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基于FreeRTOS的ESP32环境监测系统：利用Arduino框架实现SD卡数据记录与FTP服务器集成(一）_arduino esp32 ftp服务器

作者：天景科技苑 | 2024-07-17 11:36:33

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arduino esp32 ftp服务器

本文档深入剖析一段C++代码，该代码运用FreeRTOS实时操作系统结合Arduino框架，构建了一个高效稳定的ESP32环境监测系统。系统不仅实时采集温度和湿度数据，还将这些数据记录到SD卡中，并通过FTP服务器实现远程访问。以下对代码中体现的FreeRTOS特性及与Arduino框架的融合进行详细解读。
本文所需要的硬件与我的另一篇文章完全一样，请参照ESP32环境下基于SD卡与FTP实现温湿度数据采集与存储
在这里插入图片描述

一、库导入与常量定义

代码导入了FreeRTOS相关库（如freertos/timers.h和freertos/queue.h, 这两个库是ESP32自带的，如果你已经在IDE配置好了ESP32，不用单独安装），与Arduino库（如Arduino.h、SPI.h、DHT.h、WiFi.h等）一同支持ESP32的多任务并发执行及硬件设备交互。常量定义涵盖了Wi-Fi网络配置、FTP登录信息、传感器引脚映射、NTP服务器设置等，为系统运行提供必需的基础配置。

二、全局变量与对象

全局变量和对象中，除了与具体功能相关的DHT、FTPServer对象外，还引入了FreeRTOS的互斥信号量sdCardMutex和environmentDataMutex，以实现对共享资源（如SD卡访问和环境数据更新）的线程安全控制。此外，定义了用于存储环境数据的CSVRecordData结构体和临时存储CSV文件内容的LineBuffer结构体。

三、辅助函数声明

声明的辅助函数充分利用了FreeRTOS提供的线程同步机制，如：

  • printLocalTime()：获取并格式化本地时间字符串。
  • handleWiFiConnection()：采用线程安全的方式建立Wi-Fi连接，包括重试逻辑。
  • initializeSPIAndSD()：初始化SPI接口与SD卡。
  • initializeSystem()：初始化整个系统，包括DHT传感器、互斥信号量及SD卡，遵循FreeRTOS编程规范。
  • setupTasks()：利用FreeRTOS任务调度功能创建并启动环境数据采集、CSV记录写入和文件读取任务。
  • handleFTP()：设置FTP服务器参数并启动服务，与主任务并发运行。
  • syncTime()：借助系统定时器同步系统时间至指定NTP服务器。

四、主函数setup()与循环函数loop()

setup() 函数作为系统初始化入口，遵循Arduino编程风格，执行以下操作：

  1. 初始化串口通信。
  2. 调用initializeSystem()进行系统整体初始化，整合FreeRTOS特性。
  3. 使用FreeRTOS兼容方式连接Wi-Fi网络，打印连接成功后的IP地址。
  4. 创建并启动各FreeRTOS任务，实现多任务并发处理。
  5. 设置并启动FTP服务器，作为独立任务运行。
  6. 使用定时器同步系统时间至NTP服务器，确保时间准确性。

loop() 函数遵循Arduino框架，仅负责处理FTP请求并监控Wi-Fi连接状态。若Wi-Fi连接断开，触发handleWiFiConnection()重新连接，保持网络连通性。

五、核心功能函数与FreeRTOS集成

1. initializeSPIAndSD()

初始化SPI总线（指定SCK、MISO、MOSI和CS引脚）并尝试连接SD卡。遵循标准Arduino流程，同时确保与FreeRTOS任务调度的兼容性。连接失败时输出错误信息，成功则输出连接成功的提示。

2. handleWiFiConnection()

在FreeRTOS环境下尝试连接指定Wi-Fi网络，实现线程安全的重试逻辑。每次尝试之间插入适当延时，并通过.字符输出连接进度。连接成功后，打印Wi-Fi连接状态和本地IP地址，遵循Arduino的简洁反馈原则。

3. setupTasks()

利用FreeRTOS的xTaskCreate()函数创建并启动三个任务：

  • EnvironmentTask：作为实时任务周期性采集环境数据（湿度和温度），利用FreeRTOS任务优先级确保数据采集的实时性。
  • WriteCSVRecordTask：定期检查是否有有效环境数据，若有则通过互斥信号量保护机制将其按照CSV格式写入指定文件（CSV_FILE_PATH）。任务调度确保数据写入与采集任务互不干扰。
  • ReadFileTask：同样作为FreeRTOS任务，定期读取CSV文件内容，通过互斥信号量保护暂存并打印最后MAX_LINES行数据，与其它任务并发执行，提高系统效率。

4. WriteCSVRecordTask()

此FreeRTOS任务在每个周期内检查环境数据的有效性。若数据有效，获取当前本地时间并格式化为字符串，然后锁定SD卡和环境数据互斥信号量，使用FreeRTOS兼容方式打开CSV文件进行追加写入。写入格式为“时间戳,湿度值,温度值”。完成写入后释放互斥信号量，关闭文件，确保操作的原子性。

5. ReadFileTask()

作为FreeRTOS任务，此函数每30秒读取一次CSV文件。锁定SD卡互斥信号量后，按照Arduino文件操作习惯打开文件并逐行读取，将最后MAX_LINES行数据暂存在LineBuffer结构体中。随后释放互斥信号量，打印暂存的行数据，与其它任务并发执行，避免阻塞系统运行。

6. syncTime()

通过配置FreeRTOS定时器，定时触发系统时间与指定NTP服务器同步，确保系统内部时间的准确性和实时性。

总结而言，本代码充分利用FreeRTOS实时操作系统的优势，结合Arduino编程框架的简洁易用性，构建了一套高效、稳定且功能完备的ESP32环境监测系统。系统不仅实现了温度和湿度数据的实时采集、SD卡数据记录，还通过FTP服务器实现了远程访问，所有功能均在FreeRTOS任务调度下并发执行，确保了系统的高响应速度与任务间互不干扰的并发处理能力。

六、源代码与接线方式如下

6.1 源代码

#include <Arduino.h>
/*
  sd Card Interface code for ESP32
  SPI Pins of ESP32 sd card as follows:
  CS    = 23;
  MOSI  = 17;
  MISO  = 2;
  SCK   = 16;
*/

#include <SPI.h>
#include <DHT.h>
#include <WiFi.h>
#include <time.h>
#include <ESP-FTP-Server-Lib.h>
#include <SD.h>
#include <FS.h>
#include <freertos/timers.h>
#include <freertos/queue.h>
#include <string>

// 常量定义
const char *const SSID = "xxx";
const char *const PASSWORD = "xxxxxxxx";
const int MAX_RETRY_COUNT = 5;
int retryCount = 0;
const char *const FTP_USER = "ftp";
const char *const FTP_PASSWORD = "ftp";
const int DHTPIN = 13;
const int DHTTYPE = DHT22;
const int CS = 23;
const int MOSI_PIN = 17;
const int MISO_PIN = 2;
const int SCK_PIN = 16;
const char *ntpServer = "ntp1.aliyun.com";
const long gmtOffset_sec = 8 * 3600;
const int daylightOffset_sec = 0;
const char *const CSV_FILE_PATH = "/record0001.csv";
const size_t MAX_LINES = 3;
const size_t MAX_LINE_LENGTH = 1024;

// 全局变量和对象
DHT dht(DHTPIN, DHTTYPE);
FTPServer ftp;
SPIClass CustomSPI;
SemaphoreHandle_t sdCardMutex;
SemaphoreHandle_t environmentDataMutex;

// 数据结构：CSV记录
typedef struct
{
  float humidity;
  float temperature;
} CSVRecordData;
// 初始化CSV记录
CSVRecordData record;

// 用于存储固定数量的字符串行
struct LineBuffer
{
  std::string lines[MAX_LINES]; // 用于存储字符串行的数组，MAX_LINES定义了最大行数。
  size_t currentLineIndex = 0; // 当前操作的行索引，默认为0，表示数组的起始位置。
};



// 辅助函数声明
String printLocalTime();
void handleWiFiConnection();
void initializeSPIAndSD();
void initializeSystem();
void setupTasks();
void EnvironmentTask(void *pvParameters);
void WriteCSVRecordTask(void *pvParameters);
void ReadFileTask(void *pvParameters);
void handleFTP();
void syncTime();

void setup()
{

  Serial.begin(9600);
  delay(500);
  initializeSystem();
  Serial.println("System initialization complete");
  handleWiFiConnection();
  Serial.println("WiFi connected successfully!");
  Serial.println("IP address: ");
  Serial.println(WiFi.localIP());
  Serial.println("WiFi connection established");
  setupTasks();
  Serial.println("Task initialization complete");
  handleFTP();
  Serial.println("FTP server initialization complete");
  syncTime();
  delay(500);
  Serial.println("Time synchronization completed");
}

void loop()
{
  ftp.handle(); // 处理FTP请求
  // 检查WiFi连接状态，未连接则尝试重新连接
  if (WiFi.status() != WL_CONNECTED)
  {
    handleWiFiConnection();
  }
}

void initializeSPIAndSD()
{
  CustomSPI.begin(SCK_PIN, MISO_PIN, MOSI_PIN, CS);
  delay(500);
  while (!Serial)
  {
    ;
  }

  Serial.println("Initializing sd card...");

  if (!SD.begin(CS, CustomSPI, 1000000))
  {
    Serial.println("initialization failed!");
    return;
  }
  else
  {
    Serial.println("SD card initialization succeeded.");
  }
}
void initializeSystem()
{
  dht.begin();
  sdCardMutex = xSemaphoreCreateMutex(); // 创建互斥锁以用于SD卡访问控制
  environmentDataMutex = xSemaphoreCreateMutex(); // 创建互斥锁以用于环境数据访问控制
  initializeSPIAndSD(); // 初始化SPI和SD卡
}

void handleWiFiConnection()
{

  Serial.println("Connecting to Wi-Fi...");
  WiFi.begin(SSID, PASSWORD);
  delay(1000);
  while (WiFi.status() != WL_CONNECTED && retryCount < 5)
  {
    delay(500);
    Serial.print(".");
    WiFi.begin(SSID, PASSWORD);
    delay(1000);
    retryCount++;
  }
}

void setupTasks()
{
  // 创建名为"EnvironmentTask"的任务，堆栈大小为2048*4字节，优先级为1，不传递参数。
  xTaskCreate(&EnvironmentTask, "EnvironmentTask", 2048 * 4, NULL, 1, NULL);
  delay(500);
  // 创建名为"WriteCSVRecordTask"的任务，堆栈大小为2048*4字节，优先级为2，不传递参数。
  xTaskCreate(&WriteCSVRecordTask, "WriteCSVRecordTask", 2048 * 4, NULL, 2, NULL);
  delay(500);
  // 创建名为"ReadFileTask"的任务，堆栈大小为2048*4字节，优先级为3，不传递参数。
  xTaskCreate(&ReadFileTask, "ReadFileTask", 2048 * 4, NULL, 3, NULL);
}

void WriteCSVRecordTask(void *pvParameters)
{
  File currentFile;
  const char *currentFilePath = CSV_FILE_PATH;
  uint32_t fileSizeThreshold = 10 * 1024; // 1 kB threshold

  while (1)
  {
    // 判断温湿度是否有效
    if (record.humidity != NAN && record.temperature != NAN)
    {
      String localTimeStr = printLocalTime();
      char timeStr[30];
      strcpy(timeStr, localTimeStr.c_str());
      xSemaphoreTake(sdCardMutex, portMAX_DELAY);
      xSemaphoreTake(environmentDataMutex, portMAX_DELAY);

      currentFile = SD.open(currentFilePath, FILE_APPEND);

      if (!currentFile)
      {
        Serial.print("Error opening initial file: ");
        Serial.println(CSV_FILE_PATH);
      }
      else
      {
        Serial.printf("Writing to %s ", currentFilePath);
        currentFile.print(timeStr);
        currentFile.print(",");
        currentFile.print(record.humidity, 2);
        currentFile.print(",");
        currentFile.println(record.temperature, 2);
        currentFile.close();
        Serial.println("completed.");
      }

      xSemaphoreGive(sdCardMutex);
      xSemaphoreGive(environmentDataMutex);
    }
    vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(6000));
  }
}

void ReadFileTask(void *pvParameters)
{
  LineBuffer buffer;

  while (1)
  {
    xSemaphoreTake(sdCardMutex, portMAX_DELAY);
    File currentFile = SD.open(CSV_FILE_PATH);

    if (currentFile)
    {
      Serial.printf("Reading file from %s\n", CSV_FILE_PATH);

      std::string currentLine;
      size_t lineCount = 0;

      while (currentFile.available())
      {
        currentLine = std::string(currentFile.readStringUntil('\n').c_str());
        buffer.lines[buffer.currentLineIndex++] = currentLine;
        buffer.currentLineIndex %= MAX_LINES; // 确保索引在范围内
        lineCount++;
      }

      currentFile.close();
      xSemaphoreGive(sdCardMutex);

      if (lineCount >= MAX_LINES)
      {
        for (size_t i = 0; i < MAX_LINES; ++i)
        {
          Serial.println(buffer.lines[(buffer.currentLineIndex - i + MAX_LINES) % MAX_LINES].c_str()); // Cycle print last MAX_LINES rows
        }
      }
      else
      {
        for (size_t i = 0; i < lineCount; ++i)
        {
          Serial.println(buffer.lines[i % MAX_LINES].c_str()); // Print all content
        }
      }

      Serial.println("Read succeeded");
    }
    else
    {
      char error_msg[64];
      sprintf(error_msg, "error opening %s", CSV_FILE_PATH);
      Serial.println(error_msg);
    }
    vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(30000));
  }
}

// 环境数据采集定时器回调函数
void EnvironmentTask(void *pvParameters)
{
  while (1)
  {
    xSemaphoreTake(environmentDataMutex, portMAX_DELAY);
    if (!isnan(record.humidity) || !isnan(record.temperature))
    {
      record.humidity = dht.readHumidity();
      record.temperature = dht.readTemperature();
    }
    xSemaphoreGive(environmentDataMutex);
    vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(3000));
  }
}

void syncTime()
{
  configTime(gmtOffset_sec, daylightOffset_sec, ntpServer);
}

String printLocalTime()
{
  struct tm timeinfo;
  if (!getLocalTime(&timeinfo))
  {
    Serial.println("Failed to obtain time");
    return "";
  }

  char formattedTimeBuffer[30];                                                                // 为格式化的时间字符串分配足够的缓冲区
  strftime(formattedTimeBuffer, sizeof(formattedTimeBuffer), "%Y-%B-%d  %H:%M:%S", &timeinfo); // 使用 strftime 将 timeinfo 转换为格式化的字符串

  String formattedTime = formattedTimeBuffer; // 将格式化后的字符串复制到 String 对象中
  return formattedTime;
}

void handleFTP()
{
  ftp.addUser(FTP_USER, FTP_PASSWORD); // 添加FTP用户

  ftp.addFilesystem("SD", &SD); // 注册SD卡文件系统

  ftp.begin(); // 启动FTP服务
}

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6.2 如果你是使用的PlatfromIO IDE可以把以下内容复制到你的platformio.ini里

[env:esp32dev]
platform = espressif32
board = esp32dev
framework = arduino
monitor_speed = 9600
lib_deps = 
	adafruit/DHT sensor library@^1.4.6
	adafruit/Adafruit Unified Sensor@^1.1.14
	peterus/ESP-FTP-Server-Lib@^0.14.0

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七、FTP命令行操作

7.1 步骤说明

  1. 打开命令提示符（Windows）或终端（macOS/Linux）。
  2. 输入以下命令连接到 FTP 服务器（请将 IP 地址替换为实际 FTP 服务器的 IP 地址）
  3. 输入用户名（默认为 “ftp”）和密码（默认为 “ftp”）。
  4. 输入 “ls” 或 “dir” 查看文件列表。
  5. 输入 “cd” 命令切换目录，例如 “cd /SD” 进入 “/SD” 目录。
  6. 输入 “lcd” 命令切换本地目录，例如 “lcd E:\temp” 进入 “E:\temp” 目录。
  7. 使用 “get” 或 “recv” 命令从 FTP 服务器下载文件，例如 “get record.csv” 下载 “record.csv” 文件。
  8. 使用 “put” 或 “send” 命令将文件上传到 FTP 服务器，例如 “put local_file.txt” 上传 “local_file.txt” 文件。
  9. 输入 “bye” 或 “quit” 命令退出 FTP 客户端。
  10. 更多命令直接输入"help"来了解

7.2我用如下步骤下载了SD卡中的record.csv到电脑上：

C:\Users\Firmin>ftp 192.168.3.39
连接到 192.168.3.39。
220--- Welcome to FTP Server for ESP32 ---
220---        By Peter Buchegger       ---
220 --           Version 0.1           ---
200 Ok
用户(192.168.3.39:(none)): ftp
331 OK. Password required
密码:
230 OK.
ftp> cd SD
250 Ok. Current directory is /SD
ftp> dir /B
200 PORT command successful
150 Accepted data connection
drwxr-xr-x 1 owner group             0 Jan 01  1970 System Volume Information
-rw-r--r-- 1 owner group          4543 Jan 01  1970 record2.csv
-rw-r--r-- 1 owner group         14349 Jan 01  1970 record.csv
-rw-r--r-- 1 owner group         72469 Jan 01  1970 record0001.csv
226 4 matches total
ftp: 收到 279 字节，用时 0.01秒 46.50千字节/秒。
ftp> lcd D:\temp
目前的本地目录 D:\temp。
ftp> recv record0001.csv

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