第0章 項目方案介紹

0.1 功能介紹

本課程來自一個真實項目：多個氣體傳感器的管理。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驗。真實項目的使用場景如下圖所示：

• 上位機操作界面：可以監測多個傳感器
  
• 中控：圖片暫時無法放出來，它的功能是向下通過 RS485 連接多個傳感器，向上通過USB 口連接 PC。中控平時就要時刻采樣傳感器的數據，當上位機需要數據時通過 USB 口高效率地傳輸數據。
• 傳感器：有多個機位，每個機位都有傳感器

使用場景如下：

• 設置傳感器 ID：拿到一個傳感器后，要通過上位機設置它的 ID，然后把它放在某個機位
• 中控監測傳感器的狀態：在線/離線，上位機周期性地讀取狀態信息
• 中控讀取傳感器數據，上位機周期性地讀取這些數據
• 上位機顯示傳感器狀態、顯示傳感器數據
• 上位機可以讀取中控、各個傳感器的程序版本信息，升級固件

0.2 硬件方案

在工業控制場景中，上位機通過中控，去控制多個設備，硬件框圖如下：

各部件的作用如下：

• 上位機：功能強大，方便操作，比如記錄歷史數據、圖像化顯示數據、升級硬件程序
• 中控：在上位機和傳感器之間轉發數據，當傳感器很多時，不使用中控的話，上位機無法快速獲得各個傳感器的數據
• 傳感器：采樣數據、上報數據

0.3 軟件方案

0.3.1 上位機方案

上位機：

• 界面使用 LVGL 編寫，界面和底層數據通過 JSON 進行隔離，方便更換 GUI
• 數據傳輸基于 libmodbus，可以使用 Modbus RTU 協議，也可以使用 Modbus TCP 協議
• 自定義協議，以實現：設備 ID 寫入、設備狀態檢測、數據讀寫、程序升級等功能

0.3.2 中控方案

中控程序復雜，基于 FreeRTOS 編寫。

中控上的程序分為 2 個：Bootloader（用于升級應用程序）、應用程序。中控的

Flash 如下劃分：

中控上電后，首先運行 Bootloader，它根據配置信息決定是否啟動 APP1 或 APP2，

還是保存運行 Bootloader 本身：

• Bootloader：接收上位機下發的固件，升級 APP
• APP1 或 APP2：平時運行的程序，收集傳感器數據，等待上位機讀取

上位機和中控 Bootloader 的程序框架如下：

上位機和中控 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：Bootloader（用于升級應用程序）、應用程序。傳感器的 Flash 如下劃分：

傳感器上電后，首先運行Bootloader，它根據配置信息決定是否啟動APP1或APP2，還是保存運行Bootloader本身：

• Bootloader：上位機給中控下發傳感器的固件，中控再把它傳給傳感器的Bootloader，Bootloader升級APP
• APP1或APP2：平時運行的程序，讀取傳感器數據，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 技術難點

難點在于如何保證多個傳感器數據上報以及上位機下發不丟包，因為它不僅僅是單塊板了，還可以集聯多個，所以它的拓展性很強。后期還可以非常方便地給傳感器進行批量升級；另外在工廠場景下，會涉及到數據監控，產線情況監控等場景。項目涉及上位機開發、FreeRTOS程序開發、裸機程序開發、單片機的控制。也能掌握傳感器數據通訊、傳感器協議定義、程序升級等知識點。還可以學習良好的程序開發模式：一套代碼如何適應不同的主控芯片、不同的操作系統（FreeRTOS和裸機）。最后，怎么寫出穩定可靠、容

易擴展的程序，這個將會貫穿整個學習過程——這是產品，不是練手Demo。