基于FreeRTOS的嵌入式设备管理关键技术研究及实现（学习四）-编程知识

硬件平台

终端设备的硬件选型主要由STM32芯片作为处理器，板载时钟电路和电源电路以及对外通信串口，并挂载AM2302温湿度传感器来实时收集环境相关信息，将收集到的信息通过NB-IoT通信模组上传到云端，从而实现整个环境监测功能。
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主控制器
为了符合本文低功耗、低成本的要求，硬件平台选择使用STM32F103RCT6作为主控制器，该处理器是一款基于ARM Cortex-M3内核STM32系列的32位的微控制器，RAM为48K，程序存储器容量是64KB，需要电压2V~3.6V。

STM32F10系列处理器是成本低、性能高、功耗低，由ARM公司生产设计，经常被应用于各种硬件系统中。
STM32F103处理器具有停止、休眠和待机模式3种低功耗模式，而当STM32F103处理达到处理器最高72MHz运行时仅消耗36mA的电路，而在待机模式下则低至2uA。

无线通信模块
与主控芯片进行串口通信，BC28可以有限减少设备大小并降低设备制作成本，适用于小型可穿戴设备、智能便携仪器等需要紧凑设计的终端。

IR红外发射器
红外发射器和接收器会出现在各类遥控设备上，例如电视、空调遥控器。这种技术的工作原理是，一个组件在特定的协议下可以发送、接收、翻译闪烁的红外信号。

最常见的IR遥控器通常使用会产生红外发光的二极管，而接收组件通常是一个光电二极管。
输入端管脚PWM连接到主芯片的PWM输出管脚。
输入端的PWM管脚是从单片机输出的红外信号，连接单片机的PWM管脚，控制晶体管的状态。
当PWM是高电平时，晶体管导通，发光二极管亮。

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IR接收器或红外接收器从IR发射器接收信息，对信号进行解码。
IR接收器的常见应用是电视遥控器，电视的遥控器在按下任何键或按钮发送红外信号。电视机上的红外接收器将接收这些信号，并在解码后将它们发送到电视内的控制电路，然后控制器将执行必要的操作。

研究空调的红外遥控协议，使得该原件能够在平台控制下或温湿度触发阈值时动态调整环境参数。

软件架构设计与实现

本文设计采用LwM2M协议进行设备管理，终端设备中需要实现以下接口：

设备注册接口：注册接口的目的是使终端与LwM2M服务器互联，将LwM2M客户端的相关信息通过精简的报文格式传输并存储在LwM2M服务器上。
Client/Server交互接口：设备管理与服务实现接口的主控方为LwM2M服务器，服务器向终端发送指令，终端对指令做出回应并将回应消息发送给服务器
消息上报接口：允许客户端主动想服务器端更新自身数据。
设备注销接口：使过期终端或失效终端端口与服务器的连接。

为了缩短开发周期，选择了移动OneNET云平台作为服务器端进行终端功能测试。

资源抽象模型

LwM2M对大部分设备功能做了抽象，使这些功能、数据类型被描述成固定的对象-资源类型，这样做对开发者屏蔽了设备的具体名称和完成的功能。

对象可以包含多个实例，每个实例可以定义多个设备资源。
设备的资源属性可以被唯一的URI定位。

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一个服务器端管理着多个设备实例，每一个实例都拥有自己的属性。
例如，本文的环境监测终端可能含多个设备实例，每个实例又会有湿度、温度、开关等属性。

设备、实例、资源三者都各自拥有对应的ID，该ID均在资源注册时被同时注册到服务端，并在设备内保留相关信息。

其中，实例ID是为了区分完成相同功能设备的不同实例，例如，一个设备最终会根据自身属性组成形如“ObjectID/InstanceID/ResourceID”的URI，URI是设备在管理系统中的唯一标识，服务器端通过URI来与固定的设备进行通信，对固定的资源进行读取、写入等操作。

抽象模型设计

LwM2M允许用户自己根据所使用设备以及设备完成的功能进行对象、资源的定义。
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一个资源的定义不仅需要ObjectID，还需要InstanceID和ResourceID，这两个ID分别为对象赋予了实例个数的描述和数据格式、类型、允许的操作的描述。

例如，本文的温度监测为只能被读取的客观属性，不可被改变，因此，对象资源类型如表所示。

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设备注册接口

设备的注册接口主要用于未在平台注册过的设备进行注册的功能，以及已注册的设备进行对云平台的上线通知功能。
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其中，创建设备函数被命名为nb_device_create()，其主要功能为对设备的URI、lifetime以及具体的回调功能进行描述和填充，其中回调功能主要包括“读、写、执行”，分别为write_callback()、read_callback()、execute_callback()。

在向平台发送指令时，若与平台连接成功，则返回NO_ERROR状态码，并更改state为STATE_REGISTERED，若因网络问题发生传输失败，则返回ERROR_500状态码。

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state表示设备当前状态，如已完成注册、注册失败、未注册等。
state在设备完成与平台交互任务时需要判断是否在平台进行注册，否则不能保证成功通信。

Client/server交互接口

根据OneNET云平台的接口文档，本文设计并实现了设备端Client/Server交互接口。交互接口的设计主要包括“读”、“写”、“执行”三个指令及这三个指令各自完成的逻辑功能的设计。

在执行指令之前还需要对所下发的指令进行区分和判断，以确保执行正确的指令。
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在正确接收到指令后，开始执行具体的逻辑功能。
本文称“读”指令的接口为设备资源读取接口，该接口用于服务器通过下发指令实时获得设备的内数据如传感器资源数据、电池电量等，使得在云平台可以远程实现获得设备相关信息。
例如，使用设备资源读取接口对设备实时获取到的温度、湿度值进行读取并上报。

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平台在下发指令时会携带查询设备资源的URI以定位具体资源，本文的软件设计中包含了一个节点结构体_nb_node_t，这样的数据结构构成了链表，判断实例是否存在就是在这个链表中寻找相对应的资源，而根据传感器的资源情况，设计了资源的数据结构_nb_value_t用以记录不同数据类型的数据以及数据属性等，每一个节点携带一个该结构体类型的值。