构建一个多传感器房间监控系统：用于实时追踪温度、湿度、光照和运动，并具备报警和睡眠模式功能

本项目是使用STM32F103C8“Blue Pill”芯片构建的房间监测装置，并在Wokwi中进行仿真。它可测量温度、湿度、环境光强和运动状态，通过OLED显示屏逐次显示一次读数，当房间温度过高或过低时会发出蜂鸣声，当房间无人时则自动关闭显示屏。

该项目由MSU-IIT的BCA182嵌入式系统编程课程(实验活动第1号)开发，采用PlatformIO、STM32Cube HAL以及原生FreeRTOS API实现。

动机

房间监测器需要以不同速度完成多项任务：每隔几秒采样一次传感器，当有人移动或转动旋钮时立即响应，并在温度超出范围时发出警报。将所有这些操作写成一个大循环，会导致时间安排难以理清。本项目的目标是学习实时操作系统(RTOS)如何解决这一问题：将任务拆分为多个子任务，根据各任务的响应速度设定优先级，并确保各任务之间安全通信。

功能特性

- 每2秒从DHT22读取一次温湿度

- 通过ADC从光敏电阻读取相对环境光照强度(0-100%)

- 使用PIR传感器检测运动

- SSD1306 OLED显示选定的测量数据

- 旋转编码器用于切换页面：温度、湿度、光照、运动(双向，带循环显示)

- 温度低于18°C或高于30°C时触发蜂鸣报警

- 活动/非活动状态机：无运动15秒后OLED关闭，再次有运动时恢复唤醒

- 6个FreeRTOS任务、3个队列、1个事件组、1个互斥锁，以及用于周期性采样的vTaskDelayUntil()

- 13个单元测试及使用cppcheck进行静态分析

电路

引脚连接：

•光敏电阻 AO 连接到 PA0(ADC1)

•DHT22 数据连接到 PA1

•蜂鸣器连接到 PA2(TIM2 PWM，1 kHz)

•PIR 输出连接到 PA3

•编码器时钟/数据信号连接到 PA4(中断)/ PA5

•串口发送/接收连接到 PA9 / PA10(USART1，115200)

•OLED SCL/SDA 连接到 PB6 / PB7(I2C1)

系统架构

四个输入(DHT22、光敏电阻、PIR和编码器)接入STM32，该芯片运行FreeRTOS系统，包含六个任务，并驱动三个输出：OLED显示屏、蜂鸣器以及串口日志。

代码被划分为多个模块：

•驱动模块与硬件通信(dht22.c、ldr.c、ssd1306.c、buzzer.c、log.c);

•各任务文件负责独立的任务(sensors.c、display.c、input.c、alarm.c、motion.c、system_state.c);

•logic.c中包含决策逻辑(如报警、页面导航、激活/非激活状态)，不涉及硬件代码，因此可在PC上进行单元测试;

•main.c仅初始化硬件并调用app_main()函数，该函数创建所有任务。

FreeRTOS架构

任务及优先级(数值越高表示越紧急)：

•MotionTask(优先级3，每100毫秒一次)：读取PIR信号并触发运动检测;

•InputTask(优先级3，每50毫秒一次)：将编码器的步数转换为页面切换;

•StateTask(优先级3，当检测到运动或每250毫秒一次)：运行激活/非激活状态机;

•SensorTask(优先级2，每2秒一次，使用vTaskDelayUntil)：读取DHT22和光敏电阻数据;

•AlarmTask(优先级2，每次新读取时触发)：检查温度并控制蜂鸣器;

•DisplayTask(优先级1，每当有新数据或页面变化时执行)：唯一一个绘制OLED内容的任务。

为何这些任务具有最高优先级：对人有反应的任务(如运动检测、编码器、状态变化)被赋予最高优先级，因为延迟的响应会明显察觉。传感器和报警任务以2秒为周期运行，因此几毫秒的延迟并不重要。OLED绘图是速度最慢且最不紧急的任务，因此其优先级最低，从不延迟用户输入。

任务之间的通信方式：

队列机制：SensorTask 通过两个队列将 SensorData 结构体(温度、湿度、光照、运动)发送给 DisplayTask 和 AlarmTask。InputTask 通过第三个队列将选定页面发送给 DisplayTask。每个队列仅存储最新的数据值。

事件组：用于表示 ACTIVE(激活)、MOTION(运动)、ALARM(报警)和 PIR 级别(PIR 指纹)。StateTask 设置 ACTIVE 状态，而显示、输入和报警任务均读取该状态。

互斥锁：保护串行端口，所有六个任务都使用该端口发送日志信息，因此两个任务永远不会互相覆盖打印。

工作原理

每2秒，SensorTask读取DHT22和光敏电阻的数据，并通过队列发送结果。它使用vTaskDelayUntil()函数，确保读取数据间隔精确为2秒，避免漂移。

DisplayTask等待新数据，并在OLED上显示所选页面。

转动编码器会触发一个短暂中断，仅用于计数步数。InputTask读取该计数值并更新页面。

AlarmTask检查每次新的温度值。当温度低于18°C或高于30°C时，蜂鸣器响起，OLED显示"! TEMP ALARM"。

MotionTask监控PIR传感器。若15秒内无运动，StateTask将状态切换为INACTIVE：OLED关闭，编码器被忽略，蜂鸣器静音。下一次检测到运动后，状态将恢复为ACTIVE。

测试与验证

单元测试：在PC上运行了13个测试，使用“pio test -e native”执行，全部通过。测试内容包括报警阈值(含精确18°C和30°C)、双向循环的页面导航，以及四种ACTIVE/INACTIVE状态的验证。

静态分析：“pio check”(cppcheck)未发现高风险或中等风险问题。低风险发现已审查并解释说明。大多数是误报，因为该工具无法识别通过FreeRTOS或中断表调用的函数。

在Wokwi中的功能测试：全部10项测试均通过。这些测试包括改变温度、湿度和光照，双向旋转编码器，当温度超过30°C时触发警报并再次关闭，以及系统在15秒后进入非活动状态，并在检测到运动时唤醒。

故障实验：我故意破坏了系统以观察会发生什么：

移除MotionTask中的延迟导致其占用CPU，其他所有任务停止运行。

为DisplayTask设置最高优先级在此模拟器构建中未出现明显问题，但意味着屏幕重绘可能会延迟用户输入。

移除互斥锁(mutex)在当前模拟器版本中没有导致输出混乱，但在真实硬件上使用标准端口时打印操作将不安全，因此保留了互斥锁。

演示

运行系统：OLED 显示温度并配有报警横幅，串口日志则显示任务活动情况。

遇到的挑战

最大的挑战是让 FreeRTOS 能够在 Wokwi 上正常运行。固件已构建并启动，但没有任何任务运行。通过在串口上打印 FreeRTOS 的断言信息，我发现标准的 Cortex-M 端口依赖了一些 Wokwi STM32F103 模型不完全支持的处理器特性：中断优先级位，以及 FreeRTOS 用于切换任务的 SVC/PendSV 异常。

最终版本使用了由同学项目改编的、兼容 Wokwi 的 FreeRTOS 版本(下文注明)。我在其中修复了另外两个问题：现在它以模拟器中有效的方式阻断中断，并且单独保存每个任务的临界区计数，从而避免了系统冻结。

其他问题：DHT22 在每次读取时都会失败，直到将数据引脚设置为带上拉电阻的输入模式;此外，蜂鸣器需要移至另一个引脚，因为其原始引脚被 RTOS 定时器占用了。

本文编译自hackster.io