外卖自提柜设备端主控
简介
外卖自提柜，类似蜂巢之类的快递柜。 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。
简介：外卖自提柜，类似蜂巢之类的快递柜。 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。开源协议
：Public Domain
描述
原文在CSDN
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：
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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：
- 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 - 回复帧001：回复数据正确
Content为空 - 心跳帧002：心跳保持
Content为空 - 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 - 开柜成功帧004：设备开柜成功
Content内容与指令003相同 - 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 - 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
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**
<br />
<br />
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**
<br />
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**
<br />
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**
<br />
**晶振走线尽量短，晶振周围不要走电源线**
<br />
**USB信号线尽量不走过孔，平行走线**
<br />
**天线下方不要铺铜：**
<br />
**如果布局很紧凑，要针对性的多打一些过孔**
<br />
**1.8寸TFT屏、SIM800L、ESP8266:**
<br />
**4x4薄膜矩阵键盘：**
<br />
焊接：
没有风枪...千万别学我
<br />
洗版：
<br />
接完如图：
测试视频链接：
[外卖自提柜测试视频](https://www.bilibili.com/video/BV19z411q76Z/)
BOM
| ID | Name | Designator | Footprint | Quantity |
|---|---|---|---|---|
| 1 | K2-1101UT-B4SW-01_JX | KEY1,KEY5,KEY4 | SW_PUSH_2P_6MM_H5MM_JX | 3 |
| 2 | 32.768KHz | X1 | OSC-TH_BD2.0-P0.70-D0.3 | 1 |
| 3 | AMS1117-3.3 | U6,U3 | SOT-223-4_L6.5-W3.5-P2.30-LS7.0-BR | 2 |
| 4 | HX25003-2A | CN10,CN7,CN15,CN13,CN12,CN11,CN9,CN6,CN8,CN5,CN2,CN4,CN3,CN14 | CONN-TH_2P-P2.50_HX25003-2A | 14 |
| 5 | 10uF | C13,C10,C23,C18 | C0603 | 4 |
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