第0章 項(xiàng)目方案介紹

0.1 功能介紹

本課程來自一個(gè)真實(shí)項(xiàng)目：多個(gè)氣體傳感器的管理。由于氣體傳感器比較昂貴，本課程里使用普通傳感器來做實(shí)驗(yàn)。真實(shí)項(xiàng)目的使用場景如下圖所示：

• 上位機(jī)操作界面：可以監(jiān)測多個(gè)傳感器
  
• 中控：圖片暫時(shí)無法放出來，它的功能是向下通過 RS485 連接多個(gè)傳感器，向上通過USB 口連接 PC。中控平時(shí)就要時(shí)刻采樣傳感器的數(shù)據(jù)，當(dāng)上位機(jī)需要數(shù)據(jù)時(shí)通過 USB 口高效率地傳輸數(shù)據(jù)。
• 傳感器：有多個(gè)機(jī)位，每個(gè)機(jī)位都有傳感器

使用場景如下：

• 設(shè)置傳感器 ID：拿到一個(gè)傳感器后，要通過上位機(jī)設(shè)置它的 ID，然后把它放在某個(gè)機(jī)位
• 中控監(jiān)測傳感器的狀態(tài)：在線/離線，上位機(jī)周期性地讀取狀態(tài)信息
• 中控讀取傳感器數(shù)據(jù)，上位機(jī)周期性地讀取這些數(shù)據(jù)
• 上位機(jī)顯示傳感器狀態(tài)、顯示傳感器數(shù)據(jù)
• 上位機(jī)可以讀取中控、各個(gè)傳感器的程序版本信息，升級(jí)固件

0.2 硬件方案

在工業(yè)控制場景中，上位機(jī)通過中控，去控制多個(gè)設(shè)備，硬件框圖如下：

各部件的作用如下：

• 上位機(jī)：功能強(qiáng)大，方便操作，比如記錄歷史數(shù)據(jù)、圖像化顯示數(shù)據(jù)、升級(jí)硬件程序
• 中控：在上位機(jī)和傳感器之間轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，當(dāng)傳感器很多時(shí)，不使用中控的話，上位機(jī)無法快速獲得各個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)
• 傳感器：采樣數(shù)據(jù)、上報(bào)數(shù)據(jù)

0.3 軟件方案

0.3.1 上位機(jī)方案

上位機(jī)：

• 界面使用 LVGL 編寫，界面和底層數(shù)據(jù)通過 JSON 進(jìn)行隔離，方便更換 GUI
• 數(shù)據(jù)傳輸基于 libmodbus，可以使用 Modbus RTU 協(xié)議，也可以使用 Modbus TCP 協(xié)議
• 自定義協(xié)議，以實(shí)現(xiàn)：設(shè)備 ID 寫入、設(shè)備狀態(tài)檢測、數(shù)據(jù)讀寫、程序升級(jí)等功能

0.3.2 中控方案

中控程序復(fù)雜，基于 FreeRTOS 編寫。

中控上的程序分為 2 個(gè)：Bootloader（用于升級(jí)應(yīng)用程序）、應(yīng)用程序。中控的

Flash 如下劃分：

中控上電后，首先運(yùn)行 Bootloader，它根據(jù)配置信息決定是否啟動(dòng) APP1 或 APP2，

還是保存運(yùn)行 Bootloader 本身：

• Bootloader：接收上位機(jī)下發(fā)的固件，升級(jí) APP
• APP1 或 APP2：平時(shí)運(yùn)行的程序，收集傳感器數(shù)據(jù)，等待上位機(jī)讀取

上位機(jī)和中控 Bootloader 的程序框架如下：

上位機(jī)和中控 APP 的程序框架如下：

0.3.3 傳感器方案

傳感器上的程序也分為 2 個(gè)：Bootloader（用于升級(jí)應(yīng)用程序）、應(yīng)用程序。傳感器的 Flash 如下劃分：

傳感器上電后，首先運(yùn)行Bootloader，它根據(jù)配置信息決定是否啟動(dòng)APP1或APP2，還是保存運(yùn)行Bootloader本身：

• Bootloader：上位機(jī)給中控下發(fā)傳感器的固件，中控再把它傳給傳感器的Bootloader，Bootloader升級(jí)APP
• APP1或APP2：平時(shí)運(yùn)行的程序，讀取傳感器數(shù)據(jù)，返回給中控

中控APP和傳感器Bootloader的程序框架如下：

中控APP和傳感器APP的程序框架如下：

0.3.4 技術(shù)難點(diǎn)

難點(diǎn)在于如何保證多個(gè)傳感器數(shù)據(jù)上報(bào)以及上位機(jī)下發(fā)不丟包，因?yàn)樗粌H僅是單塊板了，還可以集聯(lián)多個(gè)，所以它的拓展性很強(qiáng)。后期還可以非常方便地給傳感器進(jìn)行批量升級(jí)；另外在工廠場景下，會(huì)涉及到數(shù)據(jù)監(jiān)控，產(chǎn)線情況監(jiān)控等場景。項(xiàng)目涉及上位機(jī)開發(fā)、FreeRTOS程序開發(fā)、裸機(jī)程序開發(fā)、單片機(jī)的控制。也能掌握傳感器數(shù)據(jù)通訊、傳感器協(xié)議定義、程序升級(jí)等知識(shí)點(diǎn)。還可以學(xué)習(xí)良好的程序開發(fā)模式：一套代碼如何適應(yīng)不同的主控芯片、不同的操作系統(tǒng)（FreeRTOS和裸機(jī)）。最后，怎么寫出穩(wěn)定可靠、容

易擴(kuò)展的程序，這個(gè)將會(huì)貫穿整個(gè)學(xué)習(xí)過程——這是產(chǎn)品，不是練手Demo。