FreeRTOS_API模块综合应用篇（八）

一、提要

在前面的章节，我已经介绍过了FreeRTOS系统的队列、信号量、事件标志组、互斥锁、软件定时器等这几大API知识模块。

接下来，我将把这几大核心的API知识模块通过一个全面的、典型的应用场景，把他们全部串联联系起来，让大家能在自己的项目中更加协调熟练的使用这些API函数模块。

二、场景介绍

场景需求概述

• 功能1：周期性采集温湿度、光照数据（1 秒一次），并在 LCD 显示；

• 功能2：支持用户按键操作：短按（<1 秒）触发即时数据上传，长按（≥1 秒）触发低功耗模式；

• 功能3：数据上传到服务器时，需检测超时（3 秒未收到应答则重传，最多 3 次）；

• 功能4：无任何操作（包括按键和数据上传）5 分钟后，自动进入休眠（关闭 LCD、暂停采集）。

我们可以设计一个"智能环境监测终端"的典型场景,同时也是为了后文的第四部分的“智能环境监测终端_FreeRTOS例程”的解释做铺垫。

三、智能环境监测终端_软件架构_文字说明

注：如果读者对互斥锁、软件定时器等这些API知识模块比较熟悉的话，也可以先跳到第四部分先粗看一遍代码，先对例程的结构有初步的认识，再看文字说明，效果会更好（以看代码为主，看文字为辅）。

3.1 整体架构

注：IPC机制其实就是队列、信号量、事件标志组等这些衔接任务之间通信的操作

3.2 功能1实现：周期性数据采集流程（队列 + 周期性定时器）

细节：

• 定时器用xTimerCreate("采集定时器", pdMS_TO_TICKS(1000), pdTRUE, ...)创建，回调中读取传感器数据（轻量操作），通过xQueueSend将数据（温湿度、光照）写入队列；

• 采集任务阻塞等待队列（xQueueReceive），收到数据后更新 LCD 显示（复杂操作放任务，避免阻塞定时器服务）

总结：创建周期性定时器，在定时器回调函数每隔1s读传感器数据，然后将数据发送给队列。采集任务接收到队列的数据之后，进行滤波、计算等复杂操作，然后进行LCD显示。

3.3 功能2实现：按键交互处理流程（信号量 + 事件组 + 一次性定时器）

• 细节：

  • 按键按下时，中断服务函数通过xEventGroupSetBitsFromISR设置 “按键按下” 标志（bit0），交互任务（xEventGroupWaitBits）检测到后启动 “长按检测定时器”（1 秒一次性）；

  • 若 1 秒内按键松开（中断设 “按键松开” 标志 bit1），交互任务停止长按定时器，通过xSemaphoreGive释放 “即时上传” 信号量，上传任务被唤醒执行一次上传；

  • 若 1 秒内未松开，长按定时器回调触发 “低功耗模式”（通知系统任务）。

总结：创建一次性定时器，回调函数实现按键扫描（和定时器按键同理）。当按键短按（不超过1s时），回调函数触发短按标志位释放信号量，释放信号量之后交互任务获得信号量

3.4 功能3实现：数据上传超时重传流程（一次性定时器 + 互斥锁）

• 细节：

  • 上传任务发送数据后，用xTimerStart启动 “3 秒超时定时器”；

  • 若收到服务器应答，上传任务调用xTimerStop停止定时器；

  • 若超时未应答，定时器回调通过互斥锁（xSemaphoreTake）保护重传计数，计数≤3 则触发重传（通知上传任务），否则记录失败日志。

3.5 功能4实现：无操作休眠控制流程（一次性定时器 + 任务挂起 / 恢复）

• 细节：

  • 系统任务监听所有操作事件（采集、按键、上传），任一事件发生时调用xTimerReset重置 “5 分钟休眠定时器”（刷新计时）；

  • 若 5 分钟无任何操作，定时器回调通过vTaskSuspend挂起采集、上传、交互任务，关闭外设进入低功耗；

  • 低功耗中按键按下（中断），系统任务调用vTaskResume恢复所有任务，重置休眠定时器。

四、 智能环境监测终端_FreeRTOS例程

定义结构体变量

#include "FreeRTOS.h"
#include "task.h"
#include "queue.h"
#include "semphr.h"
#include "event_groups.h"
#include "timers.h"// -------------------------- 全局句柄定义 --------------------------
// 队列：传递传感器数据（温度+湿度）
QueueHandle_t xSensorQueue;
// 信号量：触发数据上传
SemaphoreHandle_t xUploadSem;
// 事件标志组：按键状态（bit0=按下，bit1=松开）
EventGroupHandle_t xKeyEvents;
// 互斥锁：保护重传计数
SemaphoreHandle_t xRetryMutex;
// 定时器句柄
TimerHandle_t xCollectTimer;   // 采集定时器（1秒周期）
TimerHandle_t xLongPressTimer; // 长按检测定时器（1秒一次性）
TimerHandle_t xUploadTimer;    // 上传超时定时器（3秒一次性）
TimerHandle_t xSleepTimer;     // 休眠定时器（5秒一次性）
// 任务句柄（用于休眠时挂起）
TaskHandle_t xCollectTaskHandle, xUploadTaskHandle, xKeyTaskHandle;int retryCnt = 0;//触发重传计数
// -------------------------- 模拟硬件函数 --------------------------
BaseType_t simWifiSend(float temp, float humi)// 模拟WiFi发送数据（随机返回是否成功）
{static int cnt = 0;cnt++;return (cnt % 2 == 0) ? pdTRUE : pdFALSE; // 模拟50%成功率
}

为了方便大家理解，我用简单的cnt计数来模拟wifi传数据的功能

创建四个软件定时器回调函数

// -------------------------- 定时器回调函数 --------------------------
// 1. 采集定时器回调（1s周期）：读传感器→发队列
void vCollectTimerCb(TimerHandle_t xTimer)
{struct {float temp; float humi;}Sensor;simSensorRead(&Sensor.temp, &Sensor.humi);//模拟读取温湿度// 发送数据到队列（不阻塞，失败忽略）xQueueSend(xSensorQueue,&Sensor, 0);
}// 2. 长按检测定时器回调（1s一次性）：触发长按逻辑
void vLongPressTimerCb(TimerHandle_t xTimer)
{printf("检测到长按→进入休眠\r\n");// 挂起核心任务vTaskSuspend(xCollectTaskHandle);vTaskSuspend(xUploadTaskHandle);vTaskSuspend(xKeyTaskHandle);
}// 3. 上传超时定时器回调（3s一次性）：处理重传
void vUploadTimerCb(TimerHandle_t xTimer)
{xSemaphoreTake(xRetryMutex, portMAX_DELAY); // 保护重传计数（获取互斥锁）if (retryCnt < 3){retryCnt++;printf("上传超时→第%d次重传\r\n", retryCnt);xSemaphoreGive(xUploadSem); // 触发重传}else{retryCnt = 0;printf("重传次数耗尽→上传失败\r\n");}xSemaphoreGive(xRetryMutex);//释放互斥锁
}// 4. 休眠定时器回调（一次性）：无操作超时休眠
void vSleepTimerCb(TimerHandle_t xTimer)
{printf("5秒无操作→自动休眠\r\n");// 挂起核心任务vTaskSuspend(xCollectTaskHandle);vTaskSuspend(xUploadTaskHandle);vTaskSuspend(xKeyTaskHandle);
}

在长按检测定时器回调中，由于后续的上传任务也使用到了retryCnt变量，所以我们需要使用互斥锁，来保护我们的共享资源retryCnt变量

创建三个任务

4.1 三个任务运行的时间线

前提：任务优先级与初始状态

• 优先级：上传任务（3）> 按键任务（2）> 采集任务（1）（高优先级任务可抢占低优先级任务）。
• 初始状态：系统启动后，三个任务均进入 while(1) 循环，但因等待资源（队列 / 信号量 / 事件组）而阻塞（不占用 CPU）：
  • 采集任务：阻塞等待 xSensorQueue 有数据。
  • 按键任务：阻塞等待 xKeyEvents 事件组有按键标志。
  • 上传任务：阻塞等待 xUploadSem 信号量被释放。

一、系统启动初期（0~1 秒）：无操作，仅初始化

1. 0ms：main 函数完成初始化，启动调度器。三个任务创建后立即进入阻塞态（因无资源触发）。
2. 0ms：采集定时器（1 秒周期）和休眠定时器（5 秒一次性）启动，开始倒计时。

二、正常采集阶段（1 秒后，无按键操作）：采集任务周期性运行

1. 1000ms：采集定时器超时，触发回调函数 vCollectTimerCb：

   • 读取模拟温湿度，向 xSensorQueue 发送数据（队列从空→有数据）。
   • 此时，采集任务因队列有数据被唤醒（从阻塞态→就绪态）。

2. 1000ms~1010ms：采集任务运行：

   • 从队列取数据，调用 simLcdShow 显示（如 “显示：温度 = 25.1℃，湿度 = 59.9%”）。
   • 调用 xTimerReset(xSleepTimer, 0) 重置休眠定时器（重新开始 5 秒倒计时，避免休眠）。
   • 显示完成后，采集任务再次阻塞等待队列（因队列已空）。

3. 2000ms、3000ms...：重复步骤 1~2，每 1 秒触发一次采集→显示→阻塞，形成周期性运行。

   • 此阶段无其他任务干扰（按键任务和上传任务始终阻塞），CPU 主要被采集任务短时占用（显示操作）。

三、短按触发上传阶段（假设有按键操作，且按下时间 < 1 秒）：高优先级任务抢占

假设在 3500ms 时发生短按（按下→松开，间隔 500ms）：

1. 3500ms：模拟按键按下（调用 simKeyPress）：

   • 中断中设置 xKeyEvents 的 bit0（按下标志），按键任务因事件组有标志被唤醒（从阻塞态→就绪态）。
   • 因按键任务优先级（2）> 采集任务（1），若此时采集任务正在运行（如 3000ms 时的显示），会被按键任务抢占（采集任务暂停，按键任务立即执行）。

2. 3500ms~3510ms：按键任务运行：

   • 检测到 bit0（按下），调用 xTimerStart(xLongPressTimer, 0) 启动长按定时器（1 秒一次性，开始倒计时）。
   • 处理完成后，按键任务再次阻塞等待事件组。

3. 4000ms：模拟按键松开（调用 simKeyRelease）：

   • 中断中设置 xKeyEvents 的 bit1（松开标志），按键任务再次被唤醒。

4. 4000ms~4010ms：按键任务运行：

   • 检测到 bit1（松开），调用 xTimerIsTimerActive(xLongPressTimer) 检查：此时长按定时器仅运行了 500ms（未超时），返回 pdTRUE。
   • 调用 xTimerStop(xLongPressTimer, 0) 停止长按定时器（避免误判为长按）。
   • 调用 xSemaphoreGive(xUploadSem) 释放上传信号量，上传任务因信号量被唤醒（从阻塞态→就绪态）。
   • 调用 xTimerReset(xSleepTimer, 0) 重置休眠定时器（重新 5 秒倒计时）。
   • 处理完成后，按键任务再次阻塞。

5. 4010ms~4030ms：上传任务运行（抢占按键任务）：

   • 因上传任务优先级（3）> 按键任务（2），立即抢占 CPU。
   • 从队列取最新数据（如温度 25.4℃，湿度 59.6%），调用 simWifiSend 模拟上传。
   • 若上传成功（50% 概率）：调用 xTimerStop(xUploadTimer, 0) 停止超时定时器，打印 “上传成功”。
   • 若上传失败：调用 xTimerStart(xUploadTimer, 0) 启动 3 秒超时定时器（准备重传）。
   • 调用 xTimerReset(xSleepTimer, 0) 重置休眠定时器。
   • 处理完成后，上传任务再次阻塞等待信号量。

6. 4030ms 后：系统回到正常采集阶段，每 1 秒采集显示一次。

四、长按触发休眠阶段（假设有按键操作，且按下时间≥1 秒）：任务被挂起

假设在 6000ms 时发生长按（按下后保持 1.5 秒再松开）：

1. 6000ms：按键按下，触发 simKeyPress→按键任务被唤醒，启动长按定时器（1 秒倒计时）。

2. 7000ms：长按定时器超时（按下已 1 秒），触发回调 vLongPressTimerCb：

   • 打印 “检测到长按→进入休眠”，调用 vTaskSuspend 依次挂起采集任务、上传任务、按键任务。
   • 此时三个任务均进入挂起态（停止运行，需 vTaskResume 恢复），系统 “休眠”。

3. 7500ms：按键松开（调用 simKeyRelease），但因按键任务已被挂起，事件组标志无人处理，无任何反应。

五、无操作休眠阶段（5 秒内无任何操作）：任务自动挂起

假设从 10000ms 开始，无采集（实际采集仍在进行，但采集属于 “系统操作”？不，采集是系统自动操作，会重置休眠定时器，这里假设极端情况：采集定时器被意外停止，仅举例）：

1. 10000ms：最后一次操作（如采集显示）完成，休眠定时器开始 5 秒倒计时。

2. 15000ms：休眠定时器超时，触发回调 vSleepTimerCb：

   打印 “5 秒无操作→自动休眠”，挂起三个核心任务，系统进入休眠态。

// 1. 采集任务：从队列取数据→显示
void vCollectTask(void *pvParam)
{struct {float t; float h;} data;while (1){//阻塞等待队列数据xQueueReceive(xSensorQueue, &data, portMAX_DELAY);LCDShow(data.t, data.h);//用LCD显示屏显示温度，湿度数据// 有操作→重置休眠定时器xTimerReset(xSleepTimer, 0);}
}// 2. 交互任务：处理按键事件（短按/长按）
void vKeyTask(void *pvParam)
{EventBits_t xBits;while (1){// 等待按键按下（bit0）或松开（bit1）xBits = xEventGroupWaitBits(xKeyEvents,(1 << 0) | (1 << 1), // 等待的标志位pdTRUE,               // 清除标志位pdFALSE,              // 任意标志满足portMAX_DELAY);if (xBits & (1 << 0)) // 按键按下{printf("按键按下→启动长按检测\r\n");xTimerStart(xLongPressTimer, 0); // 启动1秒定时器}else if (xBits & (1 << 1)) // 按键松开{printf("按键松开→停止长按检测\r\n");// 若长按定时器未触发（1秒内松开）→ 短按if (xTimerIsTimerActive(xLongPressTimer))//判断是否超时{// 若1秒内松开→短按，触发上传xTimerStop(xLongPressTimer, 0);// 停止定时器xSemaphoreGive(xUploadSem); // 给信号量：触发上传任务}// 有操作→重置休眠定时器xTimerReset(xSleepTimer, 0);}}
}// 3. 上传任务：等待上传信号→发送数据→处理超时
void vUploadTask(void *pvParam)
{struct {float t; float h;} data;while (1){// 等待上传信号（短按或重传触发）xSemaphoreTake(xUploadSem, portMAX_DELAY);// 从队列取最新数据（非阻塞，取最近的）xQueueReceive(xSensorQueue, &data, 0);printf("开始上传：温度=%.1f，湿度=%.1f\r\n", data.t, data.h);if (simWifiSend(data.t, data.h)){// 发送成功→停止超时定时器xTimerStop(xUploadTimer, 0);printf("上传成功\r\n");//上传成功→重置重传计数xSemaphoreTake(xRetryMutex, portMAX_DELAY);//获取互斥锁retryCnt = 0; xSemaphoreGive(xRetryMutex);//释放互斥锁}else{// 发送失败→启动超时定时器（3秒后重传）xTimerStart(xUploadTimer, 0);}// 有操作→重置休眠定时器xTimerReset(xSleepTimer, 0);}
}

4.2  if (xTimerIsTimerActive(xLongPressTimer))的运行逻辑

我重点说说交互任务中的if (xTimerIsTimerActive(xLongPressTimer))

LongPressTimer 是一个 1 秒一次性定时器（用于检测按键长按），xTimerIsTimerActive(xLongPressTimer) 的作用是 区分 “短按” 和 “长按”：

• 当按键松开时，调用 xTimerIsTimerActive(xLongPressTimer) 检查：

  • 若返回 pdTRUE：说明定时器仍在活动（1 秒倒计时未结束）→ 按键按下时间 <1 秒 → 判定为 “短按”，触发数据上传。

  • 若返回 pdFALSE：说明定时器已超时（1 秒倒计时已结束，且回调已执行）→ 按键按下时间 ≥ 1 秒 → 判定为 “长按”，已触发休眠（无需额外处理）。

main函数

int main(void)
{// 1. 创建IPC组件：队列、信号量、事件组、互斥锁（无依赖，先创建）xSensorQueue = xQueueCreate(5, sizeof(struct {float t; float h;}));// 队列大小5，元素大小为结构体大小xUploadSem = xSemaphoreCreateBinary();// 创建二值信号量（初始空）xKeyEvents = xEventGroupCreate();// 创建事件组xRetryMutex = xSemaphoreCreateMutex();// 创建互斥锁// 2. 创建定时器：指定名称、周期、类型、参数、回调函数xCollectTimer = xTimerCreate("CollectTimer", pdMS_TO_TICKS(1000), pdTRUE, NULL, vCollectTimerCb);xLongPressTimer = xTimerCreate("LongPressTimer", pdMS_TO_TICKS(1000), pdFALSE, NULL, vLongPressTimerCb);xUploadTimer = xTimerCreate("UploadTimer", pdMS_TO_TICKS(3000), pdFALSE, NULL, vUploadTimerCb);xSleepTimer = xTimerCreate("SleepTimer", pdMS_TO_TICKS(5000), pdFALSE, NULL, vSleepTimerCb);// 3. 创建任务：指定任务函数、名称、栈大小（128字，视系统调整）、参数、优先级、任务句柄xTaskCreate(vCollectTask, "CollectTask", 128, NULL, 1, &xCollectTaskHandle);xTaskCreate(vKeyTask, "KeyTask", 128, NULL, 2, &xKeyTaskHandle);xTaskCreate(vUploadTask, "UploadTask", 128, NULL, 3, &xUploadTaskHandle);// 4. 启动定时器：采集定时器（1秒周期）和休眠定时器（5秒无操作）先启动xTimerStart(xCollectTimer, 0);xTimerStart(xSleepTimer, 0); // 启动无操作计时// 启动调度器vTaskStartScheduler();
}