外卖自提柜设备端主控

原文在CSDN

项目实战-外卖自提柜 1.项目介绍、协议制定

项目实战-外卖自提柜 2. CubeMX + FreeRTOS入门

项目实战-外卖自提柜 3. FreeRTOS主要API的应用

项目实战-外卖自提柜 4. FreeRTOS 堆栈分配、调试技巧

项目实战-外卖自提柜 5. ESP8266 01S配置与掉线处理

项目实战-外卖自提柜 6. 硬件工作（原理图、PCB绘制）

项目介绍

外卖自提柜，类似蜂巢之类的快递柜。
工作流程：

• 外卖员通过手机APP扫描柜体上面的固定二维码，在APP中输入客户的手机号
• 完成后，服务器向对应手机号发送含有取货密码的短信
• 同时自动分配一个空柜子，向设备端发送一个开柜指令，内容包括，柜号、开柜密码等
• 设备端收到开柜指令后开柜
• 客户收到短信后凭密码取外卖，取完后设备端上报服务器取货成功的信息。

基本功能包括与服务器通信，控制开柜，显示信息，声音提示，验证码输入等等。

服务器和APP是别人做的，我做设备端，柜体用下面这种。

方案选型

方案：
MCU + WIFI模块 + GPRS模块 + 显示屏 + 键盘
选型：
stm32f103rbt6 + esp8266 + sim800 + lcd彩屏 + 矩阵键盘

一开始觉得这个项目so easy 烂大街 ，乍一看确实，这选型也太烂大街了（笑），如果说这是一道电赛题，几天也能弄出来，最后花了两个月左右...

工作流程

设备端主要工作流程如下：

1. 硬件开机后与服务器连接，连接成功后，硬件自动向服务器发送注册指令， 包含本机的Id，服务器收到后会将该机器注册进来，进行监管。
2. 当有客户想要存放时，会扫描硬件二维码获取机器Id，然后在App上打开某个格子，服务器会向该机器发送存货指令 ， 包含要打开的机器Id，格子Id，存放模式，取货验证码等等，同时服务器会向取货的客户发送6位验证码短信。
3. 机器接收到存柜存货指令后，尝试打开相应格子，并保存验证码，若打开成功，则发回给服务器开柜成功指令表示成功。否则返回开柜失败指令表示失败。
4. 客户来取物品时，在机器上输入相应的六位密码，响应密码的格子就会自动打开，然后向服务器发送取货指令，报告格子被打开。
5. 持续工作，设备需要每30s发送一次心跳指令。

协议制定

协议部分雏形是做服务器的同学定的，这部分直接导致系统从裸奔变成跑FreeRTOS。

帧头 + Length + CmdId + DevId + Content + FrameId + 校验和

成分	描述
帧头	0x0a 0x0a 0x0a 0x0a
Length	指令字节数总长度，包括其本身和校验和，两个字节的无符号short类型，顺序为 [低字节，高字节]
CmdId	指令的Id , 一个字节的无符号byte类型
DevId	目标设备的Id,两个字节的无符号short类型，顺序为 [低字节，高字节]
Content	该条指令包含的详细信息
FrameId	每一帧的唯一Id，两字节无符号short类型，顺序为[低字节，高字节]
校验和	一字节有符号byte类型

不同指令的Content不同：

1. 注册帧000：设备向服务器发送的认证信息，在服务器上注册该设备
   Content为空
2. 回复帧001：回复数据正确
   Content为空
3. 心跳帧002：心跳保持
   Content为空
4. 存货开柜帧003：服务器向设备发送存货开柜指令
   Content内容包含：
   -CellId:机器格子的编号，要开启的格子。两个字节的无符号short类型，顺序为 [低字节，高字节]
   -Mode:代表存储的模式（常温，保温，制冷），一个字节的无符号byte
   -PassWord:表示存储密码，六个字节的char字符串，顺序即为密码顺序
   -SendAddress：表示存件者的id，11个字节的电话号码，char字符串，顺序即为号码顺序
   -ReceiveAddress:表示取件者的id，含义同上
5. 开柜成功帧004：设备开柜成功
   Content内容与指令003相同
6. 开柜失败帧005：设备开柜失败
   Content包含：
   -SendAddress : 表示存件者的id，11个字节的电话号码，char字符串，顺序即为号码顺序
7. 取货帧006：客户取货成功
   Content包含：
   -CellId:机器格子的编号，要开启的格子。两个字节的无符号short类型，顺序为 [低字节，高字节]

第一个任务

初步入门FreeRTOS以后，着重解决通信部分，重新梳理一下与服务器通信部分的需求：

设备端和服务器通信，发送方每发送一条指令，接收方都要在收到后返回一个应答帧，发送方收到应答帧后，才判断此次通信正常，若规定时间内未收到应答帧，则重新发送。
另外需要注意的是，发送方在等待接收方返回应答帧时，不能阻塞系统运行，也就是说，即便当前有一帧数据在等待应答，也不影响下一帧数据的发送，且理论上应该保证同时在等待应答的帧的数量不受限制。

根据上述需求，显而易见的，应当把每一帧的发送单独作为一个任务，这个任务对这一帧进行监听，并控制重发。只要系统还有足够的剩余栈，就可以不断地创建新的发送任务，这样就可以保证最大限度地使用硬件资源保证每一帧的通信“并行”。
刚好，FreeRTOS创建任务时是可以传入一个参数的，这个参数就可以传入我们要发送的数据。
第一个任务诞生了：
数据发送任务:

/**
  * @brief  数据发送任务
  * @note	需要向服务器发送一条指令时，就创建一个发送任务，特点是等待回复和重发时不会阻塞其他任务进行
  * @param  argument：要发送的数据
  * @retval None
  */
void SendData_Task(void const * argument)
{
	//待添加
	for(;;)
	{
		//待添加
	}
}

下面来构思函数体中要写些什么

首先，肯定是要发送数据了，发送数据之前，有一件事要考虑，由于传入的是argument是指针，这个任务在进行过程中，这个指针指向的内容很可能被其他任务更改，所先需要先申请空间来拷贝要发送的数据
再来回顾一下帧格式：
帧头 + Length + CmdId + DevId + Content + FrameId + 校验和

成分	描述
帧头	0x0a 0x0a 0x0a 0x0a
Length	指令字节数总长度，包括其本身和校验和，两个字节的无符号short类型，顺序为 [低字节，高字节]
CmdId	指令的Id , 一个字节的无符号byte类型
DevId	目标设备的Id,两个字节的无符号short类型，顺序为 [低字节，高字节]
Content	该条指令包含的详细信息
FrameId	每一帧的唯一Id，两字节无符号short类型，顺序为[低字节，高字节]
校验和	一字节有符号byte类型

我们通过上述的Length获取数据长度，然后用FreeRTOS提供的API:
pvPortMalloc 申请内存，这个函数与C语言的malloc的区别是，前者从FreeRTOS的TOTAL_HEAP_SIZE中申请空间，而后者是从系统的堆（heap）中申请空间。
详细的分析看这篇博客：
https://www.cnblogs.com/LinTeX9527/p/8007541.html

数据发送任务的前几行代码有着落了：

void SendData_Task(void const * argument)
{
	uint8_t *Data;				//创建指针
	uint16_t Data_Len = 0;		//数据长度
	Data_Len = ((uint16_t*)argument)[0];//获取数据长度
	Data = pvPortMalloc(Data_Len-1);	//申请内存,去掉校验和1字节
	memcpy(Data,(uint8_t*)argument,sizeof(uint8_t)*(Data_Len-1));	//复制数组,去掉校验和
	for(;;)
	{
		//待添加
	}
}

互斥量的使用

当然，如果这里严谨一点的话，你会发现，即便这里进行了数据拷贝，但拷贝也不是一瞬间完成的，所以拷贝的时候，这段数据仍然不是安全的，仍可能被更改，下面就用到FreeRTOS的另一个功能了： 互斥量

正如其名，一个资源在被一个任务访问时，不能再被另一个任务访问，就叫互斥。
通过下面两个函数实现互斥：

osMutexWait(mutex_CopyData_h, osWaitForever);	//等待互斥量被释放
osMutexRelease(mutex_CopyData_h);	//释放互斥量

这其中mutex_CopyData_h是互斥量的句柄（可以看作是名称），osWaitForever表示一直阻塞等待，直到互斥量被释放。

如何使用呢？
按照上述情形举例，我们要在拷贝数据时用互斥量进行保护，数据发送任务就改进为下面这种形式：

/**
  * @brief  数据发送任务
  * @note	需要向服务器发送一条指令时，就创建一个发送任务，特点是等待回复和重发时不会阻塞其他任务进行
  * @param  argument：要发送的数据
  * @retval None
  */
void SendData_Task(void const * argument)
{
	uint8_t *Data;				//申请内存指针
	uint16_t Data_Len = 0;		//数据长度
	Data_Len = ((uint16_t*)argument)[0];//获取数据长度
	Data = pvPortMalloc(Data_Len-1);	//申请内存,去掉校验和1字节
	osMutexWait(mutex_CopyData_h, osWaitForever);	//等待互斥量被释放
	/*被互斥量保护的区域*/
	memcpy(Data,(uint8_t*)argument,sizeof(uint8_t)*(Data_Len-1));	
	/*被互斥量保护的区域*/
	osMutexRelease(mutex_CopyData_h);	//释放互斥量
	for(;;)
	{
		//待添加发送函数
	}
}

osMutexWait和osMutexRelease之间，就是我们希望保护的位置。
当然这只完成了一半，同样的，我们需要在存在数据覆盖风险的位置设置互斥量的保护区。

例如下面：传入数据发送任务的参数是名为Data_Buf的数组

osThreadDef(DATA_SEND_TASK_H,SendData_Task, osPriorityHigh,0, 128);	//心跳帧重发任务的宏
osThreadCreate(osThread(DATA_SEND_TASK_H),Data_Buf)

那么我需要在修改Data_Buf的位置设置互斥量保护区：

osMutexWait(mutex_CopyData_h, osWaitForever);	//等待互斥量被释放
Data_Buf[0] = 0;
osMutexRelease(mutex_CopyData_h);	//释放互斥量

被互斥量保护的区域，同时只能被一个任务访问，直到这个任务释放互斥量，下一个任务才能访问。
这样，我们就可以保证拷贝数据的时候，数据不会被误修改。

消息队列的使用

我们继续完善数据发送任务，回到需求分析，数据发送任务除了需要完成数据发送，还需要监听是否收到与此帧数据匹配的应答帧。

如果同时有好几个数据发送任务在等待应答帧，这时候收到了一条应答帧，对于某一个数据发送任务来说，如何判断这条应答帧是发给自己的呢？

上翻查阅数据帧格式的表格，可以看到，每一帧数据有唯一的FrameId，回复帧也有FrameId，它的FrameId与它要回复的数据帧的FrameId相同。

对于某一个数据发送任务来说，它只需要与收到的回复帧的FrameId进行匹配，若与自己的Frame相同，则判断这个回复帧是回复给自己的，如果是回复给自己的，这个数据发送任务就完成了自己的使命，可以把自己删除了。

所以当有多帧数据同时等待回复帧时，需要开设一个缓存区，存放收到的回复帧的FrameId，供数据发送任务查询。

这个缓存区，就交给 消息队列来完成

FreeRTOS对消息队列的处理，我用到了下面几个API：

//查询队列中元素的个数
osMessageWaiting(MsgBox_Frame_Id_Handle);
//获取并删除队列中的一个元素
osMessageGet(MsgBox_Frame_Id_Handle,osWaitForever);
//向队列存放一个元素
osMessagePut(MsgBox_Frame_Id_Handle,evt.value.v,osWaitForever);

• MsgBox_Frame_Id_Handle是这个队列的句柄
• osWaitForever表示这个函数执行的超时时间，超过了这个值就会自动退出，这里是永久等待
• evt.value.v是要向队列里存入的元素

如何实现查询队列中是否有与自己匹配的FrameId呢？

我的思路是，先通过osMessageWaiting读出当前队列中元素的数量N
，进入循环，每个循环中，使用osMessageGet取出一个元素，由于队列是先进先出，所以这个元素是从队列头部取出的，判断是否匹配，如果匹配，皆大欢喜，这个数据发送任务就解脱了；如果不匹配，再将这个元素用osMessagePut重新加入到队列尾部，这样循环N次，就相当于把队列查询了一遍。

数据发送任务就基本完成了：

/**
  * @brief  数据发送任务
  * @note	需要向服务器发送一条指令时，就创建一个发送任务，特点是等待回复和重发时不会阻塞其他任务进行
  * @param  argument：要发送的数据
  * @retval None
  */
void SendData_Task(void const * argument)
{
	uint8_t *Data;				//申请内存指针
	uint16_t Data_Len = 0;		//数据长度
	Data_Len = ((uint16_t*)argument)[0];//获取数据长度
	uint16_t FrameId = 0;		//帧Id
	uint32_t MsgBox_Data_Num = 0;//队列中有效数据的数量
	osEvent evt;				//存放osMessageGet的返回值
	Data = pvPortMalloc(Data_Len-1);	//申请内存,去掉校验和1字节
	osMutexWait(mutex_CopyData_h, osWaitForever);	//等待互斥量被释放
	/*被互斥量保护的区域*/
	memcpy(Data,(uint8_t*)argument,sizeof(uint8_t)*(Data_Len-1));	
	/*被互斥量保护的区域*/
	osMutexRelease(mutex_CopyData_h);	//释放互斥量
	FrameId = (uint16_t)Data[Data_Len-2]<<8|(uint16_t)Data[Data_Len-3];	//装载这一帧数据的FrameId
	for(;;)
	{
		osMutexWait(mutex_id_Resend, osWaitForever);//获取互斥量，防止其他的数据发送任务打断
		MsgBox_Data_Num = osMessageWaiting(MsgBox_Frame_Id_Handle);	//获取当前队列数量
		if(MsgBox_Data_Num != 0)		//如果队列非空
		{
			for(i=0;i<MsgBox_Data_Num;i++)
			{
				evt = osMessageGet(MsgBox_Frame_Id_Handle,100);	//从队列中取出一个元素
				if(evt.value.v == FrameId)		//如果FrameId匹配
				{
					/****删除任务****/
					osMutexRelease(mutex_id_Resend);	//释放令牌
					vPortFree(Data);					//释放内存
					osThreadTerminate (NULL);			//删除本任务
				}
				else		//如果不匹配
				{
					osMessagePut(MsgBox_Frame_Id_Handle,evt.value.v,500) //存回队列尾
				}
			}
		}
		User_SendData(Data,Data_Len);	//发送数据
		osMutexRelease(mutex_id_Resend);//释放互斥量
		osDelay(5000);	//每5s检测一次
	}
}

除了上面的思路，我这里还使用了一个互斥量，用以保护整个发送过程，因为当有多个数据发送任务都再执行时，队列的取出和放回动作可能会被打断，出现某种极端情况。
例如任务A刚刚从队列中取出一个元素，发现跟自己的FrameId不匹配，但还没来得及放回去，CPU控制权就被任务B抢去了，任务B查询的时候，就少了这个任务A取走的元素，造成误判。
另外，发送数据是通过串口的，执行时间也比较长，如果发送时被打断，可能造成不可预估的后果，所以使用互斥量进行保护是十分有必要的。

在整个项目中，主要用到的就是上面几个API，数据发送任务，也是仅有的稍显复杂的任务,另外还有一些调试用的API，下一节更新。

任务划分

根据功能划分了下面几个任务

1. 人机交互任务：
   包括按键扫描、LCD显示、蜂鸣器扫描，优先级较低
2. 无线模块管理任务：
   包括检测到服务器离线时，对WIFI模块/GPRS模块进行重新初始化，切换wifi网络或运营商网络模式等，优先级最高
3. TCP透传发送任务
   当要发送一帧数据时，该任务被创建，发送一帧数据，并对这帧数据进行监听，等待接收方回复，若未收到回复，则重新发送，通信完成则删除本任务。优先级较高
4. TCP接收数据解析任务
   由接收中断触发，解析数据，执行相应操作，优先级最高

这里简单列两个
人机交互任务：

/**
  * @brief  人机交互任务
  * @note	包括按键扫描、LCD显示、蜂鸣器鸣叫
  * @param  argument：任务参数（未用到）
  * @retval None
  */
void Interactive_Task(void const * argument)
{
	for(;;)
	{
		/**矩阵键盘扫描**/
		/**键值处理**/
		/**LCD显示**/
		/**蜂鸣器扫描**/
		osDelay(20);
	}
}

无线模块管理任务：

/**
  * @brief  无线模块管理任务
  * @note	检测服务器是否离线，若离线则重新初始化无线模块
  * @param  argument：任务参数（未用到）
  * @retval None
  */
void WirelessCTR_Task(void const * argument)
{
	osDelay(1000);		//等待ESP8266上电
	for(;;)
	{
		if(server_sta == SERVER_OFF_LINE)	//服务器离线
		{
//			osThreadSetPriority(NULL,osPriorityHigh);	//调高优先级，防止打断
			esp8266_init();		//初始化esp8266
//			osThreadSetPriority(NULL,osPriorityNormal);	//调低优先级
		}
		osDelay(20);
	}
}

ESP8266 01S

配置TCP透传，用到的AT指令如下：

AT指令	功能
AT	测试硬件是否正常
ATE0	关闭回显
AT+CWMODE=1	设置为客户端
AT+CIPSTATUS	判断状态：返回2表示已正常连接WIFI；返回3表示已正常连接服务器
AT+CWJAP="MyWIFI","123456"	连接WIFI
AT+CWAUTOCONN=1	设为自动连接WIFI模式
AT+CIPSTART="TCP","192.111.1.1",8888	连接服务器
AT+CIPMODE=1	设为透传模式
AT+CIPSEND	开始透传
+++	关闭透传

初始化流程图：

返回值的处理方法

基本思路是，开辟一个数组，收到的返回值存入数组，发送完指令后，等待一段时间，读取数组，利用**strstr()**这个函数，判断数组中是否有期望的返回值，查找完成后清空数组
以AT指令为例：

usart3_tx_dma_enable((uint8_t*)"AT",2);	//发送AT指令
osDelay(50);	//等待50ms
if(strstr(mes_buf,"OK")!=NULL)	//找到对应字符串
	res = 1;			//返回1,否则返回0
else
	res = 0;
clear_mes_buf();	//清空缓冲
return res;

退出透传出错解决办法

发送“+++”，不加\r\n，
但这会导致这之后的一个AT指令失效，所以，在发送完+++以后，还要再发送一个\r\n，后面的AT指令才能生效。

//关闭透传
void close_tran()
{
	usart3_tx_dma_enable((uint8_t*)"+++",3);	//发送+++
	osDelay(500);	//延时500ms
	usart3_tx_dma_enable((uint8_t*)"\r\n",2);	//实际测试时，发完+++以后，还需要一个指令（带\r\n）激活模块
	osDelay(100);	//延时100ms
}

如何判断服务器是否离线

一般情况下，在透传过程中服务器突然离线，会返回一个closed，但由于此前一直处于透传模式，单片机想要捕捉这个closed比较困难，所以需要用别的手段判断服务器是否异常离线。

这个项目的协议中，有心跳和回复帧的机制，可以根据发出的心跳是否得到回复来判断服务器是否在线。
如果检测到异常离线，再去重新初始化ESP8266，再进一步判断WIFI是否异常、服务器是否异常，定位问题。

原理图绘制

ESP8266和SIM800供电选择电路：

这里使用一个NMOS和一个PMOS实现模块切换，测试效果正常。

电磁锁驱动电路

我用的是NMOS，栅极电阻可以小一点，我实际用的是470R，这里甚至可以把栅极电阻短接。 R39是为了栅极下拉，防止IO口浮空时导致输出不稳定 D13是续流二极管，电磁锁是感性元件，防止关断瞬间击穿MOS

单片机最小系统部分

这里有一个防反接电路，主要是考虑到SWD接口容易插反，烧掉单片机，Q16是一个NMOS，用来防反接，插反以后MOS自动关断，R12是一个0欧电阻，不想用防反接功能，可以焊接R12进行短接。

USB转TTL部分

这个保险丝救了我好几次，一定不要省！！！用的是6V 700mA的自恢复保险丝。

PCB绘制

PCB的一点点经验，大佬勿喷，

实话说，这种板子，随便画也能用...

芯片的电源引脚做好退耦，退耦电容要靠近引脚

**晶振走线尽量短，晶振周围不要走电源线** 
**USB信号线尽量不走过孔，平行走线** 
**天线下方不要铺铜：** 
**如果布局很紧凑，要针对性的多打一些过孔** 
**1.8寸TFT屏、SIM800L、ESP8266:** 
**4x4薄膜矩阵键盘：**

焊接：

没有风枪...千万别学我

洗版： 
接完如图： 

测试视频链接：
外卖自提柜测试视频