实时操作系统应用技术 课件 RTOS-第08章-基于WiFi通信的物联网应用开发

RTOS本章导引：本章从技术科学角度，把WiFi应用知识体系归纳为终端UE、信息邮局MPO、人机交互系统HCI三部分。针对终端UE，以通用嵌入式计算机GEC概念为基础，基于给出应用程序模板。针对信息邮局MPO，将其抽象为固定IP地址与端口，给出云侦听程序模板；针对人机交互系统，给出Web网页及微信小程序模板。这些工作为“照葫芦画瓢”地进行具体应用提供共性技术，形成了以GEC为核心，以构件为支撑，以工程模板为基础的物联网应用开发生态系统，可有效地降低物联网应用开发的技术门槛。第8章基于WiFi通信的物联网应用开发8.1WiFi应用开发概述RTOS8.2WiFi应用架构及通信基本过程8.3在局域网下验证WiFi通信过程8.4在公网下验证WiFi通信过程8.5程序模板简明解析8.6远程更新终端UE程序8.7本章小结第1页共53页第8章基于WiFi通信的物联网应用开发RTOSWiFi的更正式写法为Wi-Fi，发音[ˈwaɪfaɪ]，为编程方便，本书采用多数通俗写法WiFi，在中文里常被叫做“移动热点”。WiFi的起始时间点是1997年，是一种基于IEEE802.11标准的无线局域网技术。从技术指标来看，WiFi通信距离为100m左右，1997年发布的WiFi0版本，工作频段为2.4GHz，最高速率2Mbps；2022年发布WiFi7版本，工作频段为2.4GHz、5GHz、6GHz，最高速率30Mbps；WiFi模块发射功率一般在18dbm左右。8.1WiFi应用开发概述第2页共53页8.1.1WiFi概述RTOS8.1.2WiFi通信过程与应用开发相关的基本概念进行基于WiFi通信的物联网应用开发，需要了解几个与终端UE、信息邮局MPO、人机交互系统HCI直接相关的基本概念。1．与终端UE相关的基本概念1）使用媒体访问控制地址MAC作为终端UE的唯一标识。终端UE需要一个唯一的标识，以便区别不同的终端UE，可使用媒体访问控制地址（MediaAccessControladdress，MAC）来作为终端UE的唯一标识。每个WiFi模块都有这样一个唯一的标识，就像手机中的SIM卡号一样。2）WiFi热点WiFi热点，即无线接入点（AccessPoint，AP），是一种可以把互联网转换为WiFi无线信号的设备，使附近WiFi用户能够通过该热点接入互联网。第3页共53页RTOS1．与终端UE相关的基本概念3）服务集标识当WiFi终端UE的无线信号打开时，终端UE会与附近的热点连接。终端UE可以通过AT指令获取接入点的服务集标识（ServiceSetIdentifier，SSID），根据服务集标识，UE可以知道自己接入了哪个热点。4）WiFi热点给终端分配的IP地址当WiFi终端UE成功连接到一个热点时（即附着到核心网时），该热点通过动态主机配置协议DHCP（DynamicHostConfigurationProtocol）向终端分配一个IP地址，使其能够在核心网上进行通信。第4页共53页RTOS2．与信息邮局MPO相关的基本概念1）IP地址Internet上的每台主机都有一个唯一的IP地址。IP地址由网络号（Network

ID）和主机号（HostID）两部分组成。2）端口号一台拥有IP地址的主机可以提供许多服务，比如Web服务、FTP服务、SMTP服务等，这些服务可以通过1个IP地址实现。好比一座大楼里有许多不同房间，每个房间的功能不同，大楼名字相对于IP地址，房间号相当于端口号。3）互联网互联网是一个全球性的计算机网络系统，由多个物理网络、路由器、服务器和终端设备组成，它们之间通过标准的互联网协议TCP/IP（TransmissionControlProtocol/InternetProtocol）实现数据的传输和交换。第5页共53页RTOS3．与人机交互系统HCI相关的基本概念1）侦听程序与云服务器终端UE主动向（固定IP地址：端口）发送数据，可以把具有固定IP地址且负责接收数据的计算机器称为云服务器或云平台。2）数据库数据库是驻留在云服务器上的存储数据的地方。数据库由若干张表组成，每张表又由若干个字段组成，对数据库的操作大多是对表的操作，而对于表的基本操作有：增、删、改、查。3）客户端客户端或称用户端，指与服务器相对应，为客户提供本地服务的程序。一般安装在普通的用户计算机（或称客户机）上，需要与服务端互相配合运行。第6页共53页RTOS1．物联网应用开发所面临的问题在相当长的一段时间内，物联网智能制造系统已经受到许多实体行业的广泛重视。进行物联网智能系统的软硬件设计往往具有较高的技术门槛，主要表现在：需要软硬件协同设计，涉及软件、硬件及行业领域知识；一些系统具有较高的实时性要求；物联网智能产品必须具有较强的抗干扰性与稳定性；开发过程中需要不断的软硬联合测试。因此开发物联网智能产品会出现成本高、周期长、稳定性难以保证等困扰，对技术人员的综合开发能力提出了更高的要求，这些问题是许多中小型终端产品企业技术转型的重要瓶颈之一。第7页共53页8.1.3物联网应用开发所面临的问题及解决思路RTOS2．解决物联网应用开发所面临难题的基本思路从技术科学层面，研究抽象物联网应用系统的技术共性，加以凝练分析，形成可复用、可移植的构件、类、框架，实现整体建模，合理分层，达到软硬可复用与可移植的目的。本章给出物联网智能系统的应用架构及应用方法，依照软硬件模板（“葫芦”），使技术人员可以在此模板基础上，进行特定应用的开发（“照葫芦画瓢”）。架构抽象物联网智能系统的共性技术、理清共性与个性的衔接关系、封装软硬件构件、实现软件分层与复用。以此来有效降低技术门槛、缩短开发周期、降低开发成本、明确人员职责定位、减少重复劳动、提高开发效率。从形式上说，可以把这些内容称为“中间件”，它不是终端产品，但为终端产品服务，有了它，可以较大地降低技术门槛。第8页共53页RTOS1．金葫芦WiFi开发套件的设计思想金葫芦WiFi开发套件关键特点在于完全从实际产品可用角度设计终端UE板，一般“评估板”与“学习板”，仅为学习而用，并不能应用于实际产品。该套件的软件部分给出了各组成要素的较为规范的模板，且注重文档撰写。设计思想及基本特点：立即检验WiFi通信状况、透明理解WiFi通信流程、实现复杂问题简单化、兼顾物联网应用系统的完整性、考虑组件的可增加性及环境多样性、考虑“照葫芦画瓢”的可操作性。第9页共53页8.1.4金葫芦WiFi开发套件简介RTOS2．金葫芦WiFi开发套件的硬件资源金葫芦WiFi开发套件的硬件部分由ST的STM32L431RCT6微控制器与上海庆科的EMW3072的WiFi模块组成，AHL-STM32L431正面集成了最小系统，反面添加了WiFi外设模块，构成了AHL-STM32L431-WiFi硬件型号，见下图。再有一根标准的Type-C线即可进行基于WiFi通信的物联网实践。第10页共53页RTOS3．金葫芦WiFi开发套件的软件资源第11页共53页RTOS8.2WiFi应用架构及通信基本过程（重点，难点）8.2.1建立WiFi应用架构的基本原则本节将遵循人的认识过程由个别到一般，再由一般到个别的哲学原理，从技术科学范畴，以面向应用的视角，抽取WiFi应用开发的技术共性，建立起能涵盖WiFi应用开发知识要素的应用架构，为实现快速规范的应用开发提供理论基础。从个别到一般，就是要把WiFi应用开发所涉及的软件硬件体系的共性抽象出来，概括好、梳理好，建立与其知识要素相适应的抽象模型，为具体的WiFi应用开发提供模板（“葫芦”），为“照葫芦画瓢”提供技术基础。从一般到个别，就是要理清共性与个性的关系，充分利用模板（“葫芦”），依据“照葫芦画瓢”方法，快速实现具体应用的开发。第12页共53页RTOS8.2.2终端UE、信息邮局MPO与人机交互系统HCI的基本定义WiFi应用架构可以抽象为WiFi终端UE、WiFi信息邮局MPO、WiFi人机交互系统HCI三个组成部分，如右图所示，这种抽象为深入理解WiFi的应用层面开发共性提供理论基础。第13页共53页RTOS1．WiFi终端UE终端UE是一种以微控制器MCU为核心，具有数据采集、控制、运算等功能，带有WiFi通信功能，甚至包含机械结构，用于实现特定功能的软硬件实体。2．WiFi信息邮局MPOWiFi信息邮局（MssagePostOffice，MPO）是一种基于WiFi协议的信息传送系统，运行云侦听程序。在WiFi终端UE与WiFi人机交互系统HCI之间起信息传送的桥梁作用，由信息运行商负责建立与维护。3．WiFi人机交互系统HCI人机交互系统HCI是实现人与WiFi信息邮局之间信息交互、信息处理与信息服务的软硬件系统。从应用开发角度来看，人机交互系统HCI就是与信息邮局MPO的固定IP地址与端口打交道，通过这个固定IP地址与端口，实现与终端UE的信息传输。第14页共53页RTOS8.2.3基于信息邮局初略了解基本通信过程在有了WiFi应用架构之后，类比通过邮局寄信的过程，来理解WiFi的通信过程。虽然流程不完全一样，但仍然可以做一定的对比理解。下图给出了基于信息邮局MPO的WiFi通信流程，分为上行过程与下行过程。第15页共53页RTOS1．数据上行过程UE有个唯一标识——NIC卡号，即MAC地址（自身地址，即寄件人地址）；对方地址是个中转站（这就是收件人地址了），即固定IP地址与端口；信息邮局MPO把通过接入点AP传来的“信件”送到固定IP地址与端口这个中转站；人机交互系统HCI“侦听”着这个固定IP地址与端口，一旦来“信”，则把“信件”取走。2．数据下行过程把标有收件人地址（UE的NIC卡号）“信件”送到固定IP地址与端口，信息邮局MPO会根据收件人地址送到相应的终端。当然这个过程的实际工作要复杂得多，但从应用开发角度这样理解就可以了，信息传送过程由信息邮局MPO负责，WiFi应用产品开发人员只需专注于终端UE的软硬件设计，以及人机交互系统HCI的软件开发。第16页共53页RTOS8.3在局域网下验证WiFi通信过程8.3.1笔记本电脑方的设置1．打开移动热点在屏幕左下方的搜索栏目中，输入“移动热点设置”后，然后按回车键，进行移动热点设置。2．编辑移动热点信息在该界面下，编辑“网络名称、网络密码、网络频带，网络频带设为2.4GHz，如右图所示；这是由AHL-STM32L431-WiFi开发套件使用的WiFi模块EMW3072决定的。第17页共53页RTOS3．获取本机IP地址在屏幕左下方的搜索栏目中，键入DOS三个字母，然后按回车键，进入DOS命令界面。在DOS命令行下输入命令“ipconfig”获取本机IP地址，如下图所示。本实验使用Ipv4地址，请记下这个地址，以便在终端程序中设置这个地址，方可进行通信。第18页共53页RTOS8.3.2修改终端程序并下载运行第19页共53页1．修改终端程序的服务器及WiFi配置复制电子资源下“..\03-Software\CH08-WiFi-IoT”文件夹中的User-WiFi程序（注意文件名中有芯片型号）复制为User-WiFi-Test1，修改这个程序进行测试使用。利用AHL-GEC-IDE打开这个工程，修改“\07_AppPrg\includes.h”中的flashInit数组，如图所示，IP地址改为：6，端口号可设为32225，同时将WiFi名称、WiFi密码分别修改WiFiTest、12345678。RTOS2．编译下载运行修改后的终端程序删除工程中原Debug文件夹，重新编译工程，下载到GEC中，正常情况如图所示。此时，在屏幕左下方的搜索栏目中，输入“移动热点设置”后，按回车键，进入移动热点界面，可以看到已连接的设备1台，这说明我们的WiFi终端已经通过WiFi通信的方式连接的笔记本电脑的移动热点了。第20页共53页RTOS8.3.3修改并运行CS-Monitor程序1．修改CS-Monitor程序中的端口号复制电子资源下“..\03-Software\CH08-WiFi-IoT”文件夹中的CS-Monitor程序复制为CS-Monitor-Test1，修改这个程序进行测试使用。双击该文件夹下解决方案文件AHL-IoT.sln，打开工程，修改04_Resource\AHL.xml中的本地端口号与终端设置的一致即可，例如本例面向终端的端口号为32225，面向人机交互系统HCI（网页、手机APP、微信小程序）的端口号为32226。面向终端的IP地址使用local，面向HCI的IP地址使用ws://，如下图所示。第21页共53页RTOS2．修改CS-Monitor程序中的端口号每隔30秒CS-Monitor将会收到来自WiFi终端的数据，正常显示如下图所示。在收到数据后的短时间内可以更改上传间隔，例如改为10秒，单击【回发】按钮，再单击【清空】按钮，下次上来的数据时间间隔已经改变。第22页共53页RTOS3．查看数据库与表的简单方法数据存放在数据库文件AHL-IoT.mdf中，该文件处于工程文件夹的“..\04_Resource\DataBase”文件夹内，该文件夹内还有另一文件AHL-IoT_log.ldf，它是自动生成的日志文件。AHL-IoT.mdf内含几张数据表，每张数据表都由行和列组成，每一列称为一个字段，每一行称为一个记录，在C#开发环境中简单地查看数据库与表的内容的步骤如下：1）打开CS-Monitor工程，利用“解决方案资源管理器”查看程序。2）查看数据库。3）查看数据内的表。第23页共53页RTOS8.3.4

修改并运行Web程序1．修改Web程序中的IP地址及端口号复制电子资源下“..\03-Software\CH08-WiFi-IoT”文件夹中的Web程序为Web-Test1，修改这个程序进行测试使用。双击该文件夹下解决方案文件US-Web.sln，打开工程，修改Web.config中的IP地址及端口号，与CS-Monitor设置的一致即可，例如本例面向人机交互系统HCI（如网页）的端口号为32226，IP地址使用ws://6，如下图所示。第24页共53页RTOS2．运行Web程序在CS-Monitor正确运行及Web.config中的IP地址及端口号正确设置的前提下，双击“IISExpress（浏览器）”进入金葫芦WiFi网页，点击实时数据，每隔30秒Web将会收到来自CS-Monitor的数据，正常显示如下图所示。第25页共53页RTOS8.3.3

如何新增一个物理量首先将电子资源下“..\03-Software\CH08-WiFi-IoT”文件夹中的User-WiFi-Test1程序（注意芯片型号）复制为User-WiFi-Test2，修改这个程序进行测试使用，然后按照下面的步骤完成User-WiFi-Test2的“照葫芦画瓢”，以实现对蓝灯状态的控制。1．修改终端程序1）添加变量。打开User-WiFi-Test2样例工程，找到07_AppPrg文件夹下的includes.h头文件，在UserData结构体的注释“【画瓢处】-用户自定义添加数据”下添加变量。2）初始化蓝灯。在thread_init.c的初始化处，初始化蓝灯。第26页共53页RTOS1．修改终端程序3）控制红灯闪烁。在thread_send.c文件中的注释“【画瓢处】-控制蓝灯”处，添加根据接收到的状态变量控制蓝灯语句。4）编译并下载修改后的终端程序。删除工程中的原Debug文件夹，重新编译修改后的终端程序，下载到GEC中运行即可。第27页共53页RTOS2．修改CS-Monitor将“..\03-Software\CH08-WiFi-IoT”文件夹中的CS-Monitor-Test1程序复制为CS-Monitor-Test2，修改这个程序进行测试，通过在CS-Monitor的AHL.xml文件中增加一个可写类型的小灯控制字段，达到控制小灯状态的目的。利用VisualStudio2022打开CS-Monitor-Test2的模板程序，按照以下步骤进行修改。1）添加变量名和显示名。为了更具有直观性，在CS-Monitor中新增一栏，用于存储小灯信息的变量及显示名，可以在AHL.xml文件中搜索“画瓢处”，确认“画瓢处”的位置。2）添加该变量至命令“U0”中。在“AHL.xml”文件中，将新增变量light_state添加至命令“U0”中。可以在AHL.xml文件中搜索“【画瓢处】-【新增小灯】添加变量至命令“U0””进行画瓢处的确认。第28页共53页RTOS3．运行CS-Monitor测试控制蓝灯添加完成后运行CS-Monitor，出现下图所示的结果，界面中自动增加了一个蓝灯状态栏目。在蓝灯状态输入框中输入0，单击回发按钮，发开发板上的蓝灯会亮起；等下轮数据上来后，若输入1再回发，则可关闭蓝灯。由此体会到如何增加一个物理量，以及数据的双向通信。第29页共53页RTOS8.4在公网下验证WiFi通信过程8.4.1内网穿透1．FRP内网穿透基本原理FRP服务端软件将内网的CS-Monitor服务器映射到云服务器的公网IP上，接入外网的读者计算机和云服务器一起组成了新的“信息邮局MPO”，为终端UE与人机交互系统HCI提供服务。此时，客户端程序CS-Client、Web网页程序、微信小程序、终端UE都可以像访问公网IP那样，访问读者计算机上运行的CS-Monitor服务器了。第30页共53页RTOS2．利用苏大云服务器搭建读者的临时服务器CS-Monitor的运行需要两个端口，一个服务于UE，另一个服务于HCI。设面向终端UE的映射名称为“UE_map”，端口为32225，则映射到公网的UE端口为32225，这两个端口号（32225）必须相同；面向人机交互系统HCI各客户端的映射名称为“HCI_map”，本机服务侦听的HCI端口为32226，映射到公网的HCI端口为32226，这两个端口号（32226）必须相同。1）复制FRP文件夹。2）修改客户端配置文件frpc.ini。3）启动FRP客户端。第31页共53页RTOS8.4.2修改终端程序并下载运行复制电子资源下“..\03-Software\CH08-WiFi-IoT”文件夹中的User-WiFi-Test1程序（注意芯片型号）拷贝为User-WiFi-Test3，设固定IP地址为64，按照8.3.2中的方法修改服务器地址为“64”，删除工程中的原Debug文件夹，重新编译工程，下载到GEC中运行即可。在完成上节工作并启动了FRP客户端后，此时，读者已经拥有了自己的临时云服务器，形象地说，拥有了“一朵临时云”，它是运行CS-Monitor程序的基础。在本机运行CS-Monitor，就如在云服务器上运行CS-Monitor。特别提示：此时运行CS-Monitor若没有数据，检测一下FRP的端口设置是否与云侦听的一致。第32页共53页RTOS8.4.3修改并运行Web程序复制电子资源下“..\03-Software\CH08-WiFi-IoT”文件夹中的Web程序为Web-Test2，修改这个程序进行测试使用。参照8.3.4小节，修改Web.config文件IP地址为：64端口号为：32226即可。第33页共53页RTOS8.4.4修改并运行微信小程序微信小程序的开发环境可从网上下载，方法如下：打开浏览器搜索“微信官方文档”，点击“小程序→工具→下载→稳定版StableBuild”，选择对应的计算机系统版本进行下载安装即可。1．修改微信小程序中的端口号。2．运行微信小程序。3．数据回发。第34页共53页RTOS8.4.5直接在云服务器上运行CS-Monitor若有自己的服务器，在运行8.4.2的终端程序情况下，不需要内网穿透，可直接在服务器上运行CS-Monitor，则终端数据通过WiFi通信进入公网，送向云侦听程序，如下图所示。第35页共53页RTOS8.5程序模板简明解析（重点）8.5.1终端UE模板终端UE模板工程在“User_WiFi”文件夹。终端UE的运行过程，包括主线程启动和分线程运行。1．UE硬件接口描述：第36页共53页RTOS2．UE程序功能1）初始化部分。上电启动后初始化工作主要包括：①

给通信模组供电；②初始化红色运行指示灯、Flash模块，初始化TIMERC定时器为20毫秒中断；③设置系统时间初值：“年-月-日时:分:秒”；④使能TIMERC中断。2）周期性循环功能主要包括：①控制运行指示灯每秒闪烁一次；②根据发送频率，定时向CS-Monitor发送数据。3）中断服务例程功能：①在TIMERC中断服务例程中进行计时；②MCU与通信模组的串口中断，UE与CS-Monitor通信使用该中断。第37页共53页RTOS3．线程划分1）初始化线程thread_init，负责完成上电启动后初始化工作。2）发送数据线程thread_send，负责的功能包括：①控制运行指示灯每秒闪烁一次；②每到发送频率30秒时，将待发送数据组帧发送给CS-Monitor。第38页共53页4．线程和中断处理程序执行流程RTOS各线程执行流程中断处理程序执行流程第39页共53页RTOS8.5.2云侦听模板1．界面加载处理程序界面加载过程主要包括：①从Program.cs文件的应用程序主入口点main函数开始执行，创建并启动主窗体FrmMain；②在主窗体加载事件处理程序FrmMain_Load中初始化数据库表结构，然后跳转至实时数据界面frmRealtimeData窗体运行；③在frmRealtimeData窗体中，动态加载界面待显示数据的标签和文本框、侦听面向终端数据的端口、将IoT_rec函数注册为接收终端UE上行数据的事件处理程序，最后开启websocket，服务于UE回发数据，以及CS-Monitor与HCI的数据交互。第40页共53页RTOS2．云侦听事件处理程序云侦听事件包括接收终端UE数据的DataReceivedEvent事件和接收人机交互系统HCI数据的OnMessage事件。DataReceivedEvent事件绑定的处理函数是IoT_recv，其主要功能包括：①解析并显示UE的数据；②将数据存入数据库的上行表中；③向HCI广播数据到达信息。OnMessage事件主要功能包括：①接收HCI发来的数据；②将数据回发给UE。3．控件单击事件控件单击事件包括“清空”和“回发”按钮事件，以及实时曲线、历史数据、历史曲线、基本参数、帮助和退出等菜单栏单击事件。“清空”按钮事件主要功能是清除实时数据界面的文本框内容，“回发”按钮事件主要功能是在指定的回发时间内将更新后的数据发送给UE。第41页共53页RTOS8.5.3

Web网页模板下图给出了Web网页模板的树形工程结构，其物理组织与逻辑组织一致。该模板是在VisualStudio2022（简称VS2022）开发环境下，基于ASP.NET的Web网页而制作的。第42页共53页RTOS8.5.3微信小程序模板1．工程结构工程结构共有5个文件夹和4个文件，它们的功能如下表所示。第43页共53页RTOS2．页面文件夹pages文件夹下包含多个文件夹，每个文件夹对应一个页面，每个页面包含四个文件，其中.wxml文件是页面文件;.js是事件交互文件，用于实现小程序逻辑交互等功能;.wxss为页面美化文件，让页面显示的更加美观;.json为配置文件，用于修改导航栏显示样式等。pages文件夹下的实时数据页面（data）包含的目录内容如下表所示。第44页共53页RTOS8.6远程更新终端UE程序（重点、难点）8.6.1远程更新概述远程更新是通过网络连接，将软件代码从服务器传输到客户端设备中。主要涉及以下几个方面的内容：1）客户端和服务器通信,远程更新的第一步是建立客户端和服务器之间的通信。客户端通过网络连接服务器，发送更新请求并接收服务器的响应。2）验证完整性,在进行远程更新时，验证数据的完整性是非常重要的。客户端会验证从服务器上接收到的更新文件完整性。3）更新应用和重启,一旦客户端完成更新文件的接收和验证，它会将更新应用到软件或系统中。根据不同的更新类型，更新可能需要重启设备或重新启动相应的应用程序，以使更新生效。第45页共53页RTOS8.6.2远程更新实现过程远程更新程序软件为“..\03-Software\CH08-WiFi-IoT\update-pc\updatePC.exe”，可以在服务器上运行，也可以通过内网穿透后在本地计算机上运行，步骤如下。1）若使用内网穿透，需要启动两个FRP客户端，同时开启“32225”与“23335”两个端口，其中“23335”为远程更新固定端口号；2）需要更新程序的一方，上电启动终端UE模板程序（即“..\03-Software\CH08-WiFi-IoT\User-WiFi”）；第46页共53页RTOS8.6.