【嵌入式Linux应用开发】温湿度监控系统——多线程与温湿度的获取显示

1. 概述

​ 在前几篇的文章中，我们已经学习了LVGL界面绘制以及paho mqtt的同步客户端和异步客户端的操作，那么本篇就会综合前面的知识，加上Linux系统的多线程以及线程间通信的知识，将LVGL、MQTT、多线程、消息队列这些知识使用起来，形成我们最终的产品。

温湿度监控系统应用开发所有文章

1. 【嵌入式Linux应用开发】移植LVGL到Linux开发板
2. 【嵌入式Linux应用开发】初步移植MQTT到Ubuntu和Linux开发板
3. 【嵌入式Linux应用开发】SquareLine Studio与LVGL模拟器
4. 【嵌入式Linux应用开发】温湿度监控系统——绘制温湿度折线图
5. 【嵌入式Linux应用开发】温湿度监控系统——学习paho mqtt的基本操作
6. 【嵌入式Linux应用开发】温湿度监控系统——多线程与温湿度的获取显示
7. 【嵌入式Linux应用开发】设计温湿度采集MCU子系统

适用开发板

​ 适用于百问网的STM32MP157开发板和IMX6ULL开发板及其对应的屏幕，需要注意的是编译链要对应更改。

• 100ASK_STM32MP157
• 100ASK_IMX6ULL

2. Linux的多线程编程

​ Linux的多线程编程如果要深入使用的话，会涉及到很多的知识，在一个庞大的嵌入式产品中，需要开发者对多线程进行精细化设计，来优化代码提高CPU的执行效率，但是在本次的温湿度监控系统中，我们只需要掌握多线程的创建和退出就好。

​ 我们在Ubuntu的终端输入指令man pthread然后按TAB键自动补齐，可以看到很多关于线程的函数：

比如我们对创建线程的api感兴趣，想知道它的信息，就可以在终端输入指令man pthread_create，然后就看到如下信息：

这里会告诉我们要使用这个函数需要包含什么头文件，函数的每个参数是什么意思，返回值有哪些信息等，我们就可以通过这个说明来学习这个函数的使用，然后再去网上参考别人的使用经验，总结成为自己的学习经验。

2.1 创建线程

​ 前面已经通过man指令查看了pthread_create的用法，我们现在直接写代码来学习。首先在前面创建的工作区间新建一个C源文件pthread_1.c：

book@100ask:~/workspace$ cd /home/book/workspace
book@100ask:~/workspace$ touch pthread_1.c

然后编辑这个C源文件：

• 包含线程头文件

#include 

• 包含C库文件

#include 

• 创建两个线程的入口函数

线程入口函数的形式从创建线程的API参数就可以确定下来

int pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr,
				   void *(*start_routine) (void *), void *arg);

可以看到是void *(*start_routine)(void*)这样的，所以我们的入口函数这样写：

static void *thread1(void *paramater);
static void *thread2(void *paramater)

在入口函数中我们打印一些信息，如下：

printf("Thread 1 running: %d\n", count++);

为了避免打印太快，我们可以加一个延时函数sleep/usleep，我们同样可以使用man指令来学习这两个函数：

• ​ 延时函数

  • sleep：延时x秒

如果我们要使用sleep函数的话这里看不到我们需要哪些头文件，这时候我们就可以用man指令指定章节查看：man 1/2/3 sleep，下图是man 3 sleep的结果：

• usleep：延时x微妙

所以我们需要在C源文件中包含头文件：

#include 

我们可以使两个线程不同时间间隔打印：

static void *thread1(void *paramater)
{
    int count = 0;

    while(1)
    {
        printf("Thread 1 running: %d\n", count++);
        sleep(1);
    }
}

static void *thread2(void *paramater)
{
    int count = 0;

    while(1)
    {
        printf("Thread 2 running: %d\n", count++);
        sleep(2);
    }
}

• 创建线程

  入口函数写好后，我们就可以去创建线程了，我们在main函数中使用pthread_create创建线程：

  • 定义线程句柄

  pthread_t thread1_t;
  pthread_t thread2_t;
  

  • 不设置优先级等属性也不传参创建线程

  int ret = pthread_create(&thread1_t, NULL, thread1, NULL);
  if(ret != 0)
  {
  	printf("Failed to create thread1.\n");
  	return -1;
  }
  
  ret = pthread_create(&thread2_t, NULL, thread1, NULL);
  if(ret != 0)
  {
  	printf("Failed to create thread2.\n");
  	return -1;
  }
  

  所以我们的main函数最终是这样：

  int main(char argc, char* argv)
  {
      pthread_t thread1_t;
      pthread_t thread2_t;
  
      int ret = pthread_create(&thread1_t, NULL, thread1, NULL);
      if(ret != 0)
      {
          printf("Failed to create thread1.\n");
          return -1;
      }
  
      ret = pthread_create(&thread2_t, NULL, thread1, NULL);
      if(ret != 0)
      {
          printf("Failed to create thread2.\n");
          return -1;
      }
  
      while(1)
      {
          sleep(1);
      }
  }
  

  然后使用gcc编译它，需要注意的是编译的时候需要连接线程的库pthread，所以编译的时候要加上-lpthread

  gcc -o pthread_1 pthread_1.c -lpthread
  

  这样就得到了可执行输出文件pthread_1，我们./pthread_1执行后的效果：

  [外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-0wY4dpps-1657596796741)(LinuxApp-6-finishproducts/image-20220704172748831.png)]

  可以按CTRL+C退出程序。

2.2 退出线程

​ 我们使用man指令学习下如何使用线程退出函数：

man pthread_exit

从描述那里可以看到这个函数可以终止调用该函数的线程，即如果我在thread1里面调用了pthread_exit，那么thread1就会被终止，而其它线程继续运行：

static void *thread1(void *paramater)
{
    int retval;
    int count = 0;

    while(1)
    {
        printf("Thread 1 running: %d\n", count++);
        sleep(1);
        if(count==5) pthread_exit(&retval);
    }
}

static void *thread2(void *paramater)
{
    int retval;
    int count = 0;

    while(1)
    {
        printf("Thread 2 running: %d\n", count++);
        sleep(2);
        if(count==3) pthread_exit(&retval);
    }
}

// 在main函数的主循环中加个打印
int main(char argc, char** argv)
{
    int ret = pthread_create(&thread1_t, NULL, thread1, NULL);
    if(ret != 0)
    {
        printf("Failed to create thread1.\n");
        return -1;
    }

    ret = pthread_create(&thread2_t, NULL, thread2, NULL);
    if(ret != 0)
    {
        printf("Failed to create thread2.\n");
        return -1;
    }

    while(1)
    {
        printf("Main>>>\r\n");
        sleep(1);
    }
}

我们这样修改后重新编译执行看下效果：

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-Xdul86C8-1657596796743)(LinuxApp-6-finishproducts/image-20220704174520751.png)]

可以看到线程1执行5此后就没再打印了，线程2打印了3次后就没打印了。

3. Linux的消息队列

​ 对于消息队列的学习我们还是使用man来查询学习，先使用man msg+TAB键自动补齐，看一下有哪些函数：

3.1 获得一个消息队列

​ 获取一个新的消息需要传入key关键字还要设置一个新建的标志msgflg，如果msgflag设置IPC_CREAT，那么不管key值有没有被其它的消息队列占用，都能成功的获取到消息队列，返回该消息队列的ID，如果该消息队列是已创建的则是打开一个已存在的消息队列；如果msgflag设置为ICP_CREAT | IPC_EXCL，那么如果key已经被其他的队列占用的话，是无法获取到该关键字对应的新的消息队列的，返回错误码-1，例如：

int msg_id = msgget(1234, IPC_PRIVATE | IPC_CREAT);
int msg_id1 = msgget(2345, IPC_CREAT | IPC_EXCL);

3.2 发送消息

​ 发送消息队列的API是msgsnd：

int msgsnd(int msqid, const void *msgp, size_t msgsz, int msgflg);

可以看到在手册中msgsnd和msgrcv是一起解释的，对于发送函数msgsnd，需要传入4个参数：

• 消息队列的IDmsgid；

• 发送的消息数据指针msgp；

• 发送的消息数据大小msgsz；

• 发送标志msgflg;

  发送数据指针mgsp它指向的是一个形如：

struct msgbuf{
	long mtype;
	char mtext[1];
};

的结构体，其中mtype必须是一个大于0的值来表示消息类型，这个类型值在后面接收消息的时候可以用到，比如可以让接收方不接收这个类型的消息（搭配msgflg=MSG_EXCEPT使用），也可以让接收方接收到消息队列中第一个类型为msgtyp=mtype的消息，这种情况下就没有队列的先进先出的特性了。

​ 发送的数据大小是msgp中除了mtype的数据大小，而不是整个消息结构体的大小。

​ 发送标志支持如下几种：

• 0：当消息队列满时，msgsnd将会阻塞，直到消息能写进消息队列

• IPC_NOWAIT：如果消息队列满了，新的消息将不会被写入队列

• IPC_NOERROR：若发送的消息大于size字节，则把该消息截断，截断部分将被丢弃，且不通知发送进程

返回值：

• 0：发送消息成功
• -1：发送消息失败，错误码在erorr中

使用示例：

struct msgbuf{
    long mtype;
    char value;
};

struct msgbuf qbuf = {1, 12};
int qmsg = msgget(1234, IPC_CREAT | IPC_PRIVATE);
int ret0 = msgsnd(qmsg, &qbuf.mtype, sizeof(qbuf.value), 0);	// 阻塞发送
int ret1 = msgsnd(qmsg, &qbuf.mtype, sizeof(qbuf.value), IPC_NOWAIT);	// 非阻塞发送
int ret2 = msgsnd(qmsg, &qbuf.mtype, sizeof(qbuf.value), IPC_NOERROR);	// 如果超出截断发送

3.3 接收消息

​ 接收消息的API：

ssize_t msgrcv(int msqid, void *msgp, size_t msgsz, long msgtyp, int msgflg);

参数解释：

参数名称参数释义msqid消息队列的IDmsgp存放消息的指针msgsz指定接收消息的大小msgtyp执行接收消息的类型：0-读取消息队列中第一个数据；>0：读取消息队列中类型为msgtyp的第一个数据；如果msgflg=MSG_EXCEPT，那么队列中和第一个类型不为msgtyp的数据将会被读取；>8)&0xFF; uint8_t humi_value = value&0xFF; lv_slider_set_value(ui_tempSlider, temp_value, LV_ANIM_OFF); lv_slider_set_value(ui_humiSlider, humi_value, LV_ANIM_OFF); lv_chart_set_next_value(ui_chart, temp, temp_value); lv_chart_set_next_value(ui_chart, humi, humi_value); lv_chart_refresh(ui_chart); }

我们对于服务器发送的温湿度格式是：数据=温度*256+湿度，也就是代码中的：

value = (temp_value8)&0xFF;
uint8_t humi_value = value&0xFF;

这个格式读者可以自定义，只要子系统发送以及监测系统解析的时候是同一套格式即可。

更新LVGL的chart和slider的值其实很简单，调用LVGL对应的API即可，如果不熟悉可以百度和查看LVGL的官方文档。

4.2 建立mqtt客户端以及订阅主题

​ 我们需要将mqtt的源码移植到工程里面(前提是已经按照前面的文章将mqtt安装到了ubuntu和Linux开发板)：

book@100ask:~$ cd /home/book/workspace/lvgl_demo
book@100ask:~/workspace/lvgl_demo$ mkdir mqtt
book@100ask:~/workspace/lvgl_demo$ cd mqtt
book@100ask:~/workspace/lvgl_demo/mqtt$ cp -r /home/book/workspace/mqtt/paho.mqtt.c/src ./
book@100ask:~/workspace/lvgl_demo/mqtt$ touch mqtt_iot.h mqtt_iot.c mqtt.mk

​ 这里直接放源码， 登录服务器的链接地址、用户名这些省略，读者自己去阿里云物联网平台建立设备然后填写信息：

// mqtt_iot.h
#ifndef __MQTT_IOT_H__
#define __MQTT_IOT_H__

#include 
#include 
#include 

typedef enum{
    DisconThread,
    PubThread
}Mqtt_Thread;

typedef struct  
{
	long mtype;       /* message type, must be > 0 */
	unsigned int value;    /* message data */
}msgbuf;

int mqtt_disconnect(void);
int mqtt_iot(void);

#endif /* __MQTT_IOT_H__ */

// mqtt_iot.c
#include "mqtt_iot.h"
#include "src/MQTTClient.h"  //需要在系统中提前安装好MQTT，可以参考

#include 
#include 
#include 
#include 

#define ADDRESS     "tcp://${your mqtt server url}:1883" //根据 MQTT 实际主机地址调整
#define CLIENTID    "${your client id}"
#define USERNAME    "${your username}"
#define PASSWORD    "${your password}"
#define QOS 0
#define TIMEOUT 	10000L
#define SUB_TOPIC 	"${your subscribe topic}" 

extern void set_temp_humi_data(unsigned short value);

MQTTClient client;  //定义一个MQTT客户端client
MQTTClient_connectOptions conn_opts = MQTTClient_connectOptions_initializer;

//传递给MQTTClient_setCallbacks的回调函数 消息到达后，调用此回调函数 
int msgarrvd(void *context, char *topicName, int topicLen, MQTTClient_message *message)
{
	printf("Message arrived\n");
	printf(" topic: %s\n", topicName);
	printf(" message: %.*s\n", message->payloadlen, (char*)message->payload);

	unsigned short value = 0;
	unsigned short len = message->payloadlen;
	char *buf = (char*)message->payload;
	for(unsigned short i=0; i