国产ARM/RISCV与OpenHarmony物联网项目(六)SF1节点开发

一、终端节点功能设计

1. 功能说明

终端节点设计的是基于鸿蒙操作系统的 TCP 服务器程序，用于监测空气质量并提供远程控制功能。与之前的光照监测程序相比，这个程序使用 E53_SF1 模块（烟雾 / 气体传感器），主要功能包括：

空气质量监测：通过 MQ2 传感器检测有害气体浓度

自动报警：当气体浓度超过阈值时触发蜂鸣器报警

网络通信：

• 连接 WiFi 网络

• 建立 TCP 服务器监听客户端连接

• 实现自定义消息协议进行数据交换

远程控制：支持三种命令类型：

• 上传数据：返回气体浓度数据

• 控制命令：手动控制蜂鸣器

• 设置命令：调整气体浓度阈值和控制模式

2. 软硬件环境

板卡详细开发说明：OpenHarmony轻量系统--BearPi-Nano开发板网络程序测试

终端节点采用BearPi-HM_Nano开发板

BearPi-HM_Nano开发板是一块专门为HarmonyOS设计的HarmonyOS开发板，板载高度集成的2.4GHz WLAN SoC芯片Hi3861，并板载NFC电路及标准的E53接口，标准的E53接口可扩展智能加湿器、智能台灯、智能安防、智能烟感等案例。

节点项目代码在鸿蒙的lite-os系统源码的sample目录下，完整路径如下：

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

代码工程目录如下，build.gn是编译配置文件，tcp_server_demo.c是主功能程序，E53_SF1.c程序实现节点数据采集功能，wifi_connect.c程序实现wifi网络通信基础功能。

3. 程序运行

程序下载到节点板卡后，通过type-c数据线接电脑，电脑接到板卡对应的串口终端，可看到调试运行信息。

节点串口显示节点分配到的IP地址：

飞腾派网络通信程序通过上述IP地址连接到终端节点：

节点串口显示接收到飞腾派的通信协议数据：

二、程序流程分析与设计

终端节点通过 "传感器数据采集→网络协议交互→自动 / 手动控制" 的闭环逻辑，实现了基于 TCP 协议的远程气体监测与报警系统。传感器数据通过自定义消息协议传输，支持远程设置报警阈值和手动控制报警装置，适用于智能家居或工业环境监测场景。

1. 系统初始化阶段

• 程序启动

系统通过APP_FEATURE_INIT宏自动调用TCPServerDemo函数

TCPServerDemo创建并启动TCPServerTask线程

• 传感器初始化

调用Init_E53_SF1()初始化 E53_SF1 传感器模块

等待 1 秒（usleep(1000000)）后进行传感器校准（MQ2_PPM_Calibration()）

初始化全局变量：gas_max（气体浓度阈值，默认 100）、auto_control（自动控制标志，默认开启）

• 网络初始化

连接 WiFi 网络（SSID: "xxxx"，密码: "xxxx"）

创建 TCP 套接字，绑定到 8888 端口并开始监听

2. 主循环阶段

• 等待客户端连接

调用accept函数阻塞等待客户端连接

连接建立后，获取客户端 IP 地址并打印日志

• 数据采集与命令处理循环

循环执行e53_Task()采集气体浓度数据

调用cmd_proc()处理客户端发送的命令

处理完成后休眠 1 秒，继续下一轮循环

• 连接管理

若cmd_proc()返回非 1 值（如连接断开或错误），退出内层循环

关闭客户端套接字，返回外层循环等待新连接

3. 传感器数据采集与自动控制

• 数据采集

e53_Task()调用Get_MQ2_PPM()获取当前气体浓度

打印气体浓度值到控制台

• 自动控制逻辑

当auto_control为 1 时，进入自动控制模式

比较当前气体浓度与阈值gas_max

若超过阈值，调用Beep_StatusSet(ON)开启蜂鸣器报警

若低于阈值，关闭蜂鸣器

4. 命令处理流程

• 消息接收与解析

接收客户端发送的消息并复制到Message结构体

调用parse_message()验证消息有效性：

• 检查帧头是否为0xAA, 0x55

• 计算并验证校验和

• 根据消息类型执行不同操作

上传数据命令 (0x01)：

• 将当前气体浓度转换为高低字节

• 封装响应消息（节点 ID: 0x02）

控制命令 (0x02)：

• 设置auto_control为 0（关闭自动控制）

• 根据命令参数手动控制蜂鸣器开关

设置命令 (0x03)：

• 设置auto_control为 1（开启自动控制）

• 更新气体浓度阈值gas_max

• 发送响应

调用pack_message()封装响应消息

打印响应消息内容（调试用）

通过sock_fd发送响应到客户端

5. 异常处理

• 连接断开处理

在cmd_proc()中，若recv()返回值小于等于 0，判定为连接断开

退出内层循环，关闭套接字，等待新连接

• 消息解析错误

若parse_message()返回非 0 值，打印错误信息并忽略该消息

继续下一轮循环，等待新消息

三、程序功能分析与设计

1. 初始化与系统任务函数

TCPServerDemo()

功能：创建并启动 TCP 服务器任务线程

实现：

• 配置线程属性（名称、栈大小 10240 字节、优先级）

• 使用osThreadNew创建TCPServerTask线程

调用时机：通过APP_FEATURE_INIT宏在系统启动时自动初始化

TCPServerTask()

功能：TCP 服务器主任务，实现网络连接与数据交互

核心流程：

1. 初始化 E53_SF1 传感器并校准

2. 连接 WiFi 网络

3. 创建 TCP 套接字，绑定端口 8888 并监听连接

4. 循环接受客户端连接，处理数据交互

关键函数调用：Init_E53_SF1()、MQ2_PPM_Calibration()、WifiConnect()、cmd_proc()

2. 传感器数据采集与控制函数

e53_Task()

功能：读取气体传感器数据并实现自动报警控制

核心逻辑：

• 调用Get_MQ2_PPM()获取气体浓度（单位：PPM）

• 若处于自动控制模式（auto_control=1），当浓度超过阈值gas_max时触发蜂鸣器报警

输出：打印气体浓度值到控制台

Init_E53_SF1()

• 功能：初始化 E53_SF1 传感器模块

• 调用时机：在TCPServerTask中服务器启动时执行

MQ2_PPM_Calibration()

功能：校准 MQ2 气体传感器

使用场景：传感器开机后需等待 1 秒（通过usleep(1000000)实现）再校准，确保数据准确性

Beep_StatusSet(Status status)

功能：控制蜂鸣器开关状态

参数：ON（开启）或OFF（关闭）

调用场景：自动报警或手动控制时执行

3. 网络通信与命令处理函数

cmd_proc(int new_fd)

功能：处理客户端命令并返回响应

核心流程：

1. 接收客户端消息并解析Message结构体

2. 验证消息帧头和校验和（通过parse_message）

3. 根据消息类型（msg_type）执行不同操作：

   • 0x01（上传数据）：返回气体浓度的高低字节

   • 0x02（控制命令）：手动控制蜂鸣器

   • 0x03（设置命令）：更新气体浓度阈值gas_max

4. 封装响应消息并发送

关键变量：recvbuf（接收缓冲区）、response（响应消息结构体）

WifiConnect(char *ssid, char *psk)

功能：连接指定 WiFi 网络

参数：WiFi 名称（ssid）和密码（psk）

调用时机：服务器启动时在TCPServerTask中执行

4. 消息协议处理函数

Message结构体

功能：定义通信消息格式

字段说明：

• frame_header[2]：帧头（固定为0xAA, 0x55）

• msg_type：消息类型（上传 / 控制 / 设置）

• node_id：设备节点 ID（本程序中为0x02）

• data_len：数据长度

• data[10]：数据内容

• checksum：校验和（通过异或运算生成）

calculate_checksum(Message *msg)

功能：计算消息校验和

实现：对消息所有字段（除校验和本身）进行异或运算

作用：确保消息传输的完整性

parse_message(Message *msg)

功能：解析并验证消息合法性

验证逻辑：

• 检查帧头是否为0xAA, 0x55

• 计算校验和并与消息中的checksum对比

返回值：0（成功）、-1（帧头错误）、-2（校验和错误）

pack_message(Message *msg, ...)

功能：封装响应消息

参数：消息类型、节点 ID、数据长度及内容

实现：填充消息结构体并计算校验和

调用场景：服务器向客户端返回响应时使用

print_message(Message *msg)

功能：调试时打印消息内容

输出：消息类型、节点 ID、数据长度及数据内容

5. 辅助工具函数

Get_MQ2_PPM()

功能：获取 MQ2 传感器的气体浓度值（单位：PPM）

返回值：浮点型浓度值

closesocket(int sockfd)

功能：关闭套接字连接

调用场景：客户端断开连接时释放资源

6. 函数调用关系总结

启动流程：
APP_FEATURE_INIT → TCPServerDemo → TCPServerTask
↳ Init_E53_SF1 + MQ2_PPM_Calibration（传感器初始化）
↳ WifiConnect（网络连接）

通信循环：
TCPServerTask → accept（等待客户端连接）
↳ e53_Task（定时采集传感器数据）
↳ cmd_proc（处理客户端命令）
↳ pack_message + send（返回响应）

协议处理：
cmd_proc → parse_message（解析请求）
↳ calculate_checksum（校验消息合法性）
↳ pack_message（构造响应）