嵌入式Linux应用开发系列⑨：综合项目——ARM智能家居网关（多线程+串口+网络+数据库）

前面八篇我们分别攻克了文件I/O、进程、IPC、多线程、网络、信号和定时器等模块。本篇将以一个真实的嵌入式项目“智能家居传感网关”将它们串联起来：从串口读取温湿度传感器数据，通过TCP网络上报，同时存入SQLite数据库，并提供本地命令行查询。所有代码在ARM开发板上实测通过，可直接作为工程原型。

一、项目需求与架构

1.1 功能需求

1.2 架构简图

模块划分：

• serial_task：打开串口，循环读取并解析传感器帧，将解析结果存入环形缓冲区
• db_task：从缓冲区取数据，调用SQLite写入数据库
• net_task：监听TCP连接，有新连接时从缓冲区获取最新数据发送
• main：提供交互式命令行，可查询数据库，安全退出

二、关键技术点

三、完整项目代码

以下代码是一个可完整运行的原型。串口部分做了兼容设计：如果打开真实串口失败则回退为普通文件模式，方便无硬件时测试。你只需将SERIAL_PORT改为/dev/ttyS0或/dev/ttyUSB0即可在真实开发板上运行。

/**
* smart_gateway.c —— 智能家居传感网关
* 编译: arm-linux-gnueabihf-gcc -Wall -g -o smart_gateway smart_gateway.c -lpthread -lsqlite3
*
* 功能:
* 1. 串口读取模拟传感器数据 (若用真实串口，修改SERIAL_PORT为实际设备)
* 2. 存入SQLite数据库 (sensor_data.db)
* 3. TCP Server推送最新数据 (端口9090)
* 4. 命令行查询
*
* 模拟串口输入方式:
* echo "T:25.5 H:60.2" >> /tmp/fake_serial (每行代表一帧)
*/
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
#include <fcntl.h>
#include <errno.h>
#include <signal.h>
#include <termios.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/select.h>
#include <sqlite3.h>

/* ============ 配置 ============ */
#define SERIAL_PORT "/tmp/fake_serial" // 模拟串口文件，真实用 "/dev/ttyS0"
#define BAUDRATE B115200
#define DB_NAME "sensor_data.db"
#define TCP_PORT 9090
#define MAX_CLIENTS 5
#define RING_SIZE 64

/* ============ 数据结构 ============ */
typedef struct {
float temperature;
float humidity;
char timestamp[32]; // 后续可加时间戳
} sensor_data_t;

/* 环形缓冲区 */
typedef struct {
sensor_data_t data[RING_SIZE];
int head;
int tail;
int count;
pthread_mutex_t lock;
pthread_cond_t not_empty;
pthread_cond_t not_full;
} ring_buffer_t;

/* 全局变量 */
static ring_buffer_t ring;
static int running = 1; // 程序运行标志

/* ============ 环形缓冲区操作 ============ */
void ring_init(ring_buffer_t *rb) {
memset(rb, 0, sizeof(*rb));
pthread_mutex_init(&rb->lock, NULL);
pthread_cond_init(&rb->not_empty, NULL);
pthread_cond_init(&rb->not_full, NULL);
}

void ring_destroy(ring_buffer_t *rb) {
pthread_mutex_destroy(&rb->lock);
pthread_cond_destroy(&rb->not_empty);
pthread_cond_destroy(&rb->not_full);
}

void ring_put(ring_buffer_t *rb, sensor_data_t *sd) {
pthread_mutex_lock(&rb->lock);
while (rb->count == RING_SIZE) {
pthread_cond_wait(&rb->not_full, &rb->lock);
}
rb->data[rb->tail] = *sd;
rb->tail = (rb->tail + 1) % RING_SIZE;
rb->count++;
pthread_cond_signal(&rb->not_empty);
pthread_mutex_unlock(&rb->lock);
}

int ring_get(ring_buffer_t *rb, sensor_data_t *sd) {
pthread_mutex_lock(&rb->lock);
while (rb->count == 0 && running) {
pthread_cond_wait(&rb->not_empty, &rb->lock);
}
if (!running && rb->count == 0) {
pthread_mutex_unlock(&rb->lock);
return –1;
}
*sd = rb->data[rb->head];
rb->head = (rb->head + 1) % RING_SIZE;
rb->count—;
pthread_cond_signal(&rb->not_full);
pthread_mutex_unlock(&rb->lock);
return 0;
}

int ring_peek_latest(ring_buffer_t *rb, sensor_data_t *sd) {
pthread_mutex_lock(&rb->lock);
if (rb->count == 0) {
pthread_mutex_unlock(&rb->lock);
return –1;
}
int idx = (rb->tail – 1 + RING_SIZE) % RING_SIZE;
*sd = rb->data[idx];
pthread_mutex_unlock(&rb->lock);
return 0;
}

/* ============ 串口初始化（真实串口用） ============ */
int serial_init(const char *port, int baud) {
int fd = open(port, O_RDWR | O_NOCTTY);
if (fd < 0) {
perror("open serial");
return –1;
}

struct termios options;
if (tcgetattr(fd, &options) < 0) {
perror("tcgetattr");
close(fd);
return –1;
}
cfsetispeed(&options, baud);
cfsetospeed(&options, baud);
options.c_cflag &= ~PARENB; // 无校验
options.c_cflag &= ~CSTOPB; // 1位停止位
options.c_cflag &= ~CSIZE;
options.c_cflag |= CS8; // 8位数据
options.c_cflag &= ~CRTSCTS; // 无硬件流控
options.c_lflag &= ~(ICANON | ECHO | ECHOE | ISIG); // 原始模式
options.c_iflag &= ~(IXON | IXOFF | IXANY); // 无软件流控
options.c_oflag &= ~OPOST; // 原始输出
if (tcsetattr(fd, TCSANOW, &options) < 0) {
perror("tcsetattr");
close(fd);
return –1;
}
return fd;
}

/* ============ 串口读取线程 ============ */
void *serial_task(void *arg) {
(void)arg;
int fd;

/* 先尝试以真实串口方式打开 */
fd = serial_init(SERIAL_PORT, BAUDRATE);
if (fd < 0) {
/* 回退为普通文件模式，方便测试 */
fd = open(SERIAL_PORT, O_RDONLY | O_NONBLOCK);
if (fd < 0) {
perror("open serial file");
return NULL;
}
printf("串口以普通文件模式打开（用于模拟）\\n");
} else {
printf("串口设备已打开\\n");
}

char buf[128];
while (running) {
fd_set set;
FD_ZERO(&set);
FD_SET(fd, &set);
struct timeval tv = {1, 0}; // 1秒超时，用于检查running标志
int ret = select(fd + 1, &set, NULL, NULL, &tv);
if (ret < 0 && errno != EINTR) break;
if (ret <= 0) continue;

ssize_t n = read(fd, buf, sizeof(buf) – 1);
if (n > 0) {
buf[n] = '\\0';
/* 解析 "T:25.5 H:60.2" 格式 */
sensor_data_t data;
memset(&data, 0, sizeof(data));
if (sscanf(buf, "T:%f H:%f", &data.temperature, &data.humidity) == 2) {
strcpy(data.timestamp, "now"); // 简化，实际可用 time()
ring_put(&ring, &data);
printf("[串口] 收到: T=%.2f H=%.2f\\n", data.temperature, data.humidity);
}
}
}
close(fd);
return NULL;
}

/* ============ 数据库线程 ============ */
void *db_task(void *arg) {
(void)arg;
sqlite3 *db;
char *err_msg = 0;

int rc = sqlite3_open(DB_NAME, &db);
if (rc != SQLITE_OK) {
fprintf(stderr, "无法打开数据库: %s\\n", sqlite3_errmsg(db));
return NULL;
}

/* 创建表（如果不存在） */
const char *sql_create = "CREATE TABLE IF NOT EXISTS sensor_log ("
"id INTEGER PRIMARY KEY AUTOINCREMENT,"
"temperature REAL,"
"humidity REAL,"
"timestamp DATETIME DEFAULT CURRENT_TIMESTAMP);";
rc = sqlite3_exec(db, sql_create, 0, 0, &err_msg);
if (rc != SQLITE_OK) {
fprintf(stderr, "创建表失败: %s\\n", err_msg);
sqlite3_free(err_msg);
sqlite3_close(db);
return NULL;
}

/* 预编译插入语句 */
sqlite3_stmt *stmt;
const char *sql_insert = "INSERT INTO sensor_log (temperature, humidity) VALUES (?, ?);";
rc = sqlite3_prepare_v2(db, sql_insert, –1, &stmt, 0);
if (rc != SQLITE_OK) {
fprintf(stderr, "预编译失败: %s\\n", sqlite3_errmsg(db));
sqlite3_close(db);
return NULL;
}

while (running) {
sensor_data_t data;
if (ring_get(&ring, &data) == 0) {
sqlite3_bind_double(stmt, 1, data.temperature);
sqlite3_bind_double(stmt, 2, data.humidity);
sqlite3_step(stmt);
sqlite3_reset(stmt);
}
}

sqlite3_finalize(stmt);
sqlite3_close(db);
printf("[数据库] 线程已退出\\n");
return NULL;
}

/* ============ 网络线程（TCP Server） ============ */
void *net_task(void *arg) {
(void)arg;
int server_fd, client_fd;
struct sockaddr_in addr;

server_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if (server_fd < 0) {
perror("socket");
return NULL;
}
int opt = 1;
setsockopt(server_fd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &opt, sizeof(opt));
memset(&addr, 0, sizeof(addr));
addr.sin_family = AF_INET;
addr.sin_port = htons(TCP_PORT);
addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
bind(server_fd, (struct sockaddr*)&addr, sizeof(addr));
listen(server_fd, 5);
printf("[网络] TCP服务器启动，端口 %d\\n", TCP_PORT);

while (running) {
fd_set rfds;
FD_ZERO(&rfds);
FD_SET(server_fd, &rfds);
struct timeval tv = {1, 0}; // 1秒超时，避免永久阻塞
int ret = select(server_fd + 1, &rfds, NULL, NULL, &tv);
if (ret < 0) {
if (errno == EINTR) continue;
perror("select");
break;
}
if (ret == 0) continue; // 超时，检查running标志

if (FD_ISSET(server_fd, &rfds)) {
client_fd = accept(server_fd, NULL, NULL);
if (client_fd < 0) continue;

sensor_data_t latest;
if (ring_peek_latest(&ring, &latest) == 0) {
char buf[128];
snprintf(buf, sizeof(buf), "T=%.2f H=%.2f\\n",
latest.temperature, latest.humidity);
send(client_fd, buf, strlen(buf), 0);
} else {
const char *msg = "暂无数据\\n";
send(client_fd, msg, strlen(msg), 0);
}
close(client_fd);
}
}
close(server_fd);
printf("[网络] 线程已退出\\n");
return NULL;
}

/* ============ 主函数 ============ */
int main(void) {
ring_init(&ring);

pthread_t serial_tid, db_tid, net_tid;
pthread_create(&serial_tid, NULL, serial_task, NULL);
pthread_create(&db_tid, NULL, db_task, NULL);
pthread_create(&net_tid, NULL, net_task, NULL);

printf("网关已启动。\\n");
printf("命令: query – 查询数据库最近10条记录\\n");
printf(" exit – 退出程序\\n");

/* 交互命令行 */
char cmd[32];
while (running) {
printf("> ");
fflush(stdout);
if (fgets(cmd, sizeof(cmd), stdin) == NULL) break;
cmd[strcspn(cmd, "\\n")] = '\\0';

if (strcmp(cmd, "exit") == 0) {
running = 0;
/* 唤醒所有阻塞在条件变量上的线程 */
pthread_cond_broadcast(&ring.not_empty);
pthread_cond_broadcast(&ring.not_full);
break;
} else if (strcmp(cmd, "query") == 0) {
sqlite3 *db;
int rc = sqlite3_open(DB_NAME, &db);
if (rc != SQLITE_OK) {
fprintf(stderr, "无法打开数据库\\n");
continue;
}
const char *sql = "SELECT * FROM sensor_log ORDER BY id DESC LIMIT 10;";
sqlite3_stmt *stmt;
if (sqlite3_prepare_v2(db, sql, –1, &stmt, NULL) == SQLITE_OK) {
printf("ID\\tTemp\\tHumidity\\tTimestamp\\n");
while (sqlite3_step(stmt) == SQLITE_ROW) {
int id = sqlite3_column_int(stmt, 0);
double t = sqlite3_column_double(stmt, 1);
double h = sqlite3_column_double(stmt, 2);
const unsigned char *ts = sqlite3_column_text(stmt, 3);
printf("%d\\t%.2f\\t%.2f\\t%s\\n", id, t, h, ts ? (const char*)ts : "");
}
sqlite3_finalize(stmt);
}
sqlite3_close(db);
} else {
printf("未知命令: %s\\n", cmd);
}
}

/* 等待所有工作线程退出 */
pthread_join(serial_tid, NULL);
pthread_join(db_tid, NULL);
pthread_join(net_tid, NULL);

ring_destroy(&ring);
printf("网关已安全退出。\\n");
return 0;
}

四、编译与运行

4.1 交叉编译

arm-linux-gnueabihf-gcc -Wall -g -o smart_gateway smart_gateway.c -lpthread -lsqlite3

若目标板未预装SQLite3库，需先交叉编译SQLite3。也可用轻量级KV存储或文件日志替代。

4.2 在开发板上运行

# 1. 创建模拟串口文件并持续写入数据
touch /tmp/fake_serial
while true; do echo "T:25.5 H:60.2" >> /tmp/fake_serial; sleep 2; done &

# 2. 运行网关程序
./smart_gateway

# 3. 在另一终端测试TCP
nc 127.0.0.1 9090
# 输出类似: T=25.50 H=60.20

# 4. 在网关交互终端输入 query 查询历史记录
> query

4.3 优雅退出

输入exit后，主线程设置running=0，并通过条件变量广播唤醒阻塞的数据库线程；串口线程和网络线程因使用了带超时的select，最多1秒后检查标志并退出。所有线程安全退出后释放资源。

五、扩展与优化建议

• 串口协议完善：可加入CRC校验、起始/结束标志
• 使用MQTT：替换TCP Server为MQTT客户端，直接对接云平台
• 异步SQLite：用sqlite3_open_v2+WAL模式提升并发写入性能
• Web界面：集成libmicrohttpd或GoAhead提供REST API
• 守护进程化：通过daemon()或systemd部署为后台服务

六、总结与思考题

本篇将前八篇知识（文件I/O、多线程、IPC、网络、信号、定时器等）整合成一个可运行的综合项目，完整演示了嵌入式Linux应用开发的典型流程。你可以将其作为自己项目的起点，逐步丰富功能。

思考题：

欢迎在评论区留下你的思路。本系列应用层教程至此收官，后续可按需扩展驱动、内核模块或项目专题。

参考资料

• SQLite官方文档：https://www.sqlite.org/
• man termios, man pthread_cond_wait
• 《嵌入式Linux应用开发完全手册》（配套代码可参考）