第5章

myRIO系统级通信技术应用





主要内容

■UART通信基本原理，myRIO中UART通信端口配置情况；

■myRIO工具包中UART通信ExpressVI、底层VI的配置和使用方法；

■UART通信技术相关工程项目开发实战；

■WiFi通信技术基本原理，myRIO中WiFi通信功能配置方法，通信程序设计相关VI；

■无线局域网下基于WiFi连接的TCP、UDP通信技术相关工程项目开发实战；

■物联网环境下基于WiFi连接的TCP、UDP、MQTT、HTTP等协议相关工程项目开发实战。


5.1UART通信技术及应用

myRIO在提供丰富I/O端口的同时，还提供了2组UART通信端口，这使得myRIO具备较为强大的系统级通信能力(当然也可作为器件级通信端口使用，用以实现myRIO和电子功能模块或器件之间的通信)，可以快速开发myRIO与其他应用系统/功能模块之间的通信，极大地丰富和扩展了myRIO应用功能。

本节在简要介绍UART通信技术概念的基础上，给出myRIO中UART通信端口配置情况，实现UART通信的ExpressVI及其调用方法、UART通信相关的若干底层VI及其应用的一般流程，并结合自发自收UART通信、淘晶驰触摸屏控制、蓝牙无线串口屏3个实例介绍UART通信程序设计的基本方法。

5.1.1UART通信技术概述

UART意为通用异步收发传输器(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)。作为异步串口通信协议的一种，其基本工作原理是按位传输字节或字符数据。每字节数据的传输由空闲位、起始位、数据位、校验位、停止位5部分组成。UART通信时，必须保证通信双方具有一致的通信参数设置(数据位、校验位、停止位、波特率等参数)。绝大多数电子设备通信参数为“9600,N,8,1”，其中9600指的是通信波特率为9600，即每秒传输9600bit； N表示无校验； 8表示数据位由8bit组成； 1表示停止位为1bit。


UART通信时，通信线路连接仅需3根线——UARTTX(发送数据线)、UARTRX(接收数据线)、GND(地线)。通信线路采取交叉连接方式，即本机UARTTX连接对方设备UARTRX； 本机UARTRX连接对方设备UARTTX； 通信双方共地连接，确保TX、RX信号具有统一的参考点。

myRIO提供了2个UART通信端口，一个是A口的Pin10(RX)和Pin14(TX)，另一个是B口的Pin10(RX)和Pin14(TX)，myRIO中UART通信端口分布如图51所示。



图51myRIO中UART通信端口分布


5.1.2主要函数节点

myRIO中UART通信程序实现有两种方法，第一种方法是使用myRIO工具包中的UART通信ExpressVI，如图52所示。



图52myRIO中的UART通信ExpressVI


将该节点拖曳至程序框图，即可弹出UART通信ExpressVI配置窗口，如图53所示。



图53UART通信ExpressVI配置窗口


第二种方法是使用myRIO工具包中提供的底层函数节点(函数→myRIO→Low Level→UART)实现UART通信，底层函数子选板中的UART通信相关VI如图54所示。



图54底层函数子选板中的UART通信相关VI



基于底层函数进行UART通信时，其数据发送基本流程为“VISA配置串口→VISA写入/VISA读取→VISA关闭”。如果需要连续读写UART通信端口，则将节点VISA写入/VISA读取置于While循环结构中即可。

5.1.3UART通信技术应用实例

借助myRIO中提供的UART通信端口，既可以实现myRIO与其他UART设备之间的点对点串行通信，又可以外接UART接口的TTL485模块、蓝牙模块、GPRS模块、NBIoT模块、ZIGBEE模块等进一步扩展myRIO开发平台的通信能力，将myRIO作为更大规模技术系统的组成部分。以下将通过自发自收、淘晶驰串口屏、蓝牙设备3个案例展示UART通信程序编写方法。



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1. myRIO自发自收UART通信程序

1) 设计目标

本案例通过短接UART接口TX(发送)引脚和RX(接收)引脚的方式，构建自发自收通信连接，并编写程序实现UART通信端口的数据发送和接收功能。自发自收是一种简单、有效的通信功能测试方法，通常用于通信功能的早期开发。

2) 硬件连线

本案例选择myRIO开发平台A口提供的UART接口，Pin10为RX，Pin14为TX，使用双母头杜邦线连接RX引脚和TX引脚。自发自收UART通信硬件连线如图55所示。



图55自发自收UART通信硬件连线


3) 设计思路

利用myRIO新建项目自动生成的程序模板，保留其三帧程序基本结构。第一帧为初始化帧，主要用于有关数据、控件的初始赋值； 第二帧为主程序帧，为While循环结构下的应用程序核心业务功能开发，即采集数据，并将采集数据通过A口UART通信端口进行发送，然后通过同一UART通信端口接收数据； 第三帧完成程序结束运行后的设备重置功能。

4) 程序实现

程序实现可分解为“采集数据、封装发送信息、串口发送、串口接收、定时控制”等步骤。

(1) 采集数据。采取0~100随机数产生的方式模拟数据采集，调用函数节点“转换为无符号单字节整型”(函数→编程→数值→转换→转换为无符号单字节整型)将采集的模拟数据转换为单字节整数，调用函数节点“数值至十进制字符串转换”(函数→编程→字符串→数值/字符串转换→数值至十进制字符串转换)将采集数据转换为数值字符串。

(2) 封装发送信息。调用函数节点“获取日期/时间字符串”(函数→编程→定时→获取日期/时间字符串)、“连接字符串”(函数→编程→字符串→连接字符串)，将时间参数和采集数据封装为制表位间隔的字符串，以备ExpressVI  UART发送。

(3) 串口发送。调用ExpressVI UART(函数→myRIO→UART)，将其配置为发送模式，实现上一步封装字符串的发送功能。双击节点，进入配置窗口，设置节点名称为UARTS，将其设置为A口提供的通信端口，设置该节点工作模式为Write(发送)模式，通信参数采用默认值，最终完成的UART通信发送模式配置如图56所示。



图56UART通信发送模式配置


(4) 串口接收。再次调用ExpressVI UART(函数→myRIO→UART)，将其配置为接收模式，实现UART通信端口的数据接收功能。双击节点，进入配置窗口，设置节点名称UARTR，将其设置为A口提供的通信端口，设置该节点工作模式为Read(接收)模式，并勾选Read all available，实现每次读取串口缓冲区全部数据的功能。通信参数采用默认值，最终完成的UART通信接收模式配置如图57所示。



图57UART通信接收模式配置


(5) 定时控制。为了便于调试和观测程序执行结果，While循环结构中调用函数节点“等待”(函数→编程→定时→等待)，设置等待时长为1000ms，实现每秒采集数据一次、发生一次、接收一次的功能； 同时添加移位寄存器，实现历次接收数据的暂存，并将其与当前接收数据、回车换行符连接进行显示。

第三帧为后处理帧，调用函数节点Reset myRIO(函数→myRIO→Device management→Reset)完成myRIO开发平台的复位工作，调用函数节点“清除错误”消除程序运行中产生的错误。

完整的UART自发自收通信程序实现如图58所示。



图58UART自发自收通信程序实现


运行程序，UART自发自收程序执行结果如图59所示。



图59UART自发自收程序执行结果


值得注意的是，myRIO并无板载电源维持时钟芯片运行，这会导致当程序部署于myRIO实时系统运行时，节点“获取日期/时间字符串”输出的并非当前实际时间。

需要说明的是，使用ExpressVI实现UART通信程序设计固然有简单方便的一面，但是该节点由于集成度过高，每次发送或者接收均需要从配置端口到发送接收再到销毁引用完整经历一遍，程序执行效率比较低，因此高效率串行通信程序设计一般采用底层函数编写。

基于底层函数节点实现UART接口通信的方法与Windows操作系统下串行通信程序设计完全相同。为了提高通信效率，本案例中使用了多线程的方式进行程序编写。其中发送线程实现每秒采集一次数据、获取系统当前时间，将采集数据和当前时间封装为制表位间隔的字符串，通过A口UART通信端口发出。接收线程中检测当前打开的UART通信端口接收缓冲区字节数，如果接收到数据，则读取全部缓冲区中的数据。

本案例中所谓的UART通信底层函数节点实际上与Windows操作系统下VI开发中VISA节点完全一致，唯一的区别在于Windows操作系统下打开串口的名称一般为“COM*”，而myRIO中UART通信端口名称为“ASRL1： INSTR”。

当以多线程方式实现UART通信数据发送和数据接收功能时，需要注意多线程的结束方式。本案例中，发送线程的结束依赖于按钮控件“停止”的操作及“VISA写入”过程中的错误信息进行判断。

当发送线程结束运行后，接收线程中调用属性节点“Serial Settings→End Mode for Reads”，判断当前UART接口读写模式状态，并根据该状态取值判断结束接收循环或者停止接收循环。

多线程方式实现UART自发自收通信的完整程序框图如图510所示。



图510多线程方式实现UART自发自收通信的完整程序框图




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2. myRIO连接淘晶驰串口屏

作为一种强大的嵌入式系统开发平台，myRIO提供了无与伦比的嵌入式系统快速开发技术支持。但是美中不足的是，myRIO标准配置中并未提供显示功能支持。这使得基于myRIO开发产生的有关数据在程序独立部署运行时无法直接观测。

嵌入式系统比较常见的显示装置包括数码管(7段数码管或者级联数码管)、液晶显示屏(1602显示屏)。这些显示装置要么占用I/O引脚数量较多，要么可显示的字符数极其有限，实际应用中存在一定的局限性。

近年来，异军突起的串口屏为开发myRIO显示功能提供了一种新的解决方案——串口屏借助强大的内置系统对液晶显示模组进行了封装，并通过UART通信端口实现与其他设备之间的交互功能。典型产品为深圳淘晶驰电子有限公司出品的“串口人机交互显示模组”。该产品已经广泛应用于新能源汽车充电桩、智能仓储、仪器仪表、智能家居、工业自动化设备、手持设备、医疗设备、安防设备等不同产品中。

淘晶驰串口屏的显示内容包括文本、数字、图片、动画、视频等，而且还提供按钮、曲线图表等常用人机界面显示对象。更为可贵的是，串口屏一般都提供了触摸屏配置，使其不仅仅可以作为嵌入式系统的显示系统，还可以作为输入装置向嵌入式系统传送信息，可以替代常规的键盘电路。

本案例借助淘晶驰串口屏进一步扩展myRIO的应用开发功能。淘晶驰串口屏作为显示装置显示myRIO采集的数据，同时串口屏作为用户输入装置，当用户单击串口屏显示界面中的按钮控件时，串口屏向myRIO发送相应的控制指令，打开或者关闭myRIO板载LED灯。

myRIO中开发基于淘晶驰串口屏的显示系统，首先需要进行串口屏应用程序设计。打开淘晶驰官网，下载安装串口屏集成开发环境USART HMI。运行USART HMI，串口屏集成开发环境操作界面如图511所示。



图511串口屏集成开发环境操作界面


新建HMI工程项目，在弹出的对话框中选择当前使用的设备型号，如图512所示。



图512选择当前使用的设备型号


单击OK按钮，在弹出的对话框中设置显示方向及字符编码方式(一般显示内容包含中文信息时，多选择GB2312编码)，如图513所示。



图513设置显示方向及字符编码方式


单击OK按钮，进入如图514所示的串口屏新建项目操作界面。



图514串口屏新建项目操作界面




图515串口屏显示控制界面


控件工具箱中选择“文本”“双态按钮”(按下、弹起两种状态)两类控件，拖曳至空白窗口，设置控件属性，完成如图515所示的串口屏显示控制界面。


文本控件t0、t1、t2用来显示来自myRIO的采集数据，双态按钮bt0、bt1、bt2被单击时，串口屏根据按钮状态值，向myRIO发送对应的控制指令，实现myRIO板载LED的亮灭控制。

需要注意的是，串口屏显示控制界面中无论是按钮还是文本控件，都需要装载已经生成的字库，才能实现有关文本的正常显示。

串口屏作为显示装置时，由myRIO发送控制指令，对于有关控件的属性数据进行设定，实现信息显示功能。控制指令由“指令内容”+“结束符”两部分组成。“指令内容”为ASCII格式的显示信息设定，通过设置文本控件txt属性的方式设定其显示内容。比如t0的显示信息设定指令如下：

t0.txt="****"//***为显示内容，本条指令设定文本控件t0的显示内容

“结束符”为HEX格式指令FF FF FF，表示一条指令的结束。

myRIO依次完成两部分指令的发送，即可完成文本控件t0的显示内容的设定和刷新。

串口屏作为输入装置时，是指对于串口屏显示界面中有关控件的操作事件进行处理。本案例中选择显示界面中双态按钮控件bt0，在其事件处理代码编写区域键入如下代码：

if(bt0.val==1)//

{

bt0.txt="打开LED1"

printh FF 01 01 EE//FF命令头，01表示LED1，01表示打开，EE命令尾

}else//

{

bt0.txt="关闭LED1"

printh FF 01 00 EE//FF命令头，01表示LED1，00表示关闭，EE命令尾

}

项目下载至串口屏后，首次单击串口屏显示界面中双态按钮bt0，按钮显示文本设定为“打开LED1”，串口屏发出16进制指令 FF 01 01 EE。

双态按钮bt1、bt2对应的事件处理代码与bt0控件相同，区别仅在于按钮操作过程中按钮显示文本及指令中表示按钮编号的字节内容。其中bt1按钮按下事件处理代码如图516所示。



图516bt1按钮按下事件处理代码


完成串口屏界面设计和有关控件事件处理代码设计后，单击串口屏集成开发环境USART HMI工具栏“调试”按钮，进入如图517所示的串口屏项目调试界面。



图517串口屏项目调试界面


在调试界面的指令输入区键入指令： t0.txt="21"，单击“执行所有代码”按钮，文本控件t0显示内容被设置为121。单击串口屏显示界面中双态按钮bt0，其显示内容由“打开LED1”改变为“关闭LED1”，模拟器返回数据区域显示内容为FF 01 01 EE。这一结果与预期设计目标完全一致，则可以单击工具栏“下载”按钮将测试正确的项目文件下载至串口屏。

完成上述准备工作之后，即可开启myRIO连接淘晶驰串口屏的应用程序设计。

1) 设计目标

作为验证myRIO与串口屏相关功能的应用例程，本案例中myRIO每200ms采集一次板载三轴加速度传感器数据，将采集数据发送至串口屏中文本控件t0、t1、t2显示； 同时myRIO接收来自串口屏的指令，分析指令内容，控制板载LED灯的亮灭。

2) 硬件连线

本案例选择淘晶驰TJC3224T024_011串口屏，选择myRIO开发平台A口提供的UART接口，myRIO与串口屏连接引脚对应关系如表51所示。


表51myRIO与串口屏连接引脚对应关系



myRIO(A口UART)串口屏UART接口

A口Pin1(+5V)+5V
A口Pin10(UART.RX)
TX
A口Pin14(UART.TX)
RX
A口Pin12(DGND)
GND


3) 设计思路

利用myRIO新建项目的程序模板，在While循环结构内，实时检测板载三轴加速度计采集结果，将其格式化为控制淘晶驰串口屏的显示指令，通过UART端口发送至淘晶驰串口屏； 同时实时检测UART端口缓冲区数据，当接收到来自淘晶驰串口屏发送的数据时，读取接收数据，并对接收到的数据进行解析，利用解析结果控制myRIO板载LED显示状态。

程序设计中将生成显示指令封装为子VI，将解析接收数据控制LED封装为子VI，可简化主程序框图，并增强LabVIEW程序的可读性。

4) 程序实现

程序实现可分解为程序总体结构设计、打开myRIO串口、板载加速度计数据采集、淘晶驰显示指令生成、发送淘晶驰串口屏显示指令、淘晶驰串口屏返回数据接收、解析淘晶驰返回数据控制板载LED、myRIO重置等步骤。

(1) 程序总体结构设计。利用myRIO项目模板自动生成的三帧程序结构。第一帧中配置并打开串口； 第二帧中采集三轴加速度计数据，生成发送至淘晶驰串口屏的指令，同时接收淘晶驰串口屏返回数据，根据数据解析结果控制myRIO板载LED显示； 第三帧中进行设备重置操作。

(2) 打开myRIO串口。程序框图初始化帧中，调用函数节点“VISA配置串口”(函数→myRIO→Low Level→UART)，设置输入参数“VISA资源名称”为myRIO开发平台A口对应的UART端口。

(3) 板载加速度计数据采集。保持新建的myRIO项目自动生成的三轴加速度数据采集程序不变，作为后续发送至淘晶驰串口屏的数据来源。

(4) 淘晶驰显示指令生成。板载加速度计采集的3个数据作为淘晶驰串口屏的显示内容，需要将其封装为淘晶驰显示指令。为了增强程序可读性，该功能进行模块化设计，将其设计为子VI。子VI有关设计信息如下。

输入参数1： 浮点类型数据d0。

输入参数2： 浮点类型数据d1。

输入参数3： 浮点类型数据d2。

输出参数： 字符串(通过UART端口发送的数据)。

子VI文件名称： CreateSendData.vi。

按照如下步骤完成子VI 设计。

子VI调用函数节点“格式化字符串”(函数→编程→字符串→格式化字符串)、节点“字符串至字节数组转换”(函数→编程→字符串→路径/数组/字符串转换→字符串至字节数组转换)及节点“数组插入”(函数→编程→数组→数组插入)，将传入的浮点数转换为串口屏刷新文本控件显示内容的指令格式。

调用函数节点“数组插入”(函数→编程→数组→数组插入)将采集数据(子VI输入参数，数值类型)对应的串口屏更新文本控件显示内容指令进行合并。

调用函数节点“字节数组至字符串转换”(函数→编程→字符串→路径/数组/字符串转换→字节数组至字符串转换)，将合并指令转换为串口可发送的字符串类型数据(子VI输出参数)。

对应的myRIO发送串口屏指令生成子VI程序实现如图518所示。



图518myRIO发送串口屏指令生成子VI程序实现


(5)发送淘晶驰串口屏显示指令。调用函数节点“VISA写入”(函数→myRIO→Low Level→UART→VISA写入)，实现myRIO采集数据的连续发送功能，其中发送内容由Step4中自定义VI生成。

(6) 淘晶驰串口屏返回数据接收。调用属性节点“VISA串口字节数”(函数→myRIO→Low Level→UART→VISA串口字节数)，实现myRIO串口缓冲区读取字节数的实时监测。当串口接收到串口屏返回的数据时，调用函数节点“VISA读取”(函数→myRIO→Low Level→UART→VISA读取)接收全部缓冲区数据。由于串口屏实际返回数据为字节数组类型，而LabVIEW串行通信接收的数据全部为字符串类型，调用函数节点“字符串至字节数组转换”(函数→编程→字符串→路径/数组/字符串转换)，将串口接收的字符串类型数据转换为字节数组。

(7) 解析淘晶驰返回数据控制板载LED。将(6)中接收字节数组内容控制板载LED亮灭功能封装为子VI，子VI有关设计信息如下。

输入参数： 字节数组。

子VI文件名称： ReceivDisp.vi。

按照如下步骤完成子VI 设计。

调用函数节点“索引数组”(函数→编程→数组→索引数组)，设定2个索引值分别为1和2，提取字节数组中第2个和第3个数据元素。

添加条件结构，其分支选择器连接字节数组中第2个数据元素，用以判断驱动哪个LED。

条件结构内，添加选择结构，判断字节数组中第3个数据元素是否等于0，并根据判断结果驱动回应的LED。

当字节数组第2个数据元素值为1时，对应的myRIO接收指令解析程序实现如图519所示。



图519myRIO接收指令解析程序实现


当串口接收字节数组的第2字节取值为2、3时，可参照修改程序自行实现。

调用ExpressVI LED实现基于接收指令解析结果控制板载LED的功能。双击ExpressVI LED节点图标，配置当前程序控制对象为LED0，如图520所示。



图520配置当前程序控制对象为LED0


(8) myRIO设备重置。在程序第三帧中调用函数节点Reset myRIO(函数→myRIO→Device management→Reset)完成myRIO开发平台的复位工作。

完整的myRIO与串口屏交互程序如图521所示。



图521myRIO与串口屏交互程序




图522myRIO与串口屏
交互程序执行结果

运行程序，myRIO与串口屏交互程序执行结果如图522所示。


由图522可见，板载三轴加速度传感器测量数据得以实时显示，而且用户单击淘晶驰串口屏中双态按钮，可以控制对应的myRIO板载LED亮灭。实践结果证明了串口屏既可以作为输出显示装置，亦可作为数据输入装置，极大地方便了myRIO有关功能的扩展。



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3. myRIO与蓝牙设备之间的通信

如前所述，串口屏可以极其简单方便地实现myRIO的显示功能，但是总有一些应用场景下串口屏和myRIO之间无法直接连线，导致myRIO相关应用系统依旧存在显示功能需求无法解决的问题。此时可以借助具有透传功能的UART接口无线通信电路模块，将直接连线的串口屏转换为无线串口屏，进一步扩展myRIO的显示功能。

具有透传功能的UART接口无线通信电路模块可选对象比较多，比如蓝牙、WiFi、ZIGBEE、LORA等。这里选择蓝牙模块实现myRIO和串口屏之间的无线连接，从而实现myRIO蓝牙无线串口屏。这一显示功能拓展的myRIO实现分为三个阶段——蓝牙模块配对、串口屏开发、myRIO程序设计。

首先进行蓝牙模块的配对。使用一对HC05蓝牙模块，在AT指令模式下设置其中一个为主模式，另一个为从模式(HC05为主从一体，出厂默认为从模式)。重新上电后，HC05自动配对、自动连接。

蓝牙模块HC05配置为主模式工作状态常用的AT指令如表52所示。


表52HC05配置为主模式工作状态常用的AT指令



步骤发 送 命 令返 回 结 果结 果 含 义

1AT+＼r＼nOK设备正常，可以进行下一步操作
2AT+ORGL＼r＼nOK设备已经恢复出厂设置
3AT+VERSION?＼r＼nVERSION:3.020170601返回设备版本信息
4AT+PSWD?＼r＼n+PIN:"1234"
OK返回蓝牙模块默认连接密码
5AT+PSWD=”1010”＼r＼nOK设置新连接密码成功，可再次调用AT+PSWD?＼r＼n指令查看连接密码
6AT+ROLE=1＼r＼nOK设置该模块为主模式工作(0为从模式)
7AT+ROLE?＼r＼n+ROLE:1
OK查询模块工作模式，1表示为主模式
8AT+UART?＼r＼n+UART:9600,0,0
OK查询模块波特率，当前设置为9600
9AT+CMODE=0＼r＼nOK设置模块连接模式为固定地址连接模式
10AT+BIND=98d3,33,813aca＼r＼nOK设置绑定地址(该地址需要第二块蓝牙模块通过AT指令查询获得，查询指令AT+ADDR?＼r＼n)，第一个逗号前地址不足4位时，需在前补0凑足4位

11AT+BIND?+BIND:18,E4,400006
OK查询当前绑定的蓝牙地址


串口调试助手中完成上述操作之后，相应的蓝牙模块被设置成为主模式，并且绑定地址为98d3,33,813aca的蓝牙模块，通信速率为9600b/s。

进一步地，蓝牙模块配置为从模式工作状态常用的AT指令如表53所示。


表53HC05配置为从模式工作状态常用的AT指令



步骤发 送 命 令返 回 结 果结 果 含 义


1AT+＼r＼nOK设备正常，可以进行下一步操作
2AT+ORGL＼r＼nOK设备已经恢复出厂设置
3AT+VERSION?＼r＼nVERSION:3.020170601返回设备版本信息
4AT+PSWD?＼r＼n+PIN:"1234"
OK返回蓝牙模块默认连接密码
5AT+PSWD=”1010”＼r＼nOK设置新连接密码成功，可再次调用AT+PSWD?＼r＼n指令查看连接密码，主模式和从模式的密码需要保持一致
6AT+ROLE=0＼r＼nOK设置该模块为从模式工作(0为从模式)
7AT+ROLE=?＼r＼n+ROLE:0
OK查询模块工作模式，0表示为从模式
8AT+UART=9600,0,0＼r＼nOK设置模块波特率，当前设置为9600
9AT+ADDR?＼r＼n+ADDR:=98d3,33,813ac
OK
查询模块物理地址(该地址主模块绑定时需要)


重新上电后进入常规工作模式，等待1~2s，指示灯两闪一停，表示自动完成配对。两个蓝牙模块一旦上电后自动配对工作完成，就可以完全替代原来有线连接的串行端口，变身为无线串口，使用极为方便。

然后进行串口屏开发。打开串口集成开发环境USART HMI，创建蓝牙串口屏项目显示界面如图523所示。


显示界面由“曲线/波形”控件及3个“虚拟浮点数”控件构成。“曲线/波形”控件用于显示myRIO板载三轴加速度传感器测量数值的趋势曲线，3个“虚拟浮点数”控件分别显示三轴加速度传感器每个轴向测量数值。

在屏幕前初始化事件处理中，清空控件“曲线/波形”显示内容，并对3个“虚拟浮点数”控件进行初始化操作，对应的串口屏前初始化事件相关代码如图524所示。



图523蓝牙串口屏项目显示界面




图524串口屏前初始化事件相关代码




由于控件“曲线/波形”需要显示3路数据波形，因此设置其属性ch值为3，表示3个波形显示的数据通道。其他属性亦可根据需要进行修改，如3条曲线的颜色属性： pco0、pco1、pco2的设置，控件“曲线/波形”主要属性配置结果如图525所示。


参考淘晶驰公司提供的USART HMI集成开发环境中各类控件使用说明，控件“曲线/波形”用于在串口屏上显示波形或者曲线。该控件涉及指令add、cle、addt。cle指令用于清除曲线控件中的数据。串口屏执行指令“cle 1,0 ”，可清除ID为1的曲线控件的0通道数据，执行指令“cle 1,255”，可清除ID为1的曲线控件的所有通道数据(参数255意为全部通道)。


add指令用于向曲线控件逐点添加显示数据，串口屏执行指令“add 1,0,30”，实现ID为1的曲线控件通道0添加新的显示数据30。该指令第一个参数1表示曲线控件的ID，如有多个曲线控件同屏显示，则该参数区别不同的曲线控件(每个page页面最多支持4个曲线控件)。第2个参数0表示当前曲线控件的数据通道0(每个曲线控件最多支持4个通道，可以连续发送数据，控件会自动平推显示数据)，第3个参数30表示曲线控件中需要新显示的数据是30。需要说明的是，控件“曲线/波形”接收0~255的单字节整数，实际采集的数据一般需要进行数据类型转换和区间映射才能正确显示。

控件“虚拟浮点数”用于在串口屏上显示浮点数(只是显示效果是浮点数，本质是整数)。该控件浮点数显示参数设置如图526所
示。



图525控件“曲线/波形”主要属性配置结果




图526浮点数显示参数设置




其中属性val指定控件显示的数值，vvs1指定显示数据的小数点位数。本案例中val值设置为123，因为vvs1属性(小数位数)设置为2，所以控件实际显示的数据为1.23。

这类控件显示的数据需要刷新时，需要程序对于实际的浮点数进行格式化操作，将其转换为控件指定小数位数的浮点数，然后放大100倍取整，作为控件val取值。例如，程序中拟显示的浮点数取值为1.2312，则首先将其格式化为小数点后取2位，得到浮点数1.23，然后放大100倍取整，得到整数123。此时程序向串口屏发送指令x0.val=123，设置控件的val属性值为123。串口屏接收该数据后，按照控件设置的2位小数位数规则，设置屏幕最终显示数据为1.23。


完成上述准备工作后，即可开展基于蓝牙串口屏的myRIO应用程序设计相关工作。

1) 设计目标

根据上述淘晶驰串口屏使用方法，编写myRIO应用程序采集板载三轴加速度传感器数值并显示，将采集的数据封装为刷新串口屏的显示指令，通过UART通信端口发出，用以驱动串口屏分别以趋势曲线、实时数值2种方式分别显示3个轴向的加速度测量值。由于UART端口连接已经配对连接的蓝牙模块，因此显示指令可借助蓝牙模块无线传输至串口屏，从而实现myRIO采集数据的蓝牙无线串口屏显示功能。

2) 硬件连线

完成配对连接的蓝牙模块使用方法与计算机自身配置的串口使用方法完全一致，只要会编写串行通信程序，就能借助蓝牙模块实现数据的短距离无线传输。分别将2个HC05蓝牙模块与myRIO和淘晶驰串口屏连接，对应的蓝牙无线串口屏硬件连接如图527所示。



图527蓝牙无线串口屏硬件连接


myRIO与蓝牙模块连接引脚对应关系如表54所示。


表54myRIO与蓝牙模块连接引脚对应关系



myRIO(A口UART)蓝牙模块HC05
A口Pin1(+5V)VCC
A口Pin10(UART.RX)TXD
A口Pin14(UART.TX)RXD
A口Pin12(DGND)GND


串口屏与蓝牙模块连接引脚对应关系如表55所示。


表55串口屏与蓝牙模块连接引脚对应关系



蓝牙模块HC05串口屏UART接口
VCCVCC
TXD
RXD
RXD
TXD
GND
GND


注： 串口屏、蓝牙模块HC05均需要独立供电，表54中VCC、GND引脚的连接关系，表示2个引脚并联至对应的电源线。


3) 设计思路

利用myRIO新建项目中自动生成的程序模板，保留其三帧程序基本结构。第一帧为初始化帧，打开并配置连接蓝牙模块的UART通信端口； 第二帧为主程序帧，在该帧While循环结构内，实时检测板载三轴加速度计数据，并将采集的数据进行区间线性映射，转换为淘晶驰串口屏趋势曲线显示数据，并进一步将映射后的数据封装为驱动淘晶驰串口屏对应的显示指令，通过UART通信端口发送，进而实现基于蓝牙通信技术无线串口屏显示myRIO采集数据功能； 第三帧为程序后处理帧，实现myRIO程序运行结束后的设备重置工作。

4) 程序实现

程序实现可分解为初始化处理、主程序结构设计、串口屏显示指令生成与封装、串口屏显示指令发送、myRIO设备重置等步骤。

(1) 初始化处理。初始化帧中，调用函数节点“VISA配置串口”(函数→myRIO→Low Level→UART→VISA配置串口)，设置其参数“VISA资源名称”为A口对应的UART通信端口，设置其参数“启用终止符”为逻辑假(默认为逻辑真)，其他通信参数均可采用默认值。

(2) 主程序结构设计。主程序帧中，While循环结构中实时采集板载三轴加速度计数据，将采集的数据分别封装为用于淘晶驰串口屏曲线显示指令、数值显示指令，并将两条指令合并为一条发送至淘晶驰串口屏的命令，调用函数节点“VISA写入”(函数→myRIO→Low Level→UART→VISA写入)，完成串口数据发送。

(3) 串口屏显示指令生成与封装。串口屏显示指令生成与封装分为“实时数据显示指令生成与封装”和“趋势曲线显示指令生成与封装”两部分完成。

串口屏显示指令生成与封装子VI设计信息如下。

输入参数1： 浮点类型数据d1。

输入参数2： 浮点类型数据d2。

输入参数3： 浮点类型数据d3。

输出参数： 字符串(通过UART端口发送的数据)。

子VI文件名称： CreatData.vi。

按照如下步骤完成子VI 设计。

“实时数据显示指令生成与封装”设计时，首先将3个采集数据乘100，再调用函数节点“格式化字符串”(函数→编程→字符串→格式化字符串)，将其转换为刷新3个“虚拟浮点数”控件的指令，调用函数节点“字符串至字节数组转换”(函数→编程→字符串→路径＼数组＼字符串转换→字符串至字节数组转换)，将ASCII字符串形式的“虚拟浮点数”控件刷新指令转换为字节数组，并调用函数节点“数组插入”(函数→编程→数组→数组插入)，在指令字节数组后插入3字节FF FF FF，形成一条完整显示指令。进一步调用函数节点“字节数组至字符串转换”(函数→编程→字符串→路径＼数组＼字符串转换→字节数组至字符串转换)，将完整的指令转换为串行通信可发送的字符串数据类型，从而完成一个“虚拟浮点数”控件数据刷新显示指令的生成。

类似方法完成剩余2个“虚拟浮点数”控件数据刷新指令的生成，然后调用函数节点“连接字符串”(函数→编程→字符串→连接字符串)，将3条“虚拟浮点数”控件的数据刷新指令进行组合。

“趋势曲线指令生成与封装”设计时，由于“曲线/波形”控件只能接收0~255的单字节整数，而采集的加速度数值最小为0，最大一般不超过5g，直接显示采集数据，必然导致数据波形位于控件底部，不宜观测。因此采取区间映射的方式，将实际采集的0~5数据映射至20~200，而且大于200的数据钳位至200。可按照如下公式进行采集数据与显示数据之间的映射。

y=200-205-0x+20=36x+20

调用函数节点“格式化字符串”(函数→编程→字符串→格式化字符串)，将3个采集的数据分别格式化为“曲线/波形”控件3个数据通道刷新显示的指令，再将ASCII指令转换为字节数组，最后添加后缀FF FF FF，然后转换为串口发送需要的字符串类型。

将上述两部分指令再次调用函数节点“连接字符串”，形成完整的显示驱动指令，对应的串口屏显示驱动子VI程序如图528所示。



图528串口屏显示驱动子VI程序


(4)串口屏显示指令发送。调用函数节点“VISA写入”(函数→myRIO→Low Level→UART→VISA写入)，发送封装好的串口屏显示驱动指令，实现myRIO对于串口屏显示内容的控制。

主程序帧中，While循环结束后调用函数节点“VISA关闭”(函数→myRIO→Low Level→UART→VISA关闭)，释放通信程序所占用的资源。

(5) myRIO设备重置。第三帧中，调用函数节点“Reset myRIO”(函数→myRIO→Device management→Reset)，实现程序结束后设备的复位操作。完整的蓝牙无线串口屏显示程序如图529所示。



图529蓝牙无线串口屏显示程序


运行程序，蓝牙无线串口屏显示程序界面如图530所示。



图530蓝牙无线串口屏显示程序界面



由图530可见myRIO发出的串口屏控制指令(指令后缀FF FF FF不可见)。指令中有关数据完全符合放大取整及区间映射预期。进一步地，串口屏中可观测到虚拟浮点数控件实际显示的数值与myRIO测量结果完全一致，“曲线/波形”控件显示波形也处于20~200的数值区间(实际上只具备了波形趋势观测的意义)，串口屏显示效果如图531所示。




图531串口屏显示效果


5.2WiFi通信技术及应用

myRIO内置的WiFi模块使其具备了强大的系统级通信能力，借助内置的WiFi模块，myRIO可以轻而易举地创建无线局域通信网络或者接入无线因特网，进而实现myRIO与其他应用系统之间无线通信，是扩展myRIO应用系统技术规模的重要途径，尤其对于物联网相关的应用开发具有重要的意义。本节主要介绍WiFi通信技术基本概念，myRIO中基于WiFi通信的TCP、UDP、HTTP通信程序设计相关VI，并针对myRIO开发时WiFi通信技术的应用场景，将WiFi通信技术应用分为无线局域网、物联网2类应用模式，并通过无线局域网应用场景下TCP客户端应用、TCP服务器应用、UDP广播通信等实例及物联网应用场景下基于TCP、UDP、HTTP、MQTT协议的应用实例介绍基于WiFi连接的通信程序设计的基本方法。

5.2.1WiFi通信技术概述

WiFi(Wireless Fidelity)技术是一种典型的短距离无线连网的技术，最初主要用于替代传统网线，快速部署无线局域网。常见的连网方式是通过一个无线路由器构建热点，热点发射信号覆盖的有效范围都可以采用WiFi的连接方式接入热点，形成无线局域网，进行相关设备之间的数据通信。

WiFi技术遵循IEEE所制定的802.11x系列标准，主要由802.11a、802.11b、和802.11g 3个标准组成。WiFi通信技术采用2.4GHz频段，链路层采用以太网协议为核心，以实现百米范围内多设备之间的信息传输。WiFi通信技术传输速度较高，达到11Mbps，有效传输距离也满足绝大部分场景下的无线通信需求，因而受到厂商和用户的青睐，占据着无线传输的主流地位。WiFi无线网络的基本组成为AP热点+无线网卡，也可配合现有的有线架构分享网络资源实现更大范围的数据通信。

myRIO中搭载了WiFi模块，可以灵活设置为“接入无线网络”“创建无线网络”两种方式中的任何一种。

“接入无线网络”方式多用于实现myRIO终端接入无线互联网或无线局域网的功能。“创建无线网络”方式多用于实现myRIO终端作为WiFi热点，与其他电子设备构建无线局域网的功能。

5.2.2主要函数节点

一旦建立基于WiFi的无线通信网络，其通信程序的设计方法与常规的以太网通信并无不同，可以直接调用LabVIEW中提供的常用网络通信协议相关函数节点，包括TCP、UDP、HTTP等函数选板中提供的全部函数节点。

LabVIEW中有关TCP通信程序编写的函数节点如图532所示。



图532TCP通信相关函数节点


LabVIEW中有关UDP通信程序编写的函数节点如图533所示。



图533UDP通信相关函数节点


LabVIEW中有关HTTP通信程序编写的函数节点如图534所示。



图534HTTP通信相关函数节点


需要指出的是，myRIO中的WiFi通信技术实现的前提条件是myRIO中的WiFi模块得到正确的配置。

5.2.3基于WiFi的局域网通信应用实例

myRIO实现WiFi环境下的局域网络通信，一般主要用于myRIO和其他电子系统之间的通信。使用WiFi通信技术，需要对myRIO内置的WiFi模块进行配置，配置方法可参见2.4节相关内容。myRIO中应用WiFi通信技术，分为“创建无线网络”“连接无线网络”两种应用模式。

“创建无线网络”模式下，其他电子设备接入myRIO创建的AP热点，形成无线局域网，实现myRIO和其他电子设备之间的无线通信功能。

“连接无线网络”模式下，myRIO与其他电子设备接入同一无线网络，形成无线局域网或者连接无线互联网，实现无线通信功能。



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1. myRIO作为TCP客户端的无线局域网数据通信

本案例中将myRIO内置的WiFi模块配置为“接入无线网络”，与计算机或者手机接入同一个无线网络。无线局域网中myRIO作为TCP客户端，计算机或者手机作为TCP服务器。作为TCP客户端，myRIO接入无线网络后分配的IP地址可通过MAX软件查看(本案例中myRIO开发平台分配的IPv4地址为192.168.0.107)。

1) 背景知识

TCP客户端应用程序开发，其基本结构由“打开TCP连接”“写入TCP数据”和“关闭TCP连接”三个函数节点组成。

(1) 函数节点“打开TCP连接”主要用于建立与服务器端的TCP连接，需要设置服务器端IP地址及服务器监听的端口。

(2) 函数节点“写入TCP数据”用于向服务器端发送数据。需要说明的是，LabVIEW中，通信数据都必须转换为字符串才能发送。

(3) 函数节点“关闭TCP连接”用于释放TCP通信所占用的资源。

如果客户端需要连续向服务器端发送数据，一般循环前调用函数节点“打开TCP连接”； 循环结构中调用函数节点“写入TCP数据”。循环结束后调用函数节点“关闭TCP连接”。这一程序结构设计避免了连续发送中频繁建立连接、释放资源，有助于提高程序运行效率。

2) 设计目标

myRIO与计算机接入同一WiFi热点，构建无线局域网。myRIO作为客户端，计算机作为服务器。myRIO向服务器发起连接请求，建立连接后，myRIO采集两路数据，并将采集的两路数据转变为以“,”间隔的字符串，发送至服务器。服务器端记录myRIO采集的数据以备后续使用。

篇幅所限，这里使用网络调试助手软件工具模拟服务器端应用程序。打开Windows操作系统控制面板，选择“网络和Internet→WLAN→硬件属性”，可以查看计算机分配获得IPv4地址： 192.168.0.102。该地址作为TCP通信服务器IP地址。

TCP通信首先运行服务器端应用程序。计算机端打开网络调试助手，按照图535所示方式将网络调试助手配置为服务器模式。



图535配置网络调试助手为TCP Server模式


3) 设计思路

利用myRIO新建项目自动生成的程序模板，保留其三帧程序基本结构。第一帧为初始化帧，主要用于有关数据、控件的初始赋值，建立myRIO与服务器之间的TCP连接； 第二帧为主程序帧，完成应用程序的核心业务功能的开发，程序基于While循环结构实现数据采集、TCP通信报文封装、TCP数据发送等功能； 第三帧为后处理帧，实现myRIO应用程序结束运行后的设备重置功能。

4) 程序实现

程序实现可分解为初始化、采集数据、发送报文封装、TCP发送、本地显示、定时控制、设备重置等步骤。

(1) 初始化。调用函数节点“打开TCP连接”(函数→数据通信→协议→TCP→打开TCP连接)，建立myRIO和计算机之间的TCP连接，借助局部变量完成采集数据显示相关控件的初始化赋值。

(2) 采集数据。为了聚焦TCP通信程序编写，这里采取0~100随机数产生的方式模拟数据采集过程。

(3) 发送报文封装。调用函数节点“数值至十进制数字符串转换”(函数→编程→字符串→数值字符串转换→数值至十进制数字符串转换)将采集的数据转换为字符串格式，再调用函数节点“连接字符串”(函数→编程→字符串→连接字符串)构造以符号“,”为间隔的发送报文。

(4) TCP发送。将第（3）步封装的发送报文作为函数节点“写入TCP数据”(函数→数据通信→协议→TCP→写入TCP数据)的发送内容，完成基于TCP的myRIO采集数据向服务器发送功能。

(5) 本地显示。为了显示采集数据，使用“量表”控件显示2路采集参数，并将2路采集数据借助函数节点“捆绑”(函数→编程→簇、类与变体→捆绑)封装为簇类型数据，作为“波形图表”控件的显示内容，从而实现2路采集数据波形趋势曲线的显示。

(6) 定时控制。
为了便于观测，在While循环中添加函数节点“等待”(函数→编程→定时→等待)，设置等待参数为1000ms，实现每秒采集一次数据，并向服务器端发送一次数据帧的基本功能。

(7) 设备重置。在第三帧中，调用函数节点“关闭TCP连接”(函数→数据通信→协议→TCP→关闭TCP连接)，释放TCP通信程序所占用的资源，调用函数节点“Reset myRIO”(函数→myRIO→Device management→Reset)完成myRIO开发平台的复位工作。

完整的TCP客户端数据采集与发送程序实现如图536所示。



图536TCP客户端数据采集与发送程序实现


运行程序，TCP客户端程序执行结果如图537所示。



图537TCP客户端程序执行结果


此时网络调试助手作为TCP服务器接收到的数据如图538所示。



图538网络调试助手作为TCP服务器接收的数据




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2. myRIO作为TCP服务器的无线局域网数据通信

myRIO作为TCP服务器时，其所在的无线局域网既可以是myRIO创建的无线网络，也可以是myRIO选择接入的已有无线局域网。

篇幅所限，这里使用网络调试助手软件工具模拟客户端应用程序。打开Windows操作系统控制面板，选择“网络和Internet→WLAN→硬件属性”，可以查看无线局域网中计算机分配的IPv4地址为192.168.0.102。该地址作为TCP通信客户端IP地址。

1) 背景知识

TCP服务器应用程序开发，其基本结构由“TCP侦听”“读取TCP数据”和“关闭TCP连接”三个函数节点组成。

(1) 节点“TCP侦听”用于创建侦听器，等待接受TCP连接，该节点的使用需要指定服务器侦听的端口。

(2) 函数节点“读取TCP数据”用于读取客户端发送的数据。

(3) 函数节点“关闭TCP连接”用于释放TCP通信所占用的资源。

如果服务器需要连续接收客户端发送的数据，一般循环前调用函数节点“TCP侦听”，循环中调用函数节点“读取TCP数据”，循环结束后调用函数节点“关闭TCP连接”。循环结构内调用函数节点“读取TCP数据”实现基于TCP的数据连续接收功能。这一程序结构设计，避免了连续发送中频繁建立连接、释放资源，有助于提高程序运行效率。

2) 设计目标

这个案例中，将myRIO的WiFi连接配置为“接入无线网络”，myRIO作为TCP服务器，监听指定端口(通过MAX软件，可以查看myRIO接入无线网络后获取的IP地址为192.168.0.107)，等待客户端连接请求。当客户端发起连接请求时，myRIO建立其与客户端之间的TCP通信连接，并接收、显示来自客户端发送的数据。

3) 设计思路

利用myRIO新建项目自动生成的程序模板，保留其三帧程序基本结构。第一帧为初始化帧，实现有关数据、控件的初始赋值，并启动指定端口的TCP监听，等待客户端连接请求； 第二帧为主程序帧，完成应用程序的核心业务功能的开发，当读取指定字节数或者读取到回车换行符号时，程序将读取的数据作为一帧客户端发送的数据，按照预定的帧结构进行处理和显示； 第三帧为程序后处理真，实现myRIO程序运行结束后的设备重置工作。

4) 程序实现

程序实现可分解为初始化、TCP读取、TCP读取数据的类型转换、提取数组中测量值、myRIO设备重置等步骤。

(1) 初始化。调用函数节点“TCP侦听”(函数→数据通信→协议→TCP→TCP侦听)，等待其他终端的连接请求，并借助局部变量完成采集数据显示相关控件的初始化赋值。

(2) TCP读取。假设客户端发送的数据格式为“IP地址:端口数据1数据2”+CRLF的字符串，所以调用函数节点“读取TCP数据”(函数→数据通信→协议→TCP→读取TCP数据)，并设置其读取模式为“CRLF”及永不超时，即当读取到回车换行字符时，结束一帧数据的读取。

(3) TCP读取数据的类型转换。读取到的字符串调用函数节点“电子表格字符串至数组转换”(函数→编程→字符串→电子表格字符串至数组转换)，设置参数“分隔符”为“”，设置参数“格式字符串”为“%d”，设置参数“数组类型”为一维整型数组常量，完成字符串至字节数组转换。

(4) 提取数组中测量值。调用函数节点“索引数组”(函数→编程→数组→索引数组)，读取转换结果数组中的第2个和第3个数据元素，即客户端发送的采集数据1、采集数据2，借助仪表控件的方式显示接收客户端采集的数据。

(5) myRIO设备重置。在程序第三帧中调用函数节点“关闭TCP连接”(函数→数据通信→协议→TCP→关闭TCP连接)，释放TCP通信程序所占用的资源，调用函数节点Reset myRIO(函数→myRIO→Device management→Reset)完成myRIO开发平台的复位工作。

完整的TCP服务器程序如图539所示。



图539完整的TCP服务器程序


运行myRIO服务器端应用程序，等待客户端的连接请求。然后打开网络通信调试助手，设置“协议类型”为TCP Client，设置远程主机地址为myRIO开发平台的IP地址及其侦听的端口号“192.168.0.107:8888”，单击“连接”按钮，建立计算机与服务器myRIO的TCP连接。

完成上述设置后，网络调试助手数据发送区输入字符串“192.168.0.102:33384253”及回车换行符号，单击“发送”按钮，完成一次客户端模拟电子设备发送采集数据的操作，如图540所示。



图540网络调试助手作为TCP客户端发送数据


此时，打开myRIO运行界面，myRIO接收、解析并显示客户端发送数据结果如图541所示。



图541myRIO接收、解析并显示客户端发送数据结果


需要注意的是，客户端发送的数据如果忘记附加CRLF(回车换行)，myRIO应用程序中无法观测接收的数据——直至接收字节数达到100或者接收到回车换行字符。



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3. myRIO进行UDP广播发送的无线局域网数据通信

UDP是局域网通信常用的协议，相比于TCP，UDP以其简单易用而广受欢迎。myRIO使用UDP进行数据通信，同样首先必须配置其内置WiFi模块接入无线网络，该无线网络既可以是myRIO创建的无线网络，也可以是myRIO选择接入的无线局域网。

1) 背景知识

UDP通信应用程序开发，其基本结构由“打开UDP”“写入UDP数据”和“关闭UDP”三个函数节点组成。

(1) 函数节点“打开UDP”用于打开端口或服务名称的UDP套接字，该节点的使用需要指定本地通信端口。

(2) 函数节点“写入UDP数据”将采集的数据写入UDP套接字。由于LabVIEW中数据通信均以字符串的形式进行，如果发送数据为非字符串格式，则需要进行转换。

(3) 函数节点“关闭UDP”用于释放UDP通信所占用的资源。

如果myRIO需要连续向其他终端发送采集的数据，一般在循环前调用函数节点“打开UDP”，循环结构内调用函数节点“写入UDP数据”实现基于UDP的数据连续发送功能，循环结束后调用函数节点“关闭UDP”。这一程序结构设计，避免了连续发送中频繁建立连接、释放资源，有助于提高程序运行效率。

2) 设计目标

这个案例中，将myRIO内置的WiFi模块配置为“接入无线网络”(通过MAX软件可以查看接入无线网络后分配的IPv4地址为192.168.0.107)。myRIO采集数据，将采集数据以UDP通信报文的形式进行“广播”操作，使得同一网段内所有终端均可接收到myRIO采集的数据。

3) 设计思路

利用myRIO新建项目自动生成的程序模板，保留其三帧程序基本结构。第一帧为初始化帧，打开UDP通信套接字，设置UDP通信端口，设置UDP广播通信IP地址； 第二帧为主程序帧，在该帧While循环结构内，以产生随机数的方式模拟实时数据采集，并将采集的数据以UDP数据报文的形式进行广播，同时通过实时曲线形式显示采集数据； 第三帧为程序后处理帧，实现myRIO程序运行结束后的设备重置工作。

4)程序实现

篇幅所限，这里使用网络调试助手软件工具模拟其他UDP应用程序，为了检验广播机制效果，同时也使用手机端安装的网络调试助手模拟同一网段内不同IP地址的UDP应用程序。

myRIO程序实现可分解为初始化、采集数据、定时控制、采集数据本地显示、UDP发送数据、设备重置等步骤。

(1) 初始化。调用函数节点“打开UDP”(函数→数据通信→协议→UDP→打开UDP)，设置本地UDP通信端口为9999。由于意图实现myRIO采集的数据向局域网内所有终端发送，调用函数节点“字符串至IP地址转换”将广播地址“255.255.255.255”转换为节点“写入UDP数据”可用的IP地址，并设置指数数值常量8080作为节点“写入UDP数据”需要设置的通信端口。

(2) 采集数据。为了简化程序设计，聚焦UDP通信，这里采取借助While循环结构中产生随机数的方式模拟采集数据，并调用函数节点“数值至小数字符串转换”(函数→编程→字符串→数值字符串转换→数值至小数字符串转换)，将其转换为字符串类型数据。

(3) 定时控制。为了便于观测，While循环结构内调用函数节点“等待”(函数→编程→定时→等待)，设置等待时长为1000ms，实现每秒采集一次数据，UDP广播一次的功能。

(4) 采集数据本地显示。采集的数据借助波形图表和数值显示控件进行显示——实际上这一步骤并不是必需的，因为myRIO应用程序独立部署运行过程中不可能在计算机上查看程序运行情况，初学阶段这样处理可以用来诊断应用程序的执行过程，而部署运行时，可以删除前面板相关显示功能。

(5) UDP发送数据。调用函数节点“写入UDP数据”(函数→数据通信→协议→UDP→写入UDP)，将采集数据转换为字符串的结果在局域网内进行广播，完成UDP通信数据报文的发送。

(6) 设备重置。在程序第三帧中调用函数节点“关闭UDP”(函数→数据通信→协议→UDP→关闭UDP)，释放UDP通信程序所占用的资源，调用函数节点“Reset myRIO”(函数→myRIO→Device management→Reset)完成myRIO开发平台的复位工作。

完整的myRIO数据采集及UDP广播程序实现如图542所示。



图542myRIO数据采集及UDP广播程序实现


编译运行程序，myRIO端数据采集及UDP广播程序执行结果如图543所示。



图543myRIO端数据采集及UDP广播程序执行结果


打开Windows操作系统中网络调试助手，设置协议类型为UDP，设置本地主机端口与myRIO发送端口保持一致，设置为8080，单击“连接”按钮，启动UDP终端监听程序，可以观测到计算机端网络调试助手接收myRIO发送UDP数据包如图544所示。


打开手机端安装的“网络调试助手”(安卓操作系统)，创建UDP服务端，设置端口8080，与myRIO发送端口保持一致，进入UDP监听模式，可以观测到手机端网络调试助手接收到的16进制UDP数据包，如图545所示。


可以看到安卓系统中网络调试助手最后一次接收的ASCII编码格式的数据30 2E 31 39 32 31 33 30，对应的10进制数据为0.192130，这一结果与计算机端网络调试助手接收的数据、myRIO端采集的数据完全一致，说明了myRIO采集的数据可以广播至局域网内全部终端。这一功能对于分布式数据采集系统的设计与开发具有十分重要的实践意义。



图544计算机端网络调试助手接收myRIO发送UDP数据包




图545手机端网络调试助手接收到的16进制UDP数据包


当然，如果希望进行点对点通信，只需要在程序设计时将上述程序框图中的广播地址255.255.255.255更改为局域网内目标终端的IP(192.168.0.*)即可。

5.2.4基于WiFi的物联网通信应用实例

如果配置myRIO的WiFi模块为“连接无线网络”，而其连接的热点由接入互联网的路由器提供，则myRIO可以在无线局域网通信的基础上，进一步实现互联网通信。典型的应用场景就是myRIO作为智能终端采集数据，利用内置的WiFi模块接入互联网，将采集的数据上传至物联网平台，或者接收物联网平台推送的消息。这样一来，开发者可以借助物联网平台，将单机环境myRIO应用程序升级改造为“云、网、端”技术架构下的myRIO应用程序，从而使得myRIO嵌入式平台可以在各大应用系统规模下发挥更加重要的作用。

目前市面上可以供使用的物联网云平台有很多，如中移物联(OneNET)、TLink、机智云、阿里云、百度云、涂鸦云、传感云、乐为物联及巴法云等。其中，对开发者比较开放的物联网平台为TLink和机智云。

TLink物联网平台是一个免费开放的设备连接平台，主要应用于工业领域。对于初学者或者开发者来说，TLink物联网平台最大的特点是提供丰富的联网方式，支持TCP/UDP/HTTP/MQTT/ ModBus/COAP/MB TCP/NBIOT等主流物联网通信协议，包含工业应用的几乎所有场景，具有重要的学习与实践价值。

基于物联网平台的应用系统开发，一般分为两个阶段——第一阶段为云平台物联网设备创建，第二阶段为物联网终端设备开发。

第一阶段： 物联网平台云端设备创建。

注册后进入控制台。首先在控制台左侧导航栏选择“设备管理→添加设备”，打开TLink物联网平台云端设备创建页面，如图546所示。



图546TLink物联网平台云端设备创建页面


云端设备创建页面中需要依次设置以下6类参数。

(1) 设备分组。对设备进行分组，分组之后在设备管理页面进行调整。

(2) 设备名称。开发者可自定义云端设备的名称。

(3) 链接协议。选择云端设备支持的通信协议。

(4) 掉线延时。此时间只与“已连接”和“未连接”状态有关系，如果在该时间范围内没有数据传到平台，那么该设备连接状态显示“未连接”。所以此时间要设置为比实际上行数据间隔要大，才不会在正常传输数据过程中出现“未连接”。最小值60s。

(5) 传感器。添加不同类型的数值，用来显示设备的不同变量，一个传感器代表设备的一个变量，比如PLC的寄存器变量。

(6) 位置信息。给设备标注一个地理位置，可以通过搜索框输入地名、搜索框输入经纬度、地图上单击一个位置等任何一种方式完成设备位置标注。

完成云端设备创建，即可按照链接协议定义的云端通信数据帧格式，由本地计算机或者嵌入式终端，向云端设备发送数据或接收云端返回的信息。值得注意的是，TLink物联网平台中云端设备通信协议支持用户自定义，图547为自定义协议示例。



图547自定义协议示例


该协议规定云端设备通信数据帧格式为字节数组类型，帧头为FF，帧尾为EE，每帧数据包含2个传感器测量数据，均由一字节表示测量值。

用户自定义协议设计方法，详情参见TLink物联网平台开发者中心相关文档说明。

第二阶段： 物联网终端设备开发。

物联网终端设备开发可以基于单片机、嵌入式、PC等任意一种开发平台，当然也包括本书所介绍的myRIO开发平台。物联网终端设备一般为数据采集终端，也可以是控制终端，还可以是数据采集和自动控制二者兼备的复杂终端。物联网终端设备的关键在于能够基于物联网相关通信协议，将采集数据发布于物联网平台或访问物联网平台获取其他终端发布信息，并根据获取信息执行相应的动作，实现跨平台多终端协同的复杂应用。物联网云平台支持的联网协议较多，如TCP、UDP、HTTP、MQTT等，给了开发者极大的选择自由。本书将通过实例分别介绍基于myRIO的典型物联网应用程序开发。



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1. 基于TCP的采集数据上传物联网平台

如前所述，基于TCP的采集数据上传物联网云平台功能开发分为两个阶段。首先是TLink物联网平台云端TCP设备创建。

登录后进入控制台。控制台左侧导航栏选择“设备管理→添加设备”，打开TLink物联网平台云端设备创建页面，创建云端TCP设备，如图548所示。



图548创建云端TCP设备


TCP设备的创建意味着各类终端可以通过TCP实现采集数据上报至TLink物联网平台(图中TCP设备包含2个传感器)的基本功能。

然后在控制台左侧导航栏选择“设备管理→设备列表”，选择创建的TCP设备，单击所选设备行操作链接“设备连接”，进入云端TCP设备的通信连接设置页面，获取设备连接参数信息，定义云端TCP设备用户数据协议，如图549所示。



图549定义云端TCP设备用户数据协议


设备连接参数包括云端TCP设备服务器IP、端口号及设备序列号。TLink物联网平台TCP服务器地址为tcp.tlink.io，监听端口号为8647。

当前协议部分可查看或者创建云端TCP设备对应数据协议的结构形式(具体创建方法参见TLink物联网平台开发者文档有关说明)。本节案例中数据协议为字节数组类型，该协议规定每个数据帧由4字节组成： 字节1为数据帧为帧头，由0xFF组成； 字节2表示传感器1测量值； 字节3表示传感器2测量值； 字节4为帧尾，由0xEE组成。

TLink物联网平台规定，向云端TCP设备上报测量数据，首先以字符数据发送方式上传设备序列号，然后再按照预先定义的数据帧结构，以字节数组的形式上传测量数据。

完成上述准备工作之后，即可开启基于TCP的myRIO采集数据云端发布应用程序设计。

1) 设计目标

该案例设计的目标就是myRIO作为物联网数据采集终端，按照TLink物联网平台中创建的云端TCP设备对应的数据协议，将采集的数据封装为云端TCP设备可用的数据帧，以TCP通信的方式将数据帧上传至TLink物联网平台，奠定多终端共享数据的基础。

2) 设计思路

利用myRIO新建项目自动生成的程序模板，保留其三帧程序基本结构。第一帧为初始化帧，借助局部变量完成采集数据显示相关控件的初始化赋值，建立myRIO和TLink物联网平台中TCP设备服务器之间的连接； 第二帧为主程序帧，在该帧While循环结构内，以产生随机数的方式模拟2路实时数据采集，并将采集的数据封装为上报物联网云平台的数据帧，完成数据帧的TCP发送； 第三帧为程序后处理帧，实现myRIO程序运行结束后的设备重置工作。

3) 程序实现

myRIO程序实现可分解为初始化、采集数据、生成TCP上传数据帧、TCP发送、采集数据本地显示、定时控制、设备重置等步骤。

(1) 初始化。调用函数节点“打开TCP连接”(函数→数据通信→协议→TCP→打开TCP连接)，设置服务器IP地址为tcp.tlink.io，设置服务器端口为8647，设置本地通信端口为8888，建立myRIO和TLink物联网平台中TCP设备服务器之间的TCP连接； 创建局部变量，完成程序前面板显示控件初始化操作。

(2) 采集数据。采取产生0~255的随机数并调用函数节点“转换为无符号单字节整型”(函数→编程→数值→转换→转换为无符号单字节整型)，模拟整数型数据采集过程。

(3) 生成TCP上传数据帧。调用函数节点“创建数组”(函数→编程→数组→创建数组)构造［FF］［D1］［D2］［EE］形式的字节数组类型数据帧，完成云端TCP设备数据帧结构的通信报文创建； 然后调用函数节点“字节数组至字符串转换”(函数→编程→字符串→路径＼数组＼字符串转换→字节数组至字符串转换)，将创建的数据帧转换为字符串类型数据，作为节点“写入TCP数据”的发送内容。

(4) TCP发送。特别需要指出的是，按照TLink物联网平台规定，向云端TCP设备上报数据，必须首先发送对应的TCP设备序列号，因此在发送数据帧之前首先调用函数节点“写入TCP数据”(函数→数据通信→协议→TCP→写入TCP数据)完成字符串类型的TCP设备序列号发送，延时50ms，再开始（3）中创建的数据帧发送，实现采集数据向TLink物联网平台的上报功能。

(5) 采集数据本地显示。为了显示采集数据数值，设置滑动条显示2路采集参数，并将2路采集数据借助节点“捆绑”(函数→编程→簇、类与变体→捆绑)封装为簇类型数据，作为“波形图表”控件的显示内容，实现2路采集数据波形的实时显示。

(6) 定时控制。为了便于观测，While循环中添加函数节点“等待”(函数→编程→定时→等待)，设置等待参数为3000ms，实现每3秒采集一次数据，并向云端TCP设备上传一次数据的基本功能(物联网平台为了避免恶意上报导致网络阻塞影响用户使用体验，禁止高速刷新设备数据)。

(7) 设备重置。在myRIO程序第三帧中调用函数节点“关闭TCP连接”(函数→数据通信→协议→TCP→关闭TCP连接)，释放TCP通信程序所占用的资源，调用函数节点“Reset myRIO”(函数→myRIO→Device management→Reset)完成myRIO开发平台的复位工作。

myRIO采集数据并上报云端TCP设备的完整程序如图550所示。



图550myRIO采集数据并上报云端TCP设备的完整程序



运行程序，myRIO端显示数据采集结果如图551所示。



图551myRIO端显示数据采集结果


此时登录TLink物联网平台，打开监控中心，可观测到对应的云端TCP设备名称已经由默认的灰色转变为黑色(表示基于myRIO的实体设备与物联网平台云端虚拟设备已经连接)，对应的传感器连接状态指示显示“已连接”，云端TCP设备数据接收结果与myRIO采集数据完全一致，如图552所示。



图552云端TCP设备数据接收结果




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2. 基于UDP的采集数据上传物联网平台

如前所述，基于UDP的采集数据上传物联网云平台功能开发分为两个阶段。首先是TLink物联网平台云端UDP设备创建。

登录后进入控制台。控制台左侧导航栏选择“设备管理→添加设备”，打开TLink物联网平台云端设备创建页面，创建云端UDP设备，如图553所示。



图553创建云端UDP设备


UDP设备的创建意味着各类终端可以通过UDP实现采集数据上报至TLink物联网平台(图553中UDP设备包含2个传感器)的基本功能。

然后在控制台左侧导航栏选择“设备管理→设备列表”，选择创建的UDP设备，单击所选设备行操作连接，进入云端UDP设备的通信连接设置页面，获取设备连接参数信息，定义云端UDP设备用户数据协议，如图554所示。



图554定义云端UDP设备用户数据协议


设备连接参数包括云端UDP设备服务器IP、端口号及设备序列号。TLink物联网平台UDP服务器地址为udp.tlink.io，监听端口号为9896。

当前协议部分可查看或者创建云端UDP设备对应数据协议的结构形式(具体创建方法参见TLink物联网平台开发者文档有关说明)。本案例中数据协议为ASCII编码字符串类型，每个数据帧由5个字符串子串组成： 子串1为数据帧为帧头，由字符@组成； 子串2为传感器1测量值转换的字符串； 子串3为间隔符号“”，子串4为传感器2测量值转换的字符串； 子串5为帧尾，由字符@组成。TLink物联网平台规定，向云端UDP设备上报测量数据，如果定义数据帧结构为字符串，则将设备序列号和数据帧2个字符串类型数据进行连接，形成完整的云端UDP设备通信数据报文。

完成上述准备工作之后，即可开启基于UDP的myRIO采集数据云端发布应用程序设计。

1) 设计目标

本案例设计的目标是myRIO作为物联网数据采集终端，按照TLink物联网平台中创建的云端UDP设备对应的数据协议，将采集的数据封装为云端UDP设备可用的数据帧，以UDP通信的方式将数据帧上传至TLink物联网平台，奠定多终端共享数据的基础。

2) 设计思路

利用myRIO新建项目自动生成的程序模板，保留其三帧程序基本结构。第一帧为初始化帧，借助局部变量完成采集数据显示相关控件的初始化赋值，打开UDP通信套接字； 第二帧为主程序帧，在该帧While循环结构内，按照指定的时间间隔，以产生随机数的方式模拟2路实时数据采集，并将采集的数据封装为上报物联网云平台的UDP数据报文，完成数据报文的UDP发送； 第三帧为程序后处理帧，实现myRIO程序运行结束后的设备重置工作。

3) 程序实现

myRIO程序实现可分解为初始化、采集数据、生成上传数据报文、UDP发送、采集数据本地显示、定时控制、设备重置等步骤。

(1) 初始化。调用函数节点“打开UDP”(函数→数据通信→协议→UDP→打开UDP连接)，设置本地端口8888，创建myRIO连接TLink物联网平台的UDP套接字，并借助局部变量完成采集数据显示相关控件的初始化赋值。

(2) 采集数据。采取0~100随机数产生的方式模拟数据采集过程，调用函数节点“数值至小数字符串转换”(函数→编程→字符串→数值字符串转换→数值至小数字符串转换)将采集的数据转换为字符串类型。

(3) 生成上传数据报文。调用函数节点“连接字符串”(函数→编程→字符串→连接字符串)构造“设备序列号@采集数据1采集数据2@”格式的UDP设备数据帧结构的通信报文。

(4) UDP发送。调用函数节点“写入UDP数据”(函数→数据通信→协议→UDP→写入UDP数据)完成数据帧发送。特别需要指出的是，TLink中UDP服务器IP地址字符串“47.106.61.135”需要通过函数节点“字符串至IP地址转换”(函数→数据通信→协议→TCP→字符串至IP地址转换)设置节点“写入UDP”所需的远程主机IP地址参数值。

设置节点“写入UDP”所需的远程主机端口号为TLink物联网平台UDP设备服务器端口9896。

实际上，TLink物联网平台中仅提供了其UDP设备服务器对应的域名“udp.tlink.io”而UDP通信程序编写时使用的函数节点“写入UDP数据”仅接受IP地址，并不接受域名。可在命令行窗口中键入“ping udp.tlink.io”，查看TLink物联网平台UDP服务器IP地址，如图555所示。



图555命令行ping指令查看UDP远程主机IP地址


(5) 采集数据本地显示。为了显示采集数据数值，设置仪表控件显示2路采集参数，并将2路采集数据借助节点“捆绑”(函数→编程→簇、类与变体→捆绑)封装为簇类型数据，作为“波形图表”控件的显示内容，从而实现2路采集数据波形的实时显示。

(6) 定时控制。为了便于观测，While循环中添加节点“等待”(函数→编程→定时→等待)，设置等待参数为3000ms，实现每3秒采集一次数据，并向云端UDP设备上传一次数据的基本功能(物联网平台为了避免恶意上报导致网络阻塞影响用户使用体验，禁止高速刷新设备数据)。

(7) 设备重置。在程序第三帧中调用函数节点“关闭UDP连接”(函数→数据通信→协议→UDP→关闭UDP连接)，释放UDP通信程序所占用的资源，调用函数节点“Reset myRIO”(函数→myRIO→Device management→Reset)完成myRIO开发平台的复位工作。

myRIO采集数据并上报云端UDP设备的完整程序如图556所示。



图556myRIO采集数据并上报云端UDP设备的完整程序


运行程序，myRIO端程序执行结果如图557所示。



图557myRIO端程序执行结果


此时登录TLink物联网平台，打开监控中心，可观测到对应的UDP设备名称已经由默认的灰色转变为黑色(表示基于myRIO的实体设备与物联网平台云端虚拟UDP设备已经连接)，对应的传感器连接状态指示显示“已连接”，云端UDP设备数据接收结果与myRIO采集数据完全一致，如图558所示。



图558云端UDP设备数据接收结果




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3. 基于HTTP的采集数据上传物联网平台

基于HTTP的采集数据上传物联网平台应用程序是一个典型的HTTP客户端应用程序。应用程序基本结构由“打开句柄”“POST”或“GET”“关闭句柄”三个函数节点组成。如果需要特别设置HTTP请求头部参数，则还需要调用函数节点“添加头”。

(1) 函数节点“打开句柄”用于创建一个HTTP请求的引用。

(2) 函数节点“POST”用于向服务器端发送服务请求数据。

(3) 函数节点“添加头”用于设置HTTP请求必需的头部参数。

(4) 函数节点“关闭句柄”用于释放HTTP通信所占用的资源。

如果客户端需要连续向服务器端发送HTTP请求，一般将节点“打开句柄”置于循环结构之外。循环前调用函数节点“打开句柄”，必要时，还会调用函数节点“添加头”； 循环结束后调用函数节点“关闭句柄”； 循环结构内调用函数节点“POST”实现连续发起HTTP服务请求。这一程序结构设计，避免了连续发送中频繁建立连接、释放资源，有助于提高程序运行效率。

如前所述，基于HTTP的采集数据上传物联网云平台功能开发首先需要完成物联网平台云端HTTP设备创建。

登录后进入控制台。控制台左侧导航栏选择“设备管理→添加设备”，打开TLink物联网平台云端设备创建页面，创建云端HTTP设备，如图559所示。



图559创建云端HTTP设备


HTTP设备的创建意味着各类终端可以通过HTTP实现采集数据上报至TLink物联网平台(图559中TCP设备包含2个传感器)的基本功能。

TLink中创建的HTTP设备，理所当然地使用HTTP进行数据发布和访问。基于HTTP完成传感器数据上报相关申请信息如下。

请求方式： POST。

API地址： http://api.tlink.io/api/device/sendDataPoint。

需要设置以下4个头部参数。

Authorization： Bearer+空格+Access Token，注意Bearer后面的空格。

TLinkAppId： 客户端 clientId。

ContentType: application/json。

cachecontrol: nocache。

HTTP请求Body参数为JSON格式，根据采集数据常见的数值类型、定位类型、开关类型、字符串型，制定了基本规范如下所示。

{

"userId":20*****080, //用户ID,必选

"addTime":"2019-10-28 12:01:00",//上报时间，可选

"deviceNo":"2U8******N8I9Z",//设备序列号，必选

"sensorDatas":［//上报的数据集合

{//数值型，档位型

"sensorsId":20****003,//传感器ID

"value":"10.0"//数值型数值

},

{//定位型

"sensorsId":20******6,//传感器ID

"lat":39.9,//定位型纬度

"lng":116.3//定位型经度

},

{//开关型

"sensorsId":20****597,//传感器ID

"switcher":"1"//开关型数值

},

{//字符串型

"sensorsId":20******98,//传感器ID

"string":"字符ABCabc"//字符串数据

}

］

}

应用系统开发时，可根据实际数据采集的数据类型对上述规范进行裁剪，可以仅包含数值类型数据，亦可包含全部四种数据类型。

本案例查看TLink个人账号信息可得知用户ID，定义的HTTP设备序列号为"A7A××××××××××"，该设备包括2个传感器参数，其传感器ID分别为200585202和200585203，因此可构造其Body参数如下所示。

{

"userId":200033466,//必须填写

"deviceNo": "A7A××××××××××",//设备序列号，必选

"sensorDatas": ［ //上报的数据集合

{ 

"sensorsId": 200585202, //传感器ID

"value":"10.0"//数值型数值

},

{

"sensorsId": 200585203, //传感器ID

"value": "20.0" //数值型数值

}

］

}

物联网平台中HTTP设备的访问、数据发布可以使用任何标准的HTTP客户端访问TLink提供的相关API接口。为了增强HTTP安全机制，TLink物联网平台HTTP相关API接口访问使用了OAuth 2.0的权限管理，即基于HTTP访问相关API，需要提供Access Token 方可调用。

AccessToken是客户端访问资源服务器的令牌。拥有这个令牌代表得到用户的授权。然而，这是个临时授权，有一定有效期。Access Token限定一个较短的有效期可以降低因Access Token 泄露而带来的风险。

为了安全，Oauth 2.0 引入Refresh token和Client Secret两个措施，刷新Access Token 时，需要验证Client Secret，Refresh Token的作用是刷新Access Token。Refresh Token 的有效期非常长，会在用户授权时随Access Token一起重定向到回调url，传递给客户端。

首次获取Access Token，必须先查找TLink物联网平台个人账号信息中的Client ID、secret。TLink物联网平台注册后，用户中心可以查看到账号相关信息。

首次获取accessToken需要可以使用HTTP调试助手PostMan。打开PostMan，选择认证类型，设置为OAuth 2.0，如图560所示。



图560PostMan中OAuth 2.0生成访问令牌配置窗口


单击“Get New Access Token”按钮，弹出如图561所示的窗口，图中Access Token就是获取的访问令牌。



图561访问令牌创建结果


由于Access Token具有一定的使用期限，因此过期后不能继续使用。幸运的是，申请Access Token时，还返回一个refresh_token(57a883b894174b68bcbb5d646a70d2e9)，refresh_token可以保持在很长一段时间内(60天)不改变。TLink物联网平台提供了利用refresh_token获取最新Access Token，可以通过向服务器发出HTTP POST请求的方式进行。

POST请求地址如下所示。

http://api.tlink.io/oauth/token?grant_type=refresh_token&refresh_token=***&client_id=***&client_secret=***

将请求地址中的***替换为用户账号中对应的信息，并发起一个请求，返回结果如图562所示。



图562刷新访问令牌测试


可以获取刷新后的access_token为"62af5f77a23f466fb2f74bf1bd74452b"，亦可观测到对应的refresh_token为"57a883b894174b68bcbb5d646a70d2e9"。

根据前述TLink中HTTP设备访问API接口相关参数说明及HTTP访问API接口的安全机制，调用API接口必须使用最新的Access Token或者使用refresh_token获取最新Access Token。

完成上述准备工作之后，即可开启基于HTTP的myRIO采集数据云端发布应用程序设计。

1) 设计目标

本案例设计的目标是myRIO作为物联网数据采集终端，按照TLink物联网平台中创建的云端HTTP设备对应的数据协议，将采集的数据封装为云端HTTP设备可用的数据报文，以HTTP通信的方式将数据帧上传至TLink物联网平台，奠定多终端共享数据的基础。

2) 设计思路

利用myRIO新建项目自动生成的程序模板，保留其三帧程序基本结构。第一帧为初始化帧，完成HTTP客户端创建以及头部参数设置； 第二帧为主程序帧，在该帧While循环结构内，按照指定的时间间隔，以产生随机数的方式模拟2路实时数据采集和数据显示，并将采集的数据封装为物联网平台云端HTTP设备数据报文，上报物联网云平台HTTP设备服务器； 第三帧为程序后处理帧，实现myRIO程序运行结束后的设备重置工作。

3) 程序实现

myRIO程序实现可分解为初始化、采集数据、生成HTTP请求体、POST请求、采集数据本地显示、定时控制、设备重置等步骤。

(1) 初始化。调用函数节点“打开句柄”，建立myRIO和TLink物联网平台中HTTP设备服务器之间的HTTP连接引用，并连续三次调用函数节点“添加头”，依次设置HTTP请求的头部参数ContentType取值为application/json； 头部参数Authorization取值为Bearer AccessToken； 头部参数TLinkAppId取值为TLink中用户的Client ID。

其中AccessToken调用自定义函数节点GetAccessToken.vi获取。该函数节点的实现思路就是按照TLink中的Access Token刷新API使用方法，调用函数节点“POST”，设置其参数url取值为API接口地址及refreshToken、client_id、client_secret等参数合并结果。HTTP请求结果调用JSON API工具包中提供的函数节点解析出JSON格式的请求结果中成员access_token的取值，作为最新的Access Token取值。自定义函数节点GetAccessToken.vi程序实现如图563所示。



图563自定义函数节点GetAccessToken.vi程序实现


自定义函数节点GetAccessToken.vi中使用了自定义函数节点GetRefreshToken.vi(节点图标显示文本GET TOKEN)，该函数节点的功能就是读取用户载入myRIO板载硬盘的文件RefreshToken.txt，获取处于生命周期内的refreshtoken，作为刷新Access Token对应的API调用参数。自定义函数节点GetAccessToken.vi程序实现如图564所示。



图564自定义函数节点GetAccessToken.vi程序实现


本案例中，myRIO首先通过Refresh Token及Client ID等参数刷新鉴权服务器，获取最新Access Token。为了便于myRIO应用程序使用处于生命周期内的Refresh Token，将Refresh Token存储为txt格式的文本文件，以RefreshToken.txt为文件名，并在部署应用程序之前，装载进myRIO板载硬盘文件夹/home/lvuser/下。程序运行时，myRIO首先读取指定路径下的文件/home/lvuser/RefreshToken.txt，获取当前用户装载的Refresh Token。然后访问鉴权服务器，利用Refresh Token获取最新Access Token，最后利用最新的Access Token参数访问TLink中HTTP设备，将采集数据上传至物联网平台。

(2) 采集数据。在第二帧主程序帧中，采取产生0~100的随机数及调用函数节点“转换为无符号单字节整型”(函数→编程→数值→转换→转换为无符号单字节整型)的方式模拟整数型数据采集过程。

(3) 生成HTTP请求体。在HTTP设备刷新设备数据的API接口中，Body参数为JSON格式字符串，因此设计自定义函数节点CreateBody.vi，将采集的2个整数数据封装为API接口中定义的JSON格式请求数据(为了简化程序设计，这里采取字符串连接的方式，封装HTTP请求Body参数)，对应的自定义函数节点CreateBody.vi程序实现如图565所示。




图565自定义函数节点CreateBody.vi程序实现


(4) POST请求。调用函数节点“POST”(函数→数据通信→协议→HTTP客户端→POST)，设置输入端口“缓冲区”为（3）中自定义子VI生成的请求数据，设置输入端口url为TLink中HTTP设备API接口地址，实现采集数据的云端发布功能。

(5) 采集数据本地显示。为了显示采集数据数值，设置滑动条显示2路采集参数，并将2路采集数据借助节点“捆绑”(函数→编程→簇、类与变体→捆绑)封装为簇类型数据，作为“波形图表”控件的显示内容，从而实现2路采集数据波形的实时显示。

(6) 定时控制。为了便于观测，While循环中添加节点“等待”(函数→编程→定时→等待)，设置等待参数为3000ms，实现每3秒采集一次数据，并向服务器端上报一次数据的基本功能(物联网平台为了避免恶意上报导致网络阻塞影响用户使用体验，禁止高速刷新设备数据)。

(7) 设备重置。在程序第三帧中调用函数节点“关闭句柄”(函数→数据通信→协议→HTTP客户端→关闭句柄)，释放HTTP通信程序所占用的资源，调用函数节点Reset myRIO(函数→myRIO→Device management→Reset)完成myRIO开发平台的复位工作。

myRIO采集数据并上报云端HTTP设备的完整程序实现如图566所示。



图566myRIO采集数据并上报云端HTTP设备的完整程序实现


运行程序，myRIO端基于HTTP的数据采集并上报云端设备程序执行结果如图567所示。



图567myRIO端基于HTTP的数据采集并上报云端设备程序执行结果


此时登录TLink物联网平台，打开监控中心，可观测到对应的HTTP设备名称已经由默认的灰色转变为黑色(表示基于myRIO的实体设备与物联网平台虚拟HTTP设备已经连接)，对应的传感器连接状态指示显示“已连接”，云端HTTP设备数据接收结果与myRIO采集数据完全一致，如图568所示。



图568云端HTTP设备数据接收结果




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4. 基于MQTT协议的采集数据发布物联网平台

MQTT(Message Queuing Telemetry Transport，MQTT)是由IBM公司主导开发的一种发布/订阅范式的物联网即时通信协议。MQTT协议基于TCP实现，运行在TCP长连接的基础上，可为网络设备提供低开销、低带宽的有序、可靠、双向连接的网络连接保障，在物联网领域具有重要的地位。

MQTT协议的程序设计有两种实现途径。一种是借助MQTT工具包实现(相对简单，需要熟悉MQTT协议)，另一种是基于TCP通信自行封装MQTT报文(还需要进一步熟悉MQTT协议的14种数据帧格式)实现MQTT协议通信。本案例使用NI提供的MQTT工具包实现。

MQTT工具包提供的函数节点如图569所示。



图569MQTT工具包提供的函数节点


物联网终端向物联网平台发布其采集数据的功能实现主要使用以下5类函数节点。

(1) api_mqttInit.vi，用于MQTT通信初始化设置，设置MQTT通信服务器IP、端口并设置MQTT协议通信需要的用户名、密码等参数。

(2) api_mqttConnect.vi，用于连接MQTT服务器。

(3) api_mqttPublish.vi，用于向MQTT服务器发布数据。

(4) api_mqttDisconnect.vi，用于断开MQTT服务器连接。

(5) api_mqttFree.vi，用于释放MQTT通信占有的资源。

基于MQTT协议的采集数据上传物联网平台功能开发，首先需要完成物联网平台云端MQTT设备创建。

登录后进入控制台。控制台左侧导航栏选择“设备管理→添加设备”，打开TLink物联网平台云端设备创建页面，完成云端MQTT设备的创建。然后在控制台左侧导航栏选择“设备管理→设备列表”，选择创建的MQTT设备，单击所选设备行操作链接“设备连接”，可观测到云端MQTT设备通信连接相关信息如图570所示。



图570云端MQTT设备通信连接相关信息


MQTT设备的创建意味着各类终端可以通过MQTT协议实现采集数据上报至TLink物联网平台的基本功能。物联网终端采集的数据上报云端MQTT设备，需要使用MQTT服务器IP地址(mq.tlink.io)、监听端口(1883)、MQTT设备序列号3个通信连接参数。


单击物联网平台MQTT设备管理页面“生成示例”按钮，即可弹出窗口显示物联网终端上报物联网平台云端MQTT设备的数据报文组成结构样例，如图571所示。



图571上报物联网平台云端MQTT设备的数据报文组成结构样例


从图571可见，物联网终端向物联网平台MQTT设备发布的消息为JSON格式字符串，具体内容与生成协议时是否勾选“ID”“读写标识”“上传时间”等选项有关。

完成上述准备工作，即可开始基于MQTT的myRIO采集数据云端发布应用程序设计。

1) 设计目标

本案例设计的目标是myRIO作为物联网数据采集终端，遵循TLink物联网平台中创建的云端MQTT设备上传数据报文结构，将采集的数据封装为云端MQTT设备可处理的消息，实现MQTT协议的消息发布功能，奠定多终端共享数据的基础。

2) 设计思路

利用myRIO新建项目自动生成的程序模板，保留其三帧程序基本结构。第一帧为初始化帧，创建MQTT连接的引用，设置MQTT连接参数； 第二帧为主程序帧，在该帧While循环结构内，按照指定的时间间隔，以产生随机数的方式模拟2路实时数据采集和数据显示，并将采集的数据封装为JSON格式的物联网平台云端MQTT设备可处理的数据报文，完成MQTT协议消息发布； 第三帧为程序后处理帧，主程序结束后断开MQTT连接，并实现myRIO程序运行结束后的设备重置工作。

3) 程序实现

myRIO程序实现可分解为初始化、采集数据、生成发布消息、完成消息发布、本地消息显示、定时控制、设备重置等步骤。

(1) 初始化。调用函数节点api_mqttInit.vi创建MQTT连接的引用； 调用函数节点api_mqttConnect.vi建立myRIO和TLink物联网平台中MQTT设备服务器之间的连接(IP 地址： mq.tlink.io； 端口： 1883)。

(2) 采集数据。采取0~200的随机数产生的方式模拟浮点型2个传感器数据采集过程。

(3) 生成发布消息。调用函数节点“格式化写入字符串”(函数→编程→字符串→格式化写入字符串)，将采集的2个数据分别转换为带1位小数位的浮点数字符串、整数字符串； 调用函数节点“连接字符串”(函数→编程→字符串→连接字符串)，将采集的数据封装为JSON格式MQTT设备发布消息。

特别需要指出的是，按照TLink物联网平台规定，向MQTT设备发布消息，需要指定消息对应的Topic，TLink物联网平台中MQTT设备的Topic实际上就是该设备的序列号。如果发布消息仅指定MQTT设备的某一传感器值，则Topic为“设备序列号/传感器ID”格式的字符串。

(4) 完成消息发布。调用函数节点api_mqttPublish.vi，设置该节点输入参数Topic为TLink中创建的MQTT设备序列号； 设置该节点输入参数value为上一步封装的JSON格式MQTT设备数据链接协议对应的字符串，实现采集数据的发布功能； 该节点输出参数success连接布尔类型圆形指示灯、连接myRIO函数选板中提供的Express VI LED(函数→myRIO→LED)(仅勾选LED3)，实现消息发布成功后，程序界面显示提醒及myRIO板载第4颗LED发光提醒功能。

(5) 本地消息显示。为了显示采集数据数值，设置滑动条显示2路采集参数，并将2路采集数据借助节点“捆绑”(函数→编程→簇、类与变体→捆绑)封装为簇类型数据，作为“波形图表”控件的显示内容，从而实现2路采集数据波形的实时显示。

(6) 定时控制。为了便于观测，向While循环中添加节点“等待”(函数→编程→定时→等待)，设置等待参数为2000ms，实现每2秒采集一次数据，并向云端MQTT设备发布一次消息的基本功能。

(7) 设备重置。程序第三帧中调用函数节点api_mqttDisconnect.vi断开MQTT连接，调用函数节点api_mqttFree.vi释放占用资源，调用函数节点Reset myRIO(函数→myRIO→Device management→Reset)完成myRIO开发平台的复位工作。

myRIO采集数据并向云端MQTT设备发布消息的完整程序实现如图572所示。



图572myRIO采集数据并向云端MQTT设备发布消息



运行程序，myRIO端数据采集及MQTT消息发布结果如图573所示。



图573myRIO端数据采集以及MQTT消息发布结果



此时登录TLink物联网平台，打开监控中心，可观测到对应的MQTT设备名称已经由默认的灰色转变为黑色(表示myRIO实体设备与物联网平台云端虚拟MQTT设备已经连接)，对应的传感器连接状态指示显示“已连接”，云端MQTT设备数据接收结果与myRIO采集数据完全一致，如图574所示。



图574云端MQTT设备数据接收结果




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5. 基于MQTT协议的物联网平台信息订阅

MQTT协议中消息订阅指的是客户端关注了MQTT服务器某一主题，一旦该主题有新消息发布，则订阅了该主题的客户端会接收到其订阅主题最新发布的消息。本案例使用NI提供的MQTT工具包进行MQTT服务器连接、消息订阅等功能的程序设计。工具包中用于消息订阅相关的函数节点如下所示。

(1) api_mqttInit.vi，用于MQTT通信初始化设置，设置MQTT通信服务器IP、端口并设置MQTT协议通信需要的用户名、密码等参数。

(2) api_mqttConnect.vi，用于连接MQTT服务器。

(3) api_mqttSubscribe.vi，用于向MQTT服务器订阅数据。

(4) api_mqttDisconnect.vi，用于断开MQTT服务器连接。

(5) api_mqttFree.vi，用于释放MQTT通信占用的资源。

另外，订阅主题消息还需要使用2个功能节点。

(1) “注册事件”，用于创建MQTT通信时的动态事件处理。

(2) “取消注册事件”，用于结束程序运行时销毁动态事件所占用资源。

基于MQTT协议的采集数据上传物联网云平台功能开发，首先需要完成物联网平台云端MQTT设备创建。具体方法与上一案例完全相同，读者可以根据项目需要模仿上一案例完成TLink物联网平台云端MQTT设备创建，这里不再赘述。

完成上述准备工作，即可开始基于MQTT的myRIOmyRIO物联网平台消息订阅应用程序设计。

1) 设计目标

本案例设计的目标是myRIO作为物联网控制终端，连接TLink物联网平台MQTT服务器，并订阅感兴趣的主题，实时获取该主题最新发布的消息，提取消息内容，当消息中传感器测量值大于设定的阈值时，myRIO控制板载LED显示报警，实现根据订阅消息实施自动控制的功能模拟。

2) 设计思路

利用myRIO新建项目自动生成的程序模板，保留其三帧程序基本结构。第一帧为初始化帧，创建MQTT连接的引用，设置MQTT连接参数，完成订阅MQTT消息的动态事件注册； 第二帧为主程序帧，在该帧While循环结构内，通过事件结构处理MQTT消息对应的动态事件，提取订阅MQTT消息中Topic和value，其中value的取值为JSON格式的MQTT协议消息体，myRIO解析并获取消息中需要的数据，并根据需要对提取的数据进行处理，根据处理结果控制板载LED亮灭； 第三帧为程序后处理帧，主程序结束后断开MQTT连接，并实现myRIO程序运行结束后的设备重置工作。

3) 程序实现

myRIO程序实现可分解为初始化、订阅消息获取与应用、订阅消息解析子VI设计、释放MQT资源与设备重置等步骤。

(1) 初始化。初始化部分由2个顺序帧组成，第一帧中对有关数据、控件的初始赋值，并且恢复板载LED显示状态，对应的程序实现如图575所示。


第二帧中调用函数节点api_mqttInit.vi、节点“注册事件”、节点api_mqttConnect.vi及节点api_mqttSubscribe.vi，完成TLink物联网平台中MQTT服务器的连接、消息订阅、订阅消息处理的动态事件注册(IP 地址： mq.tlink.io； 端口： 1883)，如图576所示。



图575MQTT订阅程序初始化部分第一帧程序框图




图576MQTT订阅程序初始化部分第二帧程序框图


特别需要指出的是，按照TLink物联网平台规定，订阅MQTT设备消息，需要指定消息对应的Topic——TLink中MQTT设备的Topic实际上就是该设备对应的序列号。Topic为“设备序列号/传感器ID”格式的字符串。本案例中订阅消息时设置订阅主题为“××××××××××/+”，“+”为通配符，表示序列号为“××××××××××”的MQTT设备所有传感器均处于客户端的订阅、监听状态。

(2) 订阅消息获取与应用。MQTT协议订阅消息的获取，第二帧为主程序帧，为While循环结构下的应用程序核心业务功能开发，需要监听MQTT用户事件，获取用户事件中Topic、value等参数值。

MQTT协议中接收到订阅消息需要通过主程序帧中While循环结构内的事件结构对于初始化帧中注册的多态事件监听实现。

右击while循环结构中的事件结构，选择“显示动态事件接线端”，实现事件结构中动态事件接线端的添加。动态事件接线端输入端口连接节点“注册事件”，输出端口连接节点“事件注册引用句柄”，此时右击事件结构“选择器标签”选择“添加事件分支”，在弹出对话框中选择“多态→MQTT<event>用户事件”→“确定”，完成订阅消息接收事件处理子框图的创建。

事件结构内动态事件处理程序子框图左侧的事件数据节点中可见value、topic等参数。如图577所示。



图577动态事件处理程序子框图左侧的事件数据节点


对于事件数据节点中提供的topic、value进行解析处理，可获得订阅消息的主题名称、消息体。对于消息体进行解析，获取消息体中包含的２个传感器最新测量值。如果传感器测量值大于指定阈值，则控制布尔圆形指示灯显示报警，并且控制板载第4颗LED(LED3)显示报警，对应的MQTT订阅消息处理与显示相关程序实现如图578所示。



图578MQTT订阅消息处理与显示相关程序实现


(3) 订阅消息解析子VI设计。步骤(2)中事件数据节点提供的参数“value”取值为JSON格式的MQTT服务器下行消息，因此设计子VI对JSON格式消息进行解析，获取消息体中包含的传感器ID 、传感器读写标记、传感器测量值等信息，并根据给定的阈值输出越限报警信息，完整的订阅信息解析子VI程序实现如图579所示。



图579订阅信息解析子VI程序实现


(4) 释放MQT资源与设备重置。在程序第三帧中调用函数节点api_mqttDisconnect.vi断开MQTT连接，调用函数节点“取消事件注册”停止动态事件的监听和处理，调用函数节点api_mqttFree.vi释放占用资源，调用函数节点Reset myRIO(函数→myRIO→Device management→Reset)完成myRIO开发平台的复位工作。对应的释放MQT资源与设备重置程序实现如图580所示。



图580释放MQT资源与设备重置程序实现


myRIO订阅云端MQTT设备消息的完整程序实现如图581所示。



图581myRIO订阅云端MQTT设备消息的完整程序实现


运行程序，myRIO建立与TLink物联网平台MQTT服务器连接，并订阅指定主题的消息。打开TLink物联网平台，进入对应的MQTT设备链接协议页面，选择传感器，输入传感器最新取值55，单击“写入指令”按钮，模拟TLink物联网平台中MQTT设备传感器消息发布，如图582所示。


此时打开myRIO应用程序界面，可见myRIO终端成功连接MQTT服务器，并且捕获到订阅主题的JSON格式消息及主题名称。程序对JSON格式消息进行解析，获取消息体中传感器ID、测量值、读写标记等信息，根据设定的阈值判断是否报警。myRIO订阅云端MQTT设备消息程序执行结果如图583所示。



图582模拟TLink物联网平台中MQTT设备传感器消息发布




图583myRIO订阅云端MQTT设备消息程序执行结果