國產ARM/RISCV與OpenHarmony物聯網項目(六)SF1節點開發

一、終端節點功能設計

1. 功能說明

終端節點設計的是基于鴻蒙操作系統的 TCP 服務器程序，用于監測空氣質量并提供遠程控制功能。與之前的光照監測程序相比，這個程序使用 E53_SF1 模塊（煙霧 / 氣體傳感器），主要功能包括：

空氣質量監測：通過 MQ2 傳感器檢測有害氣體濃度

自動報警：當氣體濃度超過閾值時觸發蜂鳴器報警

網絡通信：

  • 連接 WiFi 網絡

  • 建立 TCP 服務器監聽客戶端連接

  • 實現自定義消息協議進行數據交換

遠程控制：支持三種命令類型：

  • 上傳數據：返回氣體濃度數據

  • 控制命令：手動控制蜂鳴器

  • 設置命令：調整氣體濃度閾值和控制模式

2. 軟硬件環境

板卡詳細開發說明：OpenHarmony輕量系統--BearPi-Nano開發板網絡程序測試

終端節點采用BearPi-HM_Nano開發板

BearPi-HM_Nano開發板是一塊專門為HarmonyOS設計的HarmonyOS開發板，板載高度集成的2.4GHz WLAN SoC芯片Hi3861，并板載NFC電路及標準的E53接口，標準的E53接口可擴展智能加濕器、智能臺燈、智能安防、智能煙感等案例。

節點項目代碼在鴻蒙的lite-os系統源碼的sample目錄下，完整路徑如下：

~/lite-os-dev/bearpi-hm_nano/applications/BearPi/BearPi-HM_Nano/sample/D4_iot_tcp_server_sf1

代碼工程目錄如下，build.gn是編譯配置文件，tcp_server_demo.c是主功能程序，E53_SF1.c程序實現節點數據采集功能，wifi_connect.c程序實現wifi網絡通信基礎功能。

3. 程序運行

程序下載到節點板卡后，通過type-c數據線接電腦，電腦接到板卡對應的串口終端，可看到調試運行信息。

節點串口顯示節點分配到的IP地址：

飛騰派網絡通信程序通過上述IP地址連接到終端節點：

節點串口顯示接收到飛騰派的通信協議數據：

二、程序流程分析與設計

終端節點通過 "傳感器數據采集→網絡協議交互→自動 / 手動控制" 的閉環邏輯，實現了基于 TCP 協議的遠程氣體監測與報警系統。傳感器數據通過自定義消息協議傳輸，支持遠程設置報警閾值和手動控制報警裝置，適用于智能家居或工業環境監測場景。

1. 系統初始化階段

  • 程序啟動

系統通過APP_FEATURE_INIT宏自動調用TCPServerDemo函數

TCPServerDemo創建并啟動TCPServerTask線程

  • 傳感器初始化

調用Init_E53_SF1()初始化 E53_SF1 傳感器模塊

等待 1 秒（usleep(1000000)）后進行傳感器校準（MQ2_PPM_Calibration()）

初始化全局變量：gas_max（氣體濃度閾值，默認 100）、auto_control（自動控制標志，默認開啟）

  • 網絡初始化

連接 WiFi 網絡（SSID: "xxxx"，密碼: "xxxx"）

創建 TCP 套接字，綁定到 8888 端口并開始監聽

2. 主循環階段

  • 等待客戶端連接

調用accept函數阻塞等待客戶端連接

連接建立后，獲取客戶端 IP 地址并打印日志

  • 數據采集與命令處理循環

循環執行e53_Task()采集氣體濃度數據

調用cmd_proc()處理客戶端發送的命令

處理完成后休眠 1 秒，繼續下一輪循環

  • 連接管理

若cmd_proc()返回非 1 值（如連接斷開或錯誤），退出內層循環

關閉客戶端套接字，返回外層循環等待新連接

3. 傳感器數據采集與自動控制

  • 數據采集

e53_Task()調用Get_MQ2_PPM()獲取當前氣體濃度

打印氣體濃度值到控制臺

  • 自動控制邏輯

當auto_control為 1 時，進入自動控制模式

比較當前氣體濃度與閾值gas_max

若超過閾值，調用Beep_StatusSet(ON)開啟蜂鳴器報警

若低于閾值，關閉蜂鳴器

4. 命令處理流程

  • 消息接收與解析

接收客戶端發送的消息并復制到Message結構體

調用parse_message()驗證消息有效性：

  • 檢查幀頭是否為0xAA, 0x55

  • 計算并驗證校驗和

  • 根據消息類型執行不同操作

上傳數據命令 (0x01)：

  • 將當前氣體濃度轉換為高低字節

  • 封裝響應消息（節點 ID: 0x02）

控制命令 (0x02)：

  • 設置auto_control為 0（關閉自動控制）

  • 根據命令參數手動控制蜂鳴器開關

設置命令 (0x03)：

  • 設置auto_control為 1（開啟自動控制）

  • 更新氣體濃度閾值gas_max

  • 發送響應

調用pack_message()封裝響應消息

打印響應消息內容（調試用）

通過sock_fd發送響應到客戶端

5. 異常處理

  • 連接斷開處理

在cmd_proc()中，若recv()返回值小于等于 0，判定為連接斷開

退出內層循環，關閉套接字，等待新連接

  • 消息解析錯誤

若parse_message()返回非 0 值，打印錯誤信息并忽略該消息

繼續下一輪循環，等待新消息

三、程序功能分析與設計

1. 初始化與系統任務函數
TCPServerDemo()

功能：創建并啟動 TCP 服務器任務線程

實現：

  • 配置線程屬性（名稱、棧大小 10240 字節、優先級）

  • 使用osThreadNew創建TCPServerTask線程

調用時機：通過APP_FEATURE_INIT宏在系統啟動時自動初始化

TCPServerTask()

功能：TCP 服務器主任務，實現網絡連接與數據交互

核心流程：

  1. 初始化 E53_SF1 傳感器并校準

  2. 連接 WiFi 網絡

  3. 創建 TCP 套接字，綁定端口 8888 并監聽連接

  4. 循環接受客戶端連接，處理數據交互

關鍵函數調用：Init_E53_SF1()、MQ2_PPM_Calibration()、WifiConnect()、cmd_proc()

2. 傳感器數據采集與控制函數
e53_Task()

功能：讀取氣體傳感器數據并實現自動報警控制

核心邏輯：

  • 調用Get_MQ2_PPM()獲取氣體濃度（單位：PPM）

  • 若處于自動控制模式（auto_control=1），當濃度超過閾值gas_max時觸發蜂鳴器報警

輸出：打印氣體濃度值到控制臺

Init_E53_SF1()

  • 功能：初始化 E53_SF1 傳感器模塊

  • 調用時機：在TCPServerTask中服務器啟動時執行

MQ2_PPM_Calibration()

功能：校準 MQ2 氣體傳感器

使用場景：傳感器開機后需等待 1 秒（通過usleep(1000000)實現）再校準，確保數據準確性

Beep_StatusSet(Status status)

功能：控制蜂鳴器開關狀態

參數：ON（開啟）或OFF（關閉）

調用場景：自動報警或手動控制時執行

3. 網絡通信與命令處理函數
cmd_proc(int new_fd)

功能：處理客戶端命令并返回響應

核心流程：

  1. 接收客戶端消息并解析Message結構體

  2. 驗證消息幀頭和校驗和（通過parse_message）

  3. 根據消息類型（msg_type）執行不同操作：

    • 0x01（上傳數據）：返回氣體濃度的高低字節

    • 0x02（控制命令）：手動控制蜂鳴器

    • 0x03（設置命令）：更新氣體濃度閾值gas_max

  4. 封裝響應消息并發送

關鍵變量：recvbuf（接收緩沖區）、response（響應消息結構體）

WifiConnect(char *ssid, char *psk)

功能：連接指定 WiFi 網絡

參數：WiFi 名稱（ssid）和密碼（psk）

調用時機：服務器啟動時在TCPServerTask中執行

4. 消息協議處理函數
Message結構體

功能：定義通信消息格式

字段說明：

  • frame_header[2]：幀頭（固定為0xAA, 0x55）

  • msg_type：消息類型（上傳 / 控制 / 設置）

  • node_id：設備節點 ID（本程序中為0x02）

  • data_len：數據長度

  • data[10]：數據內容

  • checksum：校驗和（通過異或運算生成）

calculate_checksum(Message *msg)

功能：計算消息校驗和

實現：對消息所有字段（除校驗和本身）進行異或運算

作用：確保消息傳輸的完整性

parse_message(Message *msg)

功能：解析并驗證消息合法性

驗證邏輯：

  • 檢查幀頭是否為0xAA, 0x55

  • 計算校驗和并與消息中的checksum對比

返回值：0（成功）、-1（幀頭錯誤）、-2（校驗和錯誤）

pack_message(Message *msg, ...)

功能：封裝響應消息

參數：消息類型、節點 ID、數據長度及內容

實現：填充消息結構體并計算校驗和

調用場景：服務器向客戶端返回響應時使用

print_message(Message *msg)
功能：調試時打印消息內容
輸出：消息類型、節點 ID、數據長度及數據內容
5. 輔助工具函數
Get_MQ2_PPM()

功能：獲取 MQ2 傳感器的氣體濃度值（單位：PPM）

返回值：浮點型濃度值

closesocket(int sockfd)

功能：關閉套接字連接

調用場景：客戶端斷開連接時釋放資源

6. 函數調用關系總結
啟動流程：
APP_FEATURE_INIT → TCPServerDemo → TCPServerTask
? Init_E53_SF1 + MQ2_PPM_Calibration（傳感器初始化）
? WifiConnect（網絡連接）
通信循環：
TCPServerTask → accept（等待客戶端連接）
? e53_Task（定時采集傳感器數據）
? cmd_proc（處理客戶端命令）
? pack_message + send（返回響應）
協議處理：
cmd_proc → parse_message（解析請求）
? calculate_checksum（校驗消息合法性）
? pack_message（構造響應）

?

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