嵌入式安防监控项目———通信协议构建

一、协议设计概述

系统采用分层通信协议设计，用于定义 ZigBee 终端节点与 IMX6ULL 网关之间的数据结构，以及多线程间的同步与通信机制。这些定义统一放置在头文件 data_global.h 中。

二、数据结构定义

2.1 ZigBee 传感器数据结构

typedef struct zigbee_info{
uint8_t head[3]; // 标识位（帧头）
uint8_t type; // 数据类型
float tempature; // 温度值（℃）
float humidity; // 湿度值（%RH）
float tempMin; // 温度最小值（报警阈值）
float tempMax; // 温度最大值（报警阈值）
float humiMin; // 湿度最小值（报警阈值）
float humiMax; // 湿度最大值（报警阈值）
uint32_t reserved[2]; // 预留字段
} zigbee_info_t;

2.2 IMX6ULL 本地采集数据结构

typedef struct imx6ull_info{
uint8_t head[3]; // 标识位（帧头）
uint8_t type; // 数据类型
uint32_t adc; // ADC 采集值（如光强/电位器）
uint16_t gyrox; // 陀螺仪 X 轴值
uint16_t gyroy; // 陀螺仪 Y 轴值
uint16_t gyroz; // 陀螺仪 Z 轴值
uint16_t accx; // 加速度计 X 轴值
uint16_t accy; // 加速度计 Y 轴值
uint16_t accz; // 加速度计 Z 轴值
uint32_t reserved[2]; // 预留字段
} imx6ull_info_t;

2.3 环境数据联合结构

struct env_data{
zigbee_info_t zigbee_data; // ZigBee 传感器数据
imx6ull_info_t imx6ull_data; // 本地采集数据
};

struct env_info_client_addr{
struct env_data monitor_no[MONITOR_NUM]; // 多路监控数据存储
};

三、命令格式设计

3.1 通用指令格式

3.2 平台编号分配

3.3 设备编号与操作编码

3.3.1 LED 设备（设备编号：0x00）

3.3.2 蜂鸣器设备（设备编号：0x10）

3.3.3 风扇设备（设备编号：0x20）

3.3.4 数码管设备（设备编号：0x30）

3.4 命令封装示例

命令 = 平台编号 + 设备编号 + 操作编码

四、进程间通信（IPC）机制

4.1 消息队列

struct msg{
long mtype; // 消息队列接收时的消息类型
long msgtype; // 具体消息类型（1L, 2L, 3L…）
unsigned char mtext[QUEUE_SIZE];// 消息内容缓冲区
};

#define QUEUE_SIZE 36 // 消息队列大小
int msgid; // 消息队列 ID

4.2 消息类型分配

4.3 共享内存

#define MONITOR_NUM 2 // 监控路数
int shmid; // 共享内存 ID

4.4 信号量

int semid; // 信号量 ID，用于进程同步
key_t key; // IPC 键值

五、多线程同步机制

5.1 互斥锁

pthread_mutex_t mutex_client_request; // 客户端请求互斥锁
pthread_mutex_t mutex_client_transfer; // 数据传输互斥锁
pthread_mutex_t mutex_led; // LED 控制互斥锁
pthread_mutex_t mutex_beep; // 蜂鸣器控制互斥锁

5.2 条件变量

pthread_cond_t cond_client_request; // 客户端请求条件变量
pthread_cond_t cond_client_transfer; // 数据传输条件变量
pthread_cond_t cond_led; // LED 控制条件变量
pthread_cond_t cond_beep; // 蜂鸣器控制条件变量

5.3 线程声明

pthread_t thread_led; // LED 控制线程
pthread_t thread_beep; // 蜂鸣器控制线程
pthread_t thread_transfer; // 数据传输线程
pthread_t thread_request; // 请求处理线程
pthread_t thread_refresh; // 数据刷新线程

六、设备文件接口

6.1 设备路径定义

#define LED_DEV "/sys/class/leds/sys-led/brightness" // LED 设备节点
#define BEEP_DEV "/sys/class/leds/beep/brightness" // 蜂鸣器设备节点
#define LIGHT_DEV "/sys/class/misc/ap3216c/als" // 光强传感器节点

6.2 设备控制变量

extern int led_pending; // LED 命令待处理标志
extern unsigned char led_command; // LED 命令参数

extern int beep_pending; // 蜂鸣器命令待处理标志
extern unsigned char beep_command; // 蜂鸣器命令参数

七、协议字段说明

八、头文件完整汇总

#ifndef __DATA_GLOBAL_H__
#define __DATA_GLOBAL_H__

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>
#include <sys/shm.h>
#include <sys/sem.h>
#include <stdint.h>
#include <pthread.h>
#include <signal.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>

// 类型重定义
typedef uint8_t u8;
typedef uint16_t u16;
typedef uint32_t u32;

// 宏定义
#define MONITOR_NUM 2
#define QUEUE_SIZE 36

// 消息类型分配
#define MSG_TYPE_LED 1L
#define MSG_TYPE_BEEP 2L
#define MSG_TYPE_NIXIE 3L
#define MSG_TYPE_FAN 4L
#define MSG_TYPE_THRESHOLD 5L
#define MSG_TYPE_GPRS 10L

// 平台编号
#define PLATFORM_ZIGBEE 0x00
#define PLATFORM_A9 0x40
#define PLATFORM_STM32 0x80
#define PLATFORM_RESERVE 0xC0

// 设备编号
#define DEVICE_LED 0x00
#define DEVICE_BEEP 0x10
#define DEVICE_FAN 0x20
#define DEVICE_NIXIE 0x30

// LED 操作编码
#define LED_ALL_OFF 0x00
#define LED_ALL_ON 0x01
#define LED2_ON 0x02
#define LED3_ON 0x03
#define LED4_ON 0x04
#define LED5_ON 0x05
#define LED_WATERFLOW 0x10

// 蜂鸣器操作编码
#define BEEP_OFF 0x00
#define BEEP_ON 0x01
#define BEEP_ALARM_OFF 0x02
#define BEEP_ALARM_ON 0x03

// 风扇操作编码
#define FAN_OFF 0x00
#define FAN_ON 0x01

// 数据结构定义
typedef struct zigbee_info{
uint8_t head[3];
uint8_t type;
float tempature;
float humidity;
float tempMin;
float tempMax;
float humiMin;
float humiMax;
uint32_t reserved[2];
} zigbee_info_t;

typedef struct imx6ull_info{
uint8_t head[3];
uint8_t type;
uint32_t adc;
uint16_t gyrox;
uint16_t gyroy;
uint16_t gyroz;
uint16_t accx;
uint16_t accy;
uint16_t accz;
uint32_t reserved[2];
} imx6ull_info_t;

struct env_data{
zigbee_info_t zigbee_data;
imx6ull_info_t imx6ull_data;
};

struct env_info_client_addr{
struct env_data monitor_no[MONITOR_NUM];
};

// 消息队列结构体
struct msg{
long mtype;
long msgtype;
unsigned char mtext[QUEUE_SIZE];
};

// 设备路径定义
#define LED_DEV "/sys/class/leds/sys-led/brightness"
#define BEEP_DEV "/sys/class/leds/beep/brightness"
#define LIGHT_DEV "/sys/class/misc/ap3216c/als"

// 全局变量声明
int msgid;
int shmid;
int semid;
key_t key;

extern int led_pending;
extern unsigned char led_command;
extern int beep_pending;
extern unsigned char beep_command;

// 互斥锁
pthread_mutex_t mutex_client_request;
pthread_mutex_t mutex_client_transfer;
pthread_mutex_t mutex_led;
pthread_mutex_t mutex_beep;

// 条件变量
pthread_cond_t cond_client_request;
pthread_cond_t cond_client_transfer;
pthread_cond_t cond_led;
pthread_cond_t cond_beep;

// 线程声明
extern void *beep_pthread(void *arg);
extern void *led_pthread(void *arg);
extern void *pthread_transfer(void *arg);
extern void *pthread_request(void *arg);
extern void *pthread_refresh(void *arg);

#endif // __DATA_GLOBAL_H__