【FreeRTOS实战】一章速通freertos含扩展MQTT,SD卡，

【FreeRTOS实战】基于STM32的温湿度监测系统开发全攻略

大家好！今天我要带大家深入了解一个经典的嵌入式系统开发项目——基于FreeRTOS的温湿度监测系统。无论你是嵌入式开发新手还是想巩固知识的老手，这篇文章都能帮你掌握FreeRTOS的核心概念和实际应用技巧。一起动手实践吧！

一、项目功能概述

在智能硬件开发中，温湿度监测是最基础也是最常见的应用场景之一。本项目基于FreeRTOS实现了一个功能完善的温湿度监测系统，主要特点如下：

1. 按键实时查询：按下KEY0(PC5)按键时，立即在串口打印当前温湿度数据
2. 温度超限报警：当检测到温度≥30℃时，LED1以200ms间隔闪烁进行警示
3. 定时数据采集：利用软件定时器每1000ms自动获取一次温湿度数据
4. 多任务协同工作：通过队列传递温度数据，使用事件标志组实现任务间通信

这个项目麻雀虽小但五脏俱全，集成了FreeRTOS的任务管理、同步机制、定时器等核心功能，是入门嵌入式操作系统的绝佳实践案例。

二、开发环境与技术要点

2.1 硬件平台

• 主控芯片：STM32F103系列微控制器
• 传感器：DHT11温湿度传感器（成本低且易于使用）
• 人机交互：按键KEY0(PC5)、指示灯LED1(GPIOA_PIN_8)

2.2 FreeRTOS核心知识点详解

2.2.1 任务管理机制

FreeRTOS是一个轻量级实时操作系统，其核心是强大的多任务调度机制。与裸机编程不同，FreeRTOS允许我们将不同功能模块编写为独立任务，系统会根据优先级自动调度这些任务。

任务创建函数xTaskCreate六大参数详解：

BaseType_t xTaskCreate(TaskFunction_t pvTaskCode,      // 任务函数指针，指向任务的实现代码const char * const pcName,      // 任务名称，便于调试和识别uint16_t usStackDepth,          // 任务堆栈大小（字）void *pvParameters,             // 传给任务的参数指针UBaseType_t uxPriority,         // 任务优先级，数值越大优先级越高TaskHandle_t *pxCreatedTask     // 任务句柄，用于后续操作该任务
);

🔍 知识拓展：FreeRTOS采用抢占式调度，高优先级任务随时可以抢占低优先级任务。当多个相同优先级的任务就绪时，系统会采用时间片轮转方式让它们轮流执行。

2.2.2 任务间同步机制

在多任务环境下，任务间的同步和通信至关重要。FreeRTOS提供了多种机制：

1. 互斥信号量：保护共享资源，解决资源冲突问题

   • 只允许一个任务访问受保护的资源
   • 支持优先级继承，解决优先级反转问题

2. 队列(Queue)：实现任务间数据传递

   • 先进先出(FIFO)的数据结构
   • 支持多发送者和多接收者
   • 可设置阻塞超时时间

3. 事件标志组(Event Group)：实现任务间事件通知

   • 每一位代表一个事件
   • 可同时等待和设置多个事件
   • 支持"与"和"或"逻辑的等待模式

2.2.3 软件定时器的应用

FreeRTOS的软件定时器是基于系统节拍的，不依赖硬件定时器资源：

• 单次定时器：触发一次后自动删除
• 周期定时器：按设定周期重复触发
• 定时器回调函数：定时时间到达时自动执行，不占用任务资源

💡 实用技巧：软件定时器的回调函数在定时器服务任务中执行，优先级较高，因此回调函数不应包含阻塞操作或耗时过长的代码。

三、项目实现步骤详解

3.1 系统框架设计

首先，我们需要明确系统的总体架构。本项目分为三个主要任务和一个定时器：

1. key_task：检测按键状态，按下后通知打印任务
2. print_task：接收通知后打印温湿度数据
3. led_task：根据温度值控制LED状态
4. 软件定时器：周期性采集温湿度数据

各模块的交互关系如下：

                    ┌─────────────┐│ 软件定时器   ││  (1000ms)   │└──────┬──────┘│ 采集温湿度▼
┌──────────┐      ┌─────────────────┐      ┌──────────┐
│ key_task │──────► 全局温湿度变量  │◄─────│ led_task │
└─────┬────┘      │ (互斥信号量保护) │      └─────┬────┘│           └─────────────────┘            ││ 事件通知                       队列传递温度 │▼                                          ▼
┌──────────┐                              ┌──────────┐
│print_task│                              │  LED控制  │
└──────────┘                              └──────────┘

3.2 基础定义与变量声明

首先定义系统所需的宏和全局变量：

// 事件标志组第0位宏定义
#define EVENT_FLAG_BIT0  (1 << 0)  // 定义事件标志位，用于按键通知打印任务// 各种句柄定义
TimerHandle_t timer_hdl;           // 软件定时器句柄
SemaphoreHandle_t mutex_hdl;       // 互斥信号量句柄，用于保护全局变量
QueueHandle_t queue_hdl;           // 队列句柄，用于传递温度数据
EventGroupHandle_t event_hdl;      // 事件标志组句柄，用于任务间通知
TaskHandle_t key_task_hdl, print_task_hdl, led_task_hdl;  // 任务句柄// 温湿度全局变量
unsigned char g_temp, g_humi;      // 分别存储温度和湿度值

为什么需要这些定义？

• 事件标志位通过位操作方便高效地表示多个事件状态
• 句柄是操作系统资源的标识符，通过句柄可以操作相应资源
• 全局变量用于存储共享数据，但需要互斥保护以确保数据一致性

3.3 任务函数声明

在main函数前需要声明各个任务和回调函数：

// 按键检测任务函数
void key_task(void *param);  // 负责检测按键并通知打印任务// 数据打印任务函数
void print_task(void *param);  // 负责等待通知并打印温湿度数据// LED控制任务函数
void led_task(void *param);  // 负责根据温度控制LED状态// 定时器回调函数
void timer_cb(TimerHandle_t xTimer);  // 定时器触发时采集温湿度数据

3.4 系统初始化与资源创建

main函数是系统入口，完成各种资源创建和任务初始化：

int main(void) {// 硬件初始化代码（省略）// 创建事件标志组并检查是否成功event_hdl = xEventGroupCreate();  // 创建事件标志组if (event_hdl == NULL) {printf("事件标志组创建失败\n");  // 创建失败时输出错误信息return -1;  // 返回错误码}// 创建互斥信号量并检查是否成功mutex_hdl = xSemaphoreCreateMutex();  // 创建互斥信号量if (mutex_hdl == NULL) {printf("互斥信号量创建失败\n");  // 创建失败时输出错误信息return -1;  // 返回错误码}// 创建软件定时器timer_hdl = xTimerCreate("timer",                 // 定时器名称pdMS_TO_TICKS(1000),     // 定时周期：1000mspdTRUE,                  // 自动重装载：pdTRUE表示周期定时器(void *)1,               // 定时器ID：任意值，用于标识定时器timer_cb                 // 回调函数：定时器到期时执行);// 启动定时器，阻塞时间为永久xTimerStart(timer_hdl, portMAX_DELAY);  // 启动定时器，如果无法立即启动则永久等待// 创建队列：长度为1，每个项目大小为unsigned charqueue_hdl = xQueueCreate(1, sizeof(unsigned char));  // 创建队列用于传递温度数据// 创建按键检测任务xTaskCreate(key_task,       // 任务函数"key_task",     // 任务名称128,            // 堆栈大小：128字NULL,           // 任务参数：无4,              // 优先级：4（中等）&key_task_hdl   // 任务句柄);// 创建数据打印任务（更高优先级）xTaskCreate(print_task, "print_task", 256, NULL, 5, &print_task_hdl);// 创建LED控制任务（最高优先级）xTaskCreate(led_task, "led_task", 128, NULL, 6, &led_task_hdl);// 启动任务调度器vTaskStartScheduler();  // 启动FreeRTOS调度器，此后系统开始运行// 正常情况下，永远不会执行到这里return 0;
}

操作流程解析：

1. 首先创建事件标志组和互斥信号量，这些是任务间通信的基础设施
2. 然后创建软件定时器并启动，注意pdMS_TO_TICKS函数将毫秒转换为系统节拍数
3. 创建队列，用于定时器向LED任务传递温度数据
4. 创建三个任务，注意优先级设置：LED任务(6) > 打印任务(5) > 按键任务(4)
5. 最后启动调度器，此后系统开始按照任务优先级运行

🔍 知识拓展：为什么LED任务优先级最高？因为它负责报警功能，必须及时响应温度变化。打印任务次之，因为它只在按键按下时工作。按键任务优先级最低，因为按键检测可以有一定延迟。

3.5 定时器回调函数实现

定时器回调函数负责采集温湿度数据，并通过队列通知LED任务：

void timer_cb(TimerHandle_t xTimer) {unsigned char temp, humi;  // 临时存储温湿度数据// 获取互斥信号量，保护共享资源访问xSemaphoreTake(mutex_hdl, portMAX_DELAY);  // 获取互斥信号量，如果被占用则永久等待// 调用DHT11驱动函数获取温湿度数据DHT11_Read_Data(&humi, &temp);  // 读取温湿度数据// 保存到全局变量g_temp = temp;  // 更新全局温度变量g_humi = humi;  // 更新全局湿度变量// 释放互斥信号量xSemaphoreGive(mutex_hdl);  // 释放互斥信号量，允许其他任务访问共享资源// 向队列发送温度数据，阻塞时间为永久xQueueSend(queue_hdl, &temp, portMAX_DELAY);  // 发送温度数据到队列
}

核心要点：

• 使用互斥信号量保护全局变量，防止数据读写冲突
• 采用xSemaphoreTake和xSemaphoreGive成对使用的模式
• 通过队列将温度数据传递给LED任务，实现任务间通信

3.6 按键检测任务实现

按键任务负责检测用户输入，并通知打印任务：

void key_task(void *param) {while (1) {  // 任务永久循环// 检测按键状态：低电平表示按下if (HAL_GPIO_ReadPin(GPIOC, GPIO_PIN_5) == GPIO_PIN_RESET) {// 延时10ms进行消抖vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(10));  // 短暂延时，消除机械按键抖动// 再次检测，确认按键确实被按下if (HAL_GPIO_ReadPin(GPIOC, GPIO_PIN_5) == GPIO_PIN_RESET) {// 设置事件标志组第0位为1，通知打印任务xEventGroupSetBits(event_hdl, EVENT_FLAG_BIT0);  // 设置事件标志，通知打印任务}}// 任务延时1ms，让出CPU资源vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(1));  // 短暂延时，避免占用全部CPU时间}
}

按键消抖原理详解：

1. 机械按键按下时会产生多次电信号抖动，可能导致一次按键被误判为多次
2. 消抖方法是：检测到按键按下→延时等待抖动结束→再次检测确认
3. 确认按下后，通过事件标志组通知打印任务执行打印操作

💡 实用技巧：按键消抖的延时时间一般为10-20ms，具体取决于按键质量。高质量按键抖动小，可以用更短的延时。

3.7 数据打印任务实现

打印任务负责等待按键通知，并打印温湿度数据：

void print_task(void *param) {while (1) {  // 任务永久循环// 等待事件标志组第0位为1xEventGroupWaitBits(event_hdl,           // 事件标志组句柄EVENT_FLAG_BIT0,     // 等待的事件位pdTRUE,              // pdTRUE表示等待后自动清除事件位pdFALSE,             // pdFALSE表示任一位满足即可返回portMAX_DELAY        // 永久阻塞，直到事件发生);// 获取互斥信号量，保护全局变量访问xSemaphoreTake(mutex_hdl, portMAX_DELAY);  // 获取互斥信号量// 打印温湿度数据printf("温度：%u℃，湿度：%u%%\r\n", g_temp, g_humi);  // 打印温湿度数据// 释放互斥信号量xSemaphoreGive(mutex_hdl);  // 释放互斥信号量}
}

事件等待机制详解：

• xEventGroupWaitBits函数用于等待特定事件位被设置
• pdTRUE参数表示等待成功后自动清除事件位，避免重复触发
• pdFALSE参数表示只要指定的任一位为1即可返回（本例中只等待一个位）
• portMAX_DELAY表示永久阻塞，直到事件发生

3.8 LED控制任务实现

LED任务负责根据温度数据控制LED状态，实现温度报警功能：

void led_task(void *param) {unsigned char temp;  // 存储从队列接收的温度数据while (1) {  // 任务永久循环// 从队列接收温度数据，永久阻塞直到收到数据if (xQueueReceive(queue_hdl, &temp, portMAX_DELAY) == pdTRUE) {// 判断温度是否≥30℃if (temp >= 30) {// 温度过高，LED闪烁报警HAL_GPIO_TogglePin(GPIOA, GPIO_PIN_8);  // 翻转LED状态vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(200));  // 延时200ms，控制闪烁频率} else {// 温度正常，LED熄灭HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_8, GPIO_PIN_RESET);  // 熄灭LED}}// 任务延时1ms，让出CPU资源vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(1));  // 短暂延时}
}

LED控制逻辑：

• 通过xQueueReceive从队列获取温度数据，阻塞等待直到有数据到来
• 根据温度值判断LED状态：
  • 温度≥30℃时：LED以200ms间隔闪烁，提示温度过高
  • 温度<30℃时：LED保持熄灭状态，表示温度正常

四、FreeRTOS核心机制深度解析

4.1 任务状态转换详解

在FreeRTOS中，任务有多种状态，理解这些状态对掌握系统行为至关重要：

五种任务状态：

1. 运行态(Running)：正在CPU上执行的任务
2. 就绪态(Ready)：可以执行但等待CPU资源的任务
3. 阻塞态(Blocked)：等待某个事件(如定时器、信号量)的任务
4. 挂起态(Suspended)：被显式挂起的任务，不参与调度
5. 删除态(Deleted)：已被删除但资源未完全释放的任务

状态转换触发因素：

• 任务创建后进入就绪态
• 调度器选择最高优先级的就绪任务进入运行态
• 运行任务调用阻塞API(如vTaskDelay)进入阻塞态
• 运行任务被更高优先级任务抢占回到就绪态
• 阻塞条件满足(如延时结束)后任务回到就绪态

4.2 优先级反转问题与解决方案

在多任务系统中，优先级反转是一个常见但危险的问题：

优先级反转场景：

1. 低优先级任务L获取互斥资源，正在处理共享数据
2. 高优先级任务H就绪，抢占任务L的执行
3. 任务H需要访问同一资源，因互斥锁被占用而阻塞
4. 中优先级任务M就绪并执行，间接阻塞了高优先级任务H
5. 结果：中优先级任务M优先于高优先级任务H执行，优先级关系被"反转"

解决方案：

1. 优先级继承：低优先级任务持有互斥量时，临时继承等待该互斥量的最高优先级任务的优先级
2. 优先级天花板：互斥量有一个预设的优先级天花板，任何任务获取该互斥量时都临时提升到这个优先级

💡 FreeRTOS实现：FreeRTOS的互斥信号量(SemaphoreMutex)自动支持优先级继承机制，而普通二值信号量不支持。因此，对共享资源的保护应优先使用互斥信号量。

4.3 任务间通信方式对比

FreeRTOS提供多种任务间通信机制，各有优缺点：

通信方式	优点	缺点	适用场景
全局变量+互斥保护	简单直接，易于实现	需额外同步机制，可能有竞争条件	简单数据共享，更新频率低
队列(Queue)	支持多生产者/消费者，自带同步	内存开销较大，容量有限	数据传递，生产者-消费者模型
事件标志组(Event Group)	可表示多个事件，节约资源	只能传递位状态，不能传递数据	事件通知，触发操作
任务通知(Task Notification)	性能最高，资源开销最小	一个任务只有一个通知值，功能有限	简单信号通知，替代二值信号量
信号量(Semaphore)	经典同步机制，使用简单	不能传递数据，只能传递信号	资源计数，任务同步

本项目中的选择：

• 使用互斥信号量保护全局温湿度变量，保证数据一致性
• 使用队列传递温度数据，实现定时器到LED任务的数据流
• 使用事件标志组实现按键任务到打印任务的通知，避免轮询开销

🔍 知识拓展：在资源紧张的系统中，任务通知(Task Notification)是最轻量级的通信方式，可以替代二值信号量、计数信号量甚至队列，性能提升30-40%。

五、项目调试与常见问题解决

5.1 调试方法与技巧

调试嵌入式系统需要结合多种方法：

1. 串口调试：

   • 在关键点添加printf输出
   • 使用RTT或SWO等实时输出技术，不阻塞系统执行

2. LED指示灯调试：

   • 不同闪烁模式表示不同状态
   • 例如：快闪表示错误，慢闪表示正常

3. RTOS调试工具：

   • FreeRTOS提供vTaskList()函数打印任务状态
   • 使用任务统计信息分析CPU占用率

4. 使用调试器：

   • 设置断点观察变量
   • 单步执行分析程序流程
   • 实时观察堆栈使用情况

5.2 常见问题及解决方法

1. 任务栈溢出：
   • 症状：系统不稳定，随机重启
   • 解决：增加任务堆栈大小，减少局部变量使用
   • 调试：启用FreeRTOS的栈溢出检测功能

// 在FreeRTOSConfig.h中启用栈溢出检测
#define configCHECK_FOR_STACK_OVERFLOW    2

2. 优先级设置不合理：

   • 症状：高优先级任务无法及时响应
   • 解决：合理分配任务优先级，避免高优先级任务长时间执行
   • 原则：响应时间要求高的任务优先级高，计算密集型任务优先级低

3. 互斥保护不当：

   • 症状：数据不一致，系统死锁
   • 解决：确保互斥资源的获取和释放成对出现，避免嵌套锁
   • 技巧：尽量缩小互斥保护的代码范围，减少持有锁的时间

4. 定时器回调函数阻塞：

   • 症状：系统定时不准，其他任务响应迟缓
   • 解决：定时器回调函数中不执行耗时操作，只做简单数据处理和通知
   • 技巧：将耗时操作放到单独的任务中，通过队列或事件通知

5. DHT11传感器读取错误：

   • 症状：温湿度数据异常或无法读取
   • 解决：检查硬件连接，增加上拉电阻，确保时序正确
   • 技巧：添加多次读取平均值的逻辑，过滤异常数据

六、完整项目代码

下面是完整的项目代码，集成了所有功能模块：

#include "FreeRTOS.h"
#include "task.h"
#include "queue.h"
#include "semphr.h"
#include "event_groups.h"
#include "timers.h"
#include "stm32f10x.h"
#include "stdio.h"// 事件标志组第0位宏定义
#define EVENT_FLAG_BIT0  (1 << 0)  // 定义事件标志位，用于按键通知打印任务// 定时器句柄
TimerHandle_t timer_hdl;  // 软件定时器句柄，用于周期性获取温湿度数据// 互斥信号量句柄
SemaphoreHandle_t mutex_hdl;  // 互斥信号量句柄，用于保护全局温湿度变量// 队列句柄
QueueHandle_t queue_hdl;  // 队列句柄，用于传递温度数据给LED任务// 事件标志组句柄
EventGroupHandle_t event_hdl;  // 事件标志组句柄，用于按键任务通知打印任务// 任务句柄
TaskHandle_t key_task_hdl, print_task_hdl, led_task_hdl;  // 各任务的句柄// 温湿度全局变量
unsigned char g_temp, g_humi;  // 存储当前温度和湿度值的全局变量// 函数声明
void key_task(void *param);  // 按键检测任务
void print_task(void *param);  // 数据打印任务
void led_task(void *param);  // LED控制任务
void timer_cb(TimerHandle_t xTimer);  // 定时器回调函数
void DHT11_Read_Data(unsigned char *humi, unsigned char *temp);  // DHT11驱动函数int main(void) {// 硬件初始化代码(省略)// ...// 创建事件标志组并检查是否成功event_hdl = xEventGroupCreate();  // 创建事件标志组if (event_hdl == NULL) {printf("事件标志组创建失败\n");  // 创建失败时打印错误信息return -1;  // 返回错误码}// 创建互斥信号量并检查是否成功mutex_hdl = xSemaphoreCreateMutex();  // 创建互斥信号量if (mutex_hdl == NULL) {printf("互斥信号量创建失败\n");  // 创建失败时打印错误信息return -1;  // 返回错误码}// 创建软件定时器timer_hdl = xTimerCreate("timer",                 // 定时器名称pdMS_TO_TICKS(1000),     // 定时周期：1000mspdTRUE,                  // 自动重装载：周期定时器(void *)1,               // 定时器ID：用于标识定时器timer_cb                 // 回调函数：定时到期时执行);// 启动定时器xTimerStart(timer_hdl, portMAX_DELAY);  // 启动定时器，阻塞时间为永久// 创建队列queue_hdl = xQueueCreate(1, sizeof(unsigned char));  // 创建长度为1的队列// 创建key_task任务xTaskCreate(key_task,       // 任务函数"key_task",     // 任务名称128,            // 堆栈大小NULL,           // 任务参数4,              // 优先级&key_task_hdl   // 任务句柄);// 创建print_task任务xTaskCreate(print_task, "print_task", 256, NULL, 5, &print_task_hdl);// 创建led_task任务xTaskCreate(led_task, "led_task", 128, NULL, 6, &led_task_hdl);// 启动任务调度器vTaskStartScheduler();  // 启动FreeRTOS调度器// 正常情况下不会执行到这里return 0;
}// 定时器回调函数
void timer_cb(TimerHandle_t xTimer) {unsigned char temp, humi;  // 临时变量存储温湿度数据// 获取互斥信号量xSemaphoreTake(mutex_hdl, portMAX_DELAY);  // 获取互斥信号量，保护全局变量// 读取温湿度数据DHT11_Read_Data(&humi, &temp);  // 调用DHT11驱动函数读取数据// 保存到全局变量g_temp = temp;  // 更新全局温度变量g_humi = humi;  // 更新全局湿度变量// 释放互斥信号量xSemaphoreGive(mutex_hdl);  // 释放互斥信号量// 向队列发送温度数据xQueueSend(queue_hdl, &temp, portMAX_DELAY);  // 发送温度数据到队列
}// 按键检测任务
void key_task(void *param) {while (1) {  // 任务永久循环// 按键消抖if (HAL_GPIO_ReadPin(GPIOC, GPIO_PIN_5) == GPIO_PIN_RESET) {  // 检测按键是否按下vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(10));  // 延时10ms进行消抖if (HAL_GPIO_ReadPin(GPIOC, GPIO_PIN_5) == GPIO_PIN_RESET) {  // 再次检测确认按键按下// 设置事件标志xEventGroupSetBits(event_hdl, EVENT_FLAG_BIT0);  // 设置事件标志位通知打印任务}}vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(1));  // 短暂延时，让出CPU}
}// 数据打印任务
void print_task(void *param) {while (1) {  // 任务永久循环// 等待事件标志xEventGroupWaitBits(event_hdl,           // 事件标志组句柄EVENT_FLAG_BIT0,     // 等待的事件位pdTRUE,              // 等待后自动清除事件位pdFALSE,             // 任一位满足即可返回portMAX_DELAY        // 永久阻塞等待);// 获取互斥信号量```c// 获取互斥信号量xSemaphoreTake(mutex_hdl, portMAX_DELAY);  // 获取互斥信号量，保护全局变量访问// 打印温湿度数据printf("温度：%u℃，湿度：%u%%\r\n", g_temp, g_humi);  // 打印当前温湿度值// 释放互斥信号量xSemaphoreGive(mutex_hdl);  // 释放互斥信号量}
}// LED控制任务
void led_task(void *param) {unsigned char temp;  // 用于存储从队列接收的温度值while (1) {  // 任务永久循环// 从队列接收温度数据if (xQueueReceive(queue_hdl, &temp, portMAX_DELAY) == pdTRUE) {  // 接收温度数据// 判断温度并控制LEDif (temp >= 30) {  // 温度超过或等于30℃// 温度过高，LED闪烁HAL_GPIO_TogglePin(GPIOA, GPIO_PIN_8);  // 翻转LED状态vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(200));  // 延时200ms控制闪烁频率} else {  // 温度低于30℃// 温度正常，LED熄灭HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_8, GPIO_PIN_RESET);  // LED熄灭}}vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(1));  // 短暂延时，让出CPU}
}// DHT11驱动函数(简化实现)
void DHT11_Read_Data(unsigned char *humi, unsigned char *temp) {// 实际项目中需要根据DHT11通信协议实现// 此处为简化示例，返回模拟数据*humi = 60;  // 湿度60%*temp = 25;  // 温度25℃// 实际应用中，需要按照DHT11时序要求进行通信// 包括：起始信号、响应信号、数据位读取和校验
}

七、项目拓展与实战技巧

7.1 数据处理优化

实际应用中，可以通过以下方式提高系统可靠性：

1. 滑动平均滤波：减少温湿度测量波动

// 滑动平均滤波示例代码
#define FILTER_SIZE 5  // 滤波窗口大小
unsigned char temp_buffer[FILTER_SIZE] = {0};  // 温度数据缓冲区
unsigned char filter_index = 0;  // 当前索引// 添加新数据并计算平均值
unsigned char add_temp_data(unsigned char new_temp) {unsigned int sum = 0;// 将新数据加入缓冲区temp_buffer[filter_index] = new_temp;filter_index = (filter_index + 1) % FILTER_SIZE;// 计算平均值for (int i = 0; i < FILTER_SIZE; i++) {sum += temp_buffer[i];}return (unsigned char)(sum / FILTER_SIZE);
}

2. 阈值迟滞：防止温度在临界值附近频繁触发报警

// 温度阈值迟滞示例
#define TEMP_HIGH_THRESHOLD 30  // 高温阈值
#define TEMP_LOW_THRESHOLD  28  // 低温阈值
unsigned char alarm_state = 0;  // 报警状态// 更新报警状态
void update_alarm(unsigned char temp) {if (alarm_state == 0) {  // 当前无报警if (temp >= TEMP_HIGH_THRESHOLD) {  // 超过高温阈值alarm_state = 1;  // 进入报警状态}} else {  // 当前已报警if (temp < TEMP_LOW_THRESHOLD) {  // 低于低温阈值alarm_state = 0;  // 退出报警状态}}
}

7.2 低功耗设计

嵌入式系统通常需要考虑功耗问题，特别是电池供电设备：

1. Tickless空闲模式：在系统空闲时停止系统节拍

// 在FreeRTOSConfig.h中启用Tickless空闲模式
#define configUSE_TICKLESS_IDLE 1

2. 任务自动休眠：让任务在无事可做时主动让出CPU

// 在所有任务循环中添加适当的延时
vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(10));  // 延时10ms

3. 外设功耗管理：按需启停外设电源

// DHT11电源控制示例
void dht11_power_control(unsigned char state) {if (state) {// 开启DHT11电源HAL_GPIO_WritePin(DHT11_POWER_PORT, DHT11_POWER_PIN, GPIO_PIN_SET);// 等待DHT11稳定vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(10));} else {// 关闭DHT11电源HAL_GPIO_WritePin(DHT11_POWER_PORT, DHT11_POWER_PIN, GPIO_PIN_RESET);}
}

7.3 可靠性提升

增强系统可靠性的几种方法：

1. 看门狗定时器：监测系统运行状态，防止死机

// 初始化看门狗
void iwdg_init(void) {// 设置看门狗超时时间为1秒IWDG_WriteAccessCmd(IWDG_WriteAccess_Enable);IWDG_SetPrescaler(IWDG_Prescaler_32);IWDG_SetReload(1000);IWDG_ReloadCounter();IWDG_Enable();
}// 在主循环中喂狗
void feed_watchdog(void *param) {while (1) {IWDG_ReloadCounter();  // 喂狗vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(500));  // 每500ms喂一次狗}
}

2. 任务监控：监控任务执行情况，检测任务卡死

// 使用FreeRTOS提供的运行时统计功能
#define configGENERATE_RUN_TIME_STATS 1// 检查任务运行时间
void monitor_tasks(void) {char buffer[500];vTaskGetRunTimeStats(buffer);printf("任务运行时间统计：\r\n%s\r\n", buffer);
}

7.4 系统扩展方向

实际项目中，我们可以在此基础上进行多方面扩展：

1. 网络连接：添加WiFi/蓝牙模块，实现远程监控

// 添加MQTT客户端，发送温湿度数据到云平台
void mqtt_task(void *param) {while (1) {// 获取温湿度数据xSemaphoreTake(mutex_hdl, portMAX_DELAY);unsigned char temp = g_temp;unsigned char humi = g_humi;xSemaphoreGive(mutex_hdl);// 构建JSON数据char json_buffer[100];sprintf(json_buffer, "{\"temperature\":%u,\"humidity\":%u}", temp, humi);// 发布到MQTT主题mqtt_publish("device/temperature", json_buffer, strlen(json_buffer));// 每60秒发送一次数据vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(60000));}
}

2. 数据存储：添加SD卡或Flash存储，记录历史数据

// 定期记录温湿度数据到Flash
void data_logger_task(void *param) {while (1) {// 获取当前时间和温湿度数据RTC_TimeTypeDef time;HAL_RTC_GetTime(&hrtc, &time, RTC_FORMAT_BIN);xSemaphoreTake(mutex_hdl, portMAX_DELAY);unsigned char temp = g_temp;unsigned char humi = g_humi;xSemaphoreGive(mutex_hdl);// 构建数据记录DataRecord record;record.timestamp = time.Hours * 3600 + time.Minutes * 60 + time.Seconds;record.temperature = temp;record.humidity = humi;// 写入Flash存储flash_write_record(&record);// 每10分钟记录一次vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(600000));}
}

3. 人机交互：添加LCD显示屏，显示实时数据和历史趋势

// LCD显示任务
void lcd_display_task(void *param) {while (1) {// 获取当前温湿度xSemaphoreTake(mutex_hdl, portMAX_DELAY);unsigned char temp = g_temp;unsigned char humi = g_humi;xSemaphoreGive(mutex_hdl);// 清屏LCD_Clear(BLACK);// 显示时间RTC_TimeTypeDef time;HAL_RTC_GetTime(&hrtc, &time, RTC_FORMAT_BIN);char time_str[20];sprintf(time_str, "%02d:%02d:%02d", time.Hours, time.Minutes, time.Seconds);LCD_ShowString(10, 10, time_str, WHITE);// 显示温湿度char temp_str[20], humi_str[20];sprintf(temp_str, "温度: %u°C", temp);sprintf(humi_str, "湿度: %u%%", humi);LCD_ShowString(10, 40, temp_str, temp >= 30 ? RED : GREEN);LCD_ShowString(10, 70, humi_str, WHITE);// 刷新频率1HzvTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(1000));}
}

八、总结与进阶学习路径

通过本项目，我们实现了一个基于FreeRTOS的温湿度监测系统，涵盖了以下关键技术点：

1. FreeRTOS任务创建与调度
2. 软件定时器的应用
3. 任务间通信(队列、事件标志组)
4. 资源保护(互斥信号量)
5. 外设控制(按键、LED、温湿度传感器)

这些知识点是嵌入式系统开发的基础，掌握了这些，你就能开发更复杂的嵌入式应用。

进阶学习方向

1. RTOS进阶：深入学习FreeRTOS内核原理、内存管理和调度算法
2. 通信协议：掌握I2C、SPI、UART等常用通信协议
3. 网络开发：学习TCP/IP协议栈，实现物联网应用
4. 功耗优化：深入了解低功耗设计技术
5. 系统安全：嵌入式系统安全防护措施

实践项目推荐

1. 智能家居控制器：整合多种传感器和执行器
2. 便携式数据记录仪：添加存储和显示功能
3. 物联网终端：实现设备联网和远程控制

通过不断学习和实践，你将能够掌握嵌入式系统开发的核心技能，为未来的智能硬件开发奠定坚实基础！

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希望这篇教程对你有所帮助！如有疑问，欢迎在评论区留言交流~