问控制等 。
-   8. 用户界面和交互：为了便于用户管理和控制多设备协同，需要提供用户界面和交互设计，如图形用户界面、命令行界面等 。
-   9. 设备发现和识别：多设备协同需要能够快速发现和识别网络中的设备，这通常通过设备名、MAC地址、IP地址等方式实现 。
-   10. 电源管理：在多设备协同中，电源管理是重要的，尤其是在电池供电的设备中，需要优化电源使用，延长设备寿命 。
-   11. 故障检测和处理：多设备协同需要能够检测和处理设备故障，确保系统的稳定性和可靠性 。
-   12. 远程升级和维护：为了保持系统的更新和维护，需要实现远程升级和维护功能，以便在不接触设备的情况下进行软件更新和故障排除 。
  通过上述技术和功能的实现，嵌入式系统可以与其他设备协同工作，提供高效、智能的设备间协作，共同完成任务并提升整体性能 。
  
  综上，如果要全部实现这些功能点，所需经验和时间都是巨大的，所以这里先实现以下无线连接，并建立通讯连接即可，暂时不考虑设计通信协议和安全问题，先实现第一步再逐步完善。
  
### 1、如何实现多设备之间的无线连接？
  蓝牙或者wifi.
  RW007模块可以实现wifi 连接。
### 2、wifi实现多设备通信的方式有哪些
  1. 客户端-服务器模式：
    - 这是最常见的模式，其中一个开发板作为服务器，监听特定端口的连接请求；另一个开发板作为客户端，发起连接请求。
    - 适合需要持续数据传输或请求-响应类型的应用。
  2. 点对点（Peer-to-Peer, P2P）模式：
    - 在这种模式下，两个开发板都具有平等的角色，它们可以直接进行双向通信，无需服务器。
    - 适合需要快速、直接通信的应用，如文件传输、聊天应用等。
  3. 广播/组播模式：
    - 一个开发板可以发送广播或组播消息，其他所有在范围内的设备都可以接收这些消息。
    - 适合需要向多个设备发送相同消息的场景，如通知、状态更新等。
  4. 网关模式：
    - 其中一个开发板作为网关，连接到其他网络或设备，另一个开发板通过这个网关进行通信。
    - 适合需要通过中间设备进行通信的场景，如智能家居系统中的网关设备。
  5. 星型网络：
    - 多个开发板都连接到一个中心节点，中心节点负责协调通信。
    - 适合需要集中控制或管理的应用。
  在选择通信模式时，需要考虑以下因素：
  - 应用需求：通信模式应该满足应用的功能需求。
  - 网络环境：考虑无线网络的条件，如信号强度、带宽、延迟等。
  - 设备能力：评估开发板的处理能力、内存和网络堆栈。
  - 安全性：考虑数据传输的安全性，如加密、认证等。
  在实际应用中，可以使用RT-Thread提供的网络框架和协议栈来实现上述通信模式。RT-Thread支持多种网络协议，包括TCP/IP、UDP、HTTP、MQTT等，可以根据需要选择合适的协议来实现复杂的网络通信功能。
  
## 软件实现思路
1、比较简单的一种实现连接的方案，在同于网络下建立tcp连接，也就是一个客户端一个服务器。建立连接之后就可以进行通讯了。
2、建立了通讯之后就可以进行信息交互了，参考shell的功能，实现FinSH的功能，在串口的基础上实现无线交互是最好的。
要增加这个就需要实现 输入解析和输出两个关键点。
改写 rt_kprintf（）和finsh_getchar（） 的功能实现。

先实现rt_kprintf（）的修改 增加tcp 通信输出。
## 实验实现过程
联网过程：可手动，只需修改主函数里面的wifi名字和密码。然后就可以自动连接wifi

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连接成功后会显示ip地址，开发板作为服务器，网络调试助手作为客户端在同一网络下可以进行通讯，需要确认开发板和电脑同时在一个wifi 下连接。

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### 源码修改内容

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### 分析源码

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这段代码是一个循环，它的作用是从某个设备（如串口）读取数据。如果读取失败，则等待特定的信号量，然后检查设备是否已经改变。如果设备已经改变，则更新设备指针。如果设备是 RT_NULL，则返回错误。这是一个典型的在 RT-Thread 操作系统中读取设备数据的逻辑。
下面是这段代码的逐行解释：
1. while (rt_device_read(device, -1, &ch, 1) != 1)：
这是一个 while 循环，它调用 rt_device_read 函数尝试从 device 设备读取 1 个字节的数据到 ch 变量中。-1 参数通常表示读取操作是非阻塞的，即如果设备没有数据可读，函数会立即返回。循环会一直执行，直到读取成功（即 rt_device_read 返回 1）。
2. rt_sem_take(&shell->rx_sem, RT_WAITING_FOREVER)：
如果 rt_device_read 没有读取到数据（即设备没有数据可读），则调用 rt_sem_take 函数等待 shell->rx_sem 信号量。RT_WAITING_FOREVER 表示无限期等待，直到信号量可用。
3. if (shell->device != device)：
等待信号量后，检查 shell 结构体中的 device 成员是否与当前循环中使用的 device 成员不同。这通常用于检测设备是否在等待期间被更换。
4. device = shell->device：
如果设备已经改变，则更新循环中使用的 device 指针，以便后续的读取操作使用新的设备。
5. if (device == RT_NULL)：
检查更新后的 device 是否为 RT_NULL，这通常表示设备不可用或已被注销。
6. return -1;：
如果 device 是 RT_NULL，则返回错误代码 -1。
这段代码通常用于 RT-Thread 的 shell 或命令行界面中，用于从用户输入中读取单个字符。如果读取操作被信号量中断，它会检查设备状态，并在必要时更新设备指针。如果设备不再可用，它会返回错误。这种机制允许动态切换输入设备，例如从串口切换到 USB 设备。

如果想实现 无线传输命令需要改写这一块，或者重新做一个任务，重新做一个任务比较麻烦，直接改写实现一下。
接收处理要保证和串口的不能冲突。
串口有命令行的时候，wifi不能处理 
Wifi 是一次性发送过去的。对于串口影响不大的，但是串口是一个字节一个字节的处理的。

设计的知识点
https://www.rt-thread.org/document/site/#/rt-thread-version/rt-thread-standard/programming-manual/ipc1/ipc1?id=%e4%bf%a1%e5%8f%b7%e9%87%8f

### FinSH 学习总结
基本知识
内核基础
https://www.rt-thread.org/document/site/#/rt-thread-version/rt-thread-standard/programming-manual/finsh/finsh
FinSH 控制台
https://www.rt-thread.org/document/site/#/rt-thread-version/rt-thread-standard/programming-manual/basic/basic?id=rt-thread-%e8%87%aa%e5%8a%a8%e5%88%9d%e5%a7%8b%e5%8c%96%e6%9c%ba%e5%88%b6

要使用RW007模块实现与电脑的WiFi连接并建立TCP通信，可以按照以下步骤进行：
  1. 硬件连接：确保RW007模块正确连接到开发板上，通常需要连接SPI信号线（包括MISO、MOSI、SCK、CS）、中断输入和RESET控制引脚。注意，模块需要3.3V供电。
  2. 开发环境准备：准备好Keil MDK、RT-Thread Studio等开发环境，并安装相应的芯片支持包和驱动。
  3. 软件配置：使用RT-Thread的env工具进行工程配置，包括SPI总线的配置、RW007软件包的配置，以及WiFi框架的启用。
  4. SPI配置：在RT-Thread的env工具中，配置SPI1，并确保选择了正确的SPI模式和速率。速率建议设置在3-6MHz之间，以确保稳定性。
  5. RW007软件包配置：在env工具中，进入RT-Thread online packages -> IoT - internet of things -> Wi-Fi，选择并配置rw007: SPI WIFI rw007 driver软件包。
  6. WiFi框架启用：在env工具中，进入RT-Thread Components -> Device Drivers -> Using WiFi，勾选Using Wi-Fi framework。
  7. 编译下载：配置完成后，编译工程并下载到开发板上。
  8. 命令行控制：使用串口工具（如Xshell）连接开发板，通过命令行控制RW007进行WiFi连接和TCP通信。可以使用wifi scan命令扫描周围的WiFi网络，然后使用wifi join ssid passwd命令连接到指定的WiFi网络。
  9. TCP通信：连接到WiFi网络后，可以使用RT-Thread提供的网络API进行TCP通信，如创建socket、连接服务器等。
  如果在配置过程中遇到问题，可以参考搜索结果中提供的信息，特别是关于SPI配置、RW007软件包配置和WiFi框架启用的详细步骤        。如果RW007初始化失败，可能是因为软件版本与固件不匹配，需要选择与固件匹配的软件版
不想配置可以直接用 官方例程来修改应用即可。05_iot_http_client。我也是在这个工程的基础上进行修改的。
 任务设计介绍：

## 设计任务实现
发送功能最容易实现，稍微复杂一点的是，把客户端发送过来的数据交给FINSH处理，需要分析正常串口的操作如何进行的，然后实现一样的效果。还要保证串口和wifi同时都保留。
最终实现的方案，命令行阶段会存在问题，字母不能实时显示，只有点击enter回车才能显示并处理，

*任务A ： 监控出串口接收 ch = (int)finsh_getchar();自动阻塞，
*任务B ： 监控wifi数据接收， tcp_server
*任务C ：接收任务A、任务B 接收到的数据。把数据传递给Finsh

*任务关系：任务C自身能够根据数据的有无进行阻塞线程，
-          任务AB要保持互斥。 
数据传输
*A->C: tcp_server最好是一次发送完  监控到回车就发送过去。
*B->C:监控到结尾 加一个回车发送过去，
*C 自己进行拆解 一次返回一个，发送完就阻塞 
*线程之间通讯用邮箱吧  AB 通过邮箱去发送命令信息给 C  邮箱信息格式 任务 地址 长度 
*要给  finsh_thread_entry() 的 ch = (int)finsh_getchar(); 替换新的接口。这个接口可以阻塞住

![image (8).png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20240915/03fcbd141674f88e7aa06f6473450d34.png.webp)

## 源码仓库
https://gitee.com/binchenqupengli391binzhouuniversity/rt-thread_wirelessfinsh
飞书记录
https://bcn8it6q0da7.feishu.cn/docx/ESrXdFXHcoVLOYxAKE9cyp1cneh?from=from_copylink
## 介绍视频