Chaos-nano 在压力容器监控系统中的项目应用

一、系统整体架构与核心组件解析

Chaos-nano 压力容器监控系统以ATMEGA328p 单片机为控制核心，整合了硬件执行、环境感知、人机交互三大模块，形成闭环式压力容器压力与环境监控能力，各核心组件功能与作用如下：

二、系统工作流程细化

系统以 “压力稳定控制” 和 “环境风险预警” 为核心目标，工作流程分为数据采集 - 逻辑判断 - 执行控制 - 交互反馈四个阶段，具体步骤如下：

1. 数据采集阶段

• 气压传感器：按照预设周期（如 1 秒 / 次）采集压力容器内部压力，将原始数据传输至单片机缓冲区，标记 “压力数据就绪” 状态。
• 温湿度传感器：同步周期性（如 2 秒 / 次）采集环境温湿度，数据传输至缓冲区后，标记 “温湿度数据就绪” 状态。
• 数据触发机制：任一传感器完成采集并标记就绪后，立即唤醒 “传感器数据处理任务（TASK_ID_SENSOR_HANDLE）”，避免数据堆积。

2. 逻辑判断阶段

• 压力数据处理：传感器数据处理任务读取气压数据，与串口屏预设的 “压力上限”“压力下限” 对比。
  • 若压力＜下限：判定为 “压力不足”，触发充气泵启动逻辑。
  • 若压力＞上限：判定为 “压力超标”，触发泄气阀启动逻辑。
  • 若压力在上下限之间：判定为 “压力正常”，不执行任何执行设备操作。
• 温湿度数据处理：读取温湿度数据，与预设的 “温度报警阈值”、“湿度报警阈值” 对比。
  • 若温度＞上限或湿度＞上限：判定为 “环境超标”，触发蜂鸣器报警，直至数据恢复正常或人工干预。
  • 若温湿度均在正常范围：判定为 “环境正常”，关闭蜂鸣器（若此前报警）。

3. 执行控制阶段

• 充气泵控制：启动后，系统同步启动 “压缩机控制任务（TASK_ID_DEV_COMPRESSOR）”，该任务通过定时器（DELAY_MS=30 秒）控制充气泵工作时长。
  • 定时器每 30 秒触发一次状态反转：若充气泵当前为开启，则关闭；若为关闭，则开启（避免持续工作过热）。
  • 当气压传感器检测到压力回升至正常范围时，系统调用 Compressor::on (false)，关闭压缩机、取消压缩机定时器并阻塞压缩机控制任务。
• 泄气阀控制：启动后，“泄气阀控制任务（TASK_ID_DEV_BLEED）”，该任务通过定时器（DELAY_MS=2 秒）控制泄气阀工作时长。
  • 定时器每 2 秒触发一次状态反转：若泄气阀当前为开启，则关闭；若为关闭，则开启（避免持续工作过热）。
  • 当气压传感器检测到压力回升至正常范围时，系统调用 Temp_Humd::on (false)，关闭泄气阀、取消泄气阀定时器并阻塞泄气阀控制任务。

4. 交互反馈阶段

• 数据显示：串口屏实时刷新显示气压（单位：kPa/PSI，可通过设置切换）、温度（单位：℃/℉）、湿度（单位：% RH），以及各执行设备当前状态（充气泵：开 / 关；泄气阀：开 / 关；蜂鸣器：报警 / 正常）。
• 参数设置：用户通过串口屏按键输入新的 “压力上/下限”、“温湿度阈值”、“采样周期”，数据通过串口传输至单片机，更新系统控制参数，无需重新烧录程序。

三、软件架构与任务调度机制

系统基于 Arduino 开发环境，搭载 Chaos-nano 操作系统，采用 “任务化” 设计，将功能拆解为 6 个独立任务，通过优先级调度实现高效协同。

3.1 任务分类与优先级设定

Chaos-nano 系统将任务分为 “设备任务” 和 “用户任务” 两类，其中设备任务优先级高于用户任务，确保执行设备（充气泵、泄气阀）的控制响应速度。

3.2 核心任务代码逻辑解析

（1）主任务调度逻辑（loop 函数）

主函数通过 “获取下一个高优先级任务→执行任务→状态重置” 的循环，实现任务调度，核心逻辑如下：

void loop() {
  // 1. 获取当前最高优先级的任务ID
  int8_t pri = task.getNextPriority();
  // 2. 根据任务ID执行对应逻辑
  switch (pri) {
    case TASK_ID_DEV_BLEED:
      // 执行泄气阀控制逻辑（防止泄气阀过热损坏）
      bleed.loop();
      break;
    case TASK_ID_DEV_COMPRESSOR:
      // 执行充气泵控制逻辑（防止压缩机过热损坏）
      compressor.loop();
      break;
    case TASK_ID_SENSOR_TEMP_HUMD:
      // 采集温湿度数据，若采集成功，唤醒数据处理任务
      sensor_th = th.loop();
      if (sensor_th) {
        task.runOnce(TASK_ID_SENSOR_HANDLE);
      }
      break;
    case TASK_ID_SENSOR_BAROMETRIC:
      // 采集气压数据，若采集成功，唤醒数据处理任务
      sensor_pressure = barometric.loop();
      if (sensor_pressure) {
        task.runOnce(TASK_ID_SENSOR_HANDLE);
      }
      break;
    case TASK_ID_SENSOR_HANDLE:
      // 数据处理任务会一次把所有的数据都处理完，所以来新数据后只需要执行一次
      task.stopOnce(TASK_ID_SENSOR_HANDLE);
      // 处理气压数据：判断是否需要启停充气泵/泄气阀
      if (sensor_pressure) {
        float pressure = barometric.get();
        sensor_pressure = false;
        Serial.print("\n[main:] pressure = ");
        Serial.println(pressure);
        sensor_handle_pressure(pressure); // 压力控制逻辑函数
      }
      // 处理温湿度数据：判断是否需要触发蜂鸣器报警
      if (sensor_th) {
        sensor_th = false;
        float temp = th.get_temp();
        float humd = th.get_humd();
        Serial.print("\n[main:] temp = ");
        Serial.println(temp);
        Serial.print("\n[main:] humd = ");
        Serial.println(humd);
        sensor_handle_temp_humd(temp, humd); // 温湿度报警逻辑函数
      }
      break;
    case TASK_ID_USER_DISP:
      // 处理串口屏交互：读取用户输入的参数，更新系统设置
      Serial.println("[main:] TASK_ID_USER_DISP");
      char inChar;
      while (Serial.available()) {
        inChar = (char)Serial.read();
        Serial.print("revc: ");
        Serial.println(inChar);
        disp_handle(&inChar); // 串口屏数据处理函数（如解析参数、更新显示）
        task.stopOnce(TASK_ID_USER_DISP); // 处理完成后停止任务
        break;
      }
      break;
    default:
      // 当所有任务都执行一遍后恢复默认状态是非阻塞态的任务；
      // 模拟 CFS 调度，防止低优先级任务被饿死
      task.restoreAll();
      // 如果没有可执行的任务则系统进入到低功耗状态
      if (IDLE_PRI != task.getNextPriority()) {
        sleep_cpu();
      }
      break;
  }
}

（2）充气泵控制代码逻辑（compressor.h/.cpp）

充气泵控制类（Compressor）封装了引脚初始化、启停控制、状态监测功能，核心逻辑依赖定时器实现 “30 秒状态反转”，避免设备持续工作损坏。

• compressor.h：定义类接口，包括初始化（setup）、启停控制（on）、状态获取（state）、循环执行（loop）函数，确保其他模块可调用充气泵控制功能。
• compressor.cpp：实现类功能，关键逻辑如下：
  1. 初始化（setup）：设置引脚 4 为输出模式，初始状态为关闭（OFF），重置标志位（flag、mState）。
  2. 启停控制（on）：
     • 开启（b=true）：设置充气泵引脚为高电平（ON），启动压缩机控制任务，创建 30 秒定时器，标记当前状态为开启（mState=true）。
     • 关闭（b=false）：取消定时器，设置引脚为低电平（OFF），阻塞压缩机控制任务，标记状态为关闭（mState=false）。
  3. 循环执行（loop）：定时器每 30 秒触发 flag 置位，触发后反转充气泵状态（开→关 / 关→开），并重新创建定时器，实现周期性状态切换。
  4. 定时结束标志位（flag）：当定时结束后，延迟函数会设置该标志位（flag）为 true，用于任务判断自身是否被定时器唤醒。

四、系统关键特性与优势

1. 高可靠性：通过高优先级设备任务（充气泵、泄气阀控制）确保执行设备快速响应，避免设备过热损坏导致的风险；温湿度报警功能可提前规避环境对压力容器的影响；压力传感器检测频率高和根据充气泵的流量来综合考虑，可以将压力检测的优先级适当降低而不会影响整体系统的安全性。
2. 低功耗设计：无可执行任务时，CPU 进入休眠模式（sleep_cpu ()），降低系统整体功耗，适合长期无人值守场景。
3. 灵活可配置：用户可通过串口屏实时修改压力上下限、温湿度阈值、采样周期，无需连接电脑重新烧录程序，适配不同规格压力容器的监控需求。
4. 故障自保护：充气泵和泄气阀通过定时器周期性反转状态，避免持续工作过热损坏；传感器数据采集失败时，系统不会误触发执行逻辑，提升运行稳定性。

五、 产品工作视频

https://github.com/Chaos2025/Chaos-nano/blob/main/pic/product_show.gif