FreeRTOS记录（十、FreeRTOS实现带 I2C 通讯的 ModbusRTU 协议从机实例）

矜辰所致
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还是一个FreeRTOS的例子，这次不是裸机工程转的，没有大部分复制的代码，
所以会把步骤会记录详细一点，这应该也是博文中 FreeRTOS 最后一个例子了
平台： STM32L051C8T6   
	   欧姆龙 D6T 红外测温传感器 I2C 协议 
	   设备作为485从机

本产品的功能就是通过红外测温传感器定时测量温度保存，设备通过RS484接口，使用ModbusRTU协议进行传输，设备作为从机接收主机的查询上报温度等其他数据。

具体的理论分析请参考博文 MODBUS RTU 485 部分：MODBUS RTU 485 协议简要说明

一、STM32CubeMX 创建工程

第一步创建工程，这个以前博文中就提到过很多次了，实在不会去看一下我FreeRTOS记录（九、一个裸机工程转FreeRTOS的实例）中的说明，里面的 2.1 基本框架搭建 有所有相关的博文地址。

这里我就简单放一个步骤，说明一下我的基本设置：

1.1 芯片基本设置

  1. GPIO口，按键，LED，一个I2C传感器：

    在这里插入图片描述

  2. 系统时钟源，使用外部高速时钟：

    在这里插入图片描述

  3. 基础时钟源和调试方式，不勾选 Debug Serial Wire 烧录一次就会锁死，不能正常烧录，需要手动操作：

    图片.png

  4. 系统时钟频率，使用的STM32L051 ，最大支持32MHz，这里就选32MHz：

    图片.png

  5. 定时器设置，根据自己的使用习惯，两个定时器，一个定时器做基本逻辑时间管理，一个用于按键驱动的定时器：

    图片.png

  6. 串口设置，2个串口，一个用于打印的调试串口1，一个用于485通讯的串口：

    图片.png

1.2 FreeRTOS基本设置

  1. 任务和消息队列的创建，要考虑到设备的主要功能有哪些，传感器读取，485通讯，按键用来做一些观察测试（按键其实可以不用，但是考虑也可以通过按键来设置485的地址，这个想法再看）：

    图片.png

  2. 打开任务运行情况查询功能，确保实施观察任务运行状态，这个东西熟悉了以后或者等系统稳定以后可以去掉：

    图片.png

    图片.png

  3. 然后就可以生成代码了，用什么环境选什么，我用的是 gcc 环境，这里选用的是 Makefile ，这里最后我还有个小操作，把堆空间改小了一点：

    图片.png

二、基本框架代码添加

2.1 一些习惯的typedef 和 宏定义

根据个人习惯，把数据类型的名称命名头文件加入工程，在main.h文件中包含，这样在写代码的时候一些就可以根据个人习惯使用数据类型了：

图片.png

接下来对LED灯，和I2C引脚进行需要的宏定义：

图片.png

2.2 各外设相关代码

2.2.1 定时器（逻辑处理和按键驱动计时）

定义两个全局变量，分别计算 定时器2 和 定时器 21的次数：

在这里插入图片描述

对于定时器21，直接计数就可以，后面在按键驱动中使用Timer21_count的值：

图片.png

对于定时器2，在stm32l0xx_it.c文件中，进入定时器中断就处理，因为这里可能需要在中断中发送FreeRTOS任务通知或者消息等：

图片.png

2.2.2 串口（调试串口和485通讯串口）

首先打印串口使用USART1，printf重定义，然后就能直接使用printf了：

图片.png

接下来485通讯串口 USRAT2，我们需要使用 FreeRTOS 消息队列来发送通讯消息，需要在中断处理函数中操作：

图片.png

上面是把串口接收到的消息放入消息队列，我们在 freertos.c文件中，把对应的接收消息队列的部分框架搭建好，同时自己要建立一个缓存用来保存消息队列的数据：

在这里插入图片描述

在StartModbusTask任务中：

图片.png

完成上面的框架，别忘了打开串口接收中断，但是要注意，因为使用了消息队列接收，打开中断需要等FreeRTOS 初始化完了以后，否者会出现问题！

如下图，我们在MX_FREERTOS_Init函数中结尾处，打开串口2 接收中断：

图片.png

2.2.3 按键

按键的话，我还是使用以前的那个驱动代码，就直接复制过来，修改一下定时器源：

几个实用的按键驱动

图片.png

增加了.c 文件记得在Makefile中也添加一下：

图片.png

三、各外设函数代码

3.1 485从机驱动（ModbusRTU协议）

具体的理论分析请参考博文 MODBUS RTU 485 部分：[MODBUS RTU 485 协议简要说明](juejin.cn/post/715196…

先把CRC16校验的文件包含进来：

图片.png

然后写一下命令处理函数：

图片.png

最后实现一下Modbus_03_ack函数。

3.1.1 寄存器地址的疑问

在写驱动代码的时候，忽然想到一个问题，寄存器地址该如何定义？

假如我们就从 0x0000 开始，然后依次+1 的定义寄存器，通过一个数组 test[n]是可以一一对应的，这个没问题。

图片.png

但是看各厂家有些设备，地址不是连续的，而且有小的有大的，比如：

在这里插入图片描述

上面这种情况总不能定义一个这么大的数组 test[0x0101]

(后续补充说明后来想想这个好像也不大，257，作为一款产品，肯定是厂家会保证产品地址在一定的范围内，然后可以用一个数组顺序对应寄存器地址，即便有多个通道，也是会用不同的数组表示，在一定的范围内可以离散，但是差距太大的话就得分不同数组)

当然，即使这样，我们依旧可以按照如下对应：

图片.png

但是问题是，看到设备的说明里面，从地址0000H 开始读取数据，读取7个长度的数据，0001H 到 0006H 的数据都会返回 0，这样子的话，单单用一个数组就不好处理了：

在这里插入图片描述

暂时想不出来 一个数组如何才能知道 他是否是连续的寄存器地址呢？不确定是不是还有其他的设定？（答案应该是上面红色部分）

当然，我考虑过使用 结构体，因为结构体的话，可以先针对的判断寄存器的ID，然后再处理数据，比如：

图片.png

但是使用结构体数据处理相对来说 就没有数组那么简单，其实最主要的，关键还是在于产品定义的寄存区是否连续，如果连续的话，处理起来都没问题。

所以目前这个示例我还是把地址设置为连续的，通过一个数组，人为的定义好对应关系。

这里就直接上源码，把Modbus_rtu.c的源码都放上来：

#include "Modbus_rtu.h"
#include "stdio.h"

void Modbus_check()
{
    u16 crc;
    u16 receivecrc1;
    u16 receivecrc2;
    u8 sendbuff[5];

    crc = Checksum_CRC16(USART2_BUF,USART2_Data - 2);
    printf("crc is :0x%x\r\n",crc);
    /*No matter the high bits before or the low bits before*/
    receivecrc1 = (USART2_BUF[USART2_Data - 2]<<8) + USART2_BUF[USART2_Data - 1];
    receivecrc2 = (USART2_BUF[USART2_Data - 1]<<8) + USART2_BUF[USART2_Data - 2];
    // if((lrc == receivelrc2)||(lrc == receivelrc1)){
    //     if(USART2_BUF[0] == mymodbus_add){
    //这里说明一下，先判断地址，然后返回错误，如果先判断校验，如果出错了，那么总线上所有都同时返回就有问题了
    if(USART2_BUF[0] == mymodbus_add){        
        if((crc == receivecrc2)||(crc == receivecrc1)){
            switch (USART2_BUF[1]){
            case 3:
                Modbus_03_ack();
                break;
            case 6:
                Modbus_06_ack();
                break;           
            default:
                printf("An unsupported command!\r\n");//for test
                break;
            }
        }
        else{ //校验错误，返回异常
            sendbuff[0] = mymodbus_add;
            sendbuff[1] = 0x80 | USART2_BUF[1];
            sendbuff[2] = 0;
            crc = Checksum_CRC16(sendbuff,3);
            sendbuff[3] = (u8)(crc >> 8);
            sendbuff[4] = (u8)crc;
            Uart2_sendBuffer(sendbuff,5);
        }
    }   
}

void Modbus_03_ack(){
  u16   Register_add;  // 2,3
  u16   Register_len;  // 4,5
  u16   crc;
  u8    i;
  u8    j;

  Register_add = (USART2_BUF[2]<<8) + USART2_BUF[3]; //get add;
  Register_len = (USART2_BUF[4]<<8) + USART2_BUF[5]; //get len;

  u8 sendbuff[Register_len*2 + 5];
  /*
  如果读取的地址写错了，或者读取长度超过规定的长度
  返回错误
  */
  if(( 0x0010 <= Register_add)&&( Register_add <= 0x0014 )&&(Register_len < 6)){  
    i = 0;
    sendbuff[i++] = mymodbus_add;
    sendbuff[i++] = 0x03;
    sendbuff[i++] = Register_len<<1;
    switch(Register_add){
    case 0x0010:
        for(j=0;j<Register_len;j++){
            sendbuff[i++]= (u8)(Register_value[0+j]>>8);    //发送读取数据字节数的高位 
            sendbuff[i++]= (u8)Register_value[0+j];	  //发送读取数据字节数的低位 
        }
        break;
    case 0x0011:
        for(j=0;j<Register_len;j++){
            sendbuff[i++]= (u8)(Register_value[1+j]>>8);     
            sendbuff[i++]= (u8)Register_value[1+j];	   
        }
        break;           
    case 0x0012:
        for(j=0;j<Register_len;j++){
            sendbuff[i++]= (u8)(Register_value[2+j]>>8);     
            sendbuff[i++]= (u8)Register_value[2+j];	       
        }
        break;
    case 0x0013:
        for(j=0;j<Register_len;j++){
            sendbuff[i++]= (u8)(Register_value[3+j]>>8);    
            sendbuff[i++]= (u8)Register_value[3+j];	   
        }
        break; 
    case 0x0014:
        for(j=0;j<Register_len;j++){
            sendbuff[i++]= (u8)(Register_value[4+j]>>8);     
            sendbuff[i++]= (u8)Register_value[4+j];	       
        }
        break;
    default:break;  
    }
    crc = Checksum_CRC16(sendbuff,i);
    sendbuff[i++] = (u8)(crc >> 8);
    sendbuff[i++] = (u8)crc;
    Uart2_sendBuffer(sendbuff,i);
  }
  else{//地址不在规定返回或者长度太长，返回错误
    sendbuff[0] = mymodbus_add;
    sendbuff[1] = 0x80 | USART2_BUF[1];
    sendbuff[2] = 0;
    crc = Checksum_CRC16(sendbuff,3);
    sendbuff[3] = (u8)(crc >> 8);
    sendbuff[4] = (u8)crc;
    Uart2_sendBuffer(sendbuff,5);
  }
}

void Modbus_06_ack(){   
}

3.1.2 485 驱动测试

485接收部分驱动完成，这里需要测试一下，测试过程确实发现了问题，但是都是小问题，整体框架逻辑是正常的，在处理校验位的时候，数据位数处理有点大意了（上面贴出的程序是已经修改过的）：

在这里插入图片描述

把第一个寄存器设置一个值：

在这里插入图片描述

测试结果，一切正常：

在这里插入图片描述

测完了还是把 06 写单个寄存器的函数给补充一下，目前只开放一个数据，就是设备ID的写入，直接上代码：

void Modbus_06_ack(){
  u16   Register_add;  // 
  u16   val;  // 
  u16   crc;
  u8    i;
  u8    sendbuff[8] = {0};
  if(USART2_Data < 9){     
    Register_add = (USART2_BUF[2]<<8) + USART2_BUF[3]; //get add;
    val = (USART2_BUF[4]<<8) + USART2_BUF[5]; //

    if(Register_add == 0x0013){
        mymodbus_add = val;
        Register_value[3] = mymodbus_add;
        i = 0;
        sendbuff[i++] = mymodbus_add;
        sendbuff[i++] = 0x06;
        sendbuff[i++] = (u8)(Register_add>>8);     
        sendbuff[i++] = (u8)Register_add;	
        sendbuff[i++] = (u8)(val>>8);     
        sendbuff[i++] = (u8)val;
        crc = Checksum_CRC16(sendbuff,i);
        sendbuff[i++] = (u8)(crc >> 8);
        sendbuff[i++] = (u8)crc;
        Uart2_sendBuffer(sendbuff,i);	 
    }
    else{//写地址不在规定范围
        sendbuff[0] = mymodbus_add;
        sendbuff[1] = 0x80 | USART2_BUF[1];
        sendbuff[2] = 3;
        crc = Checksum_CRC16(sendbuff,3);
        sendbuff[3] = (u8)(crc >> 8);
        sendbuff[4] = (u8)crc;
        Uart2_sendBuffer(sendbuff,5);
    }
  }
  else{//写地址不在规定范围
    sendbuff[0] = mymodbus_add;
    sendbuff[1] = 0x80 | USART2_BUF[1];
    sendbuff[2] = 1;
    crc = Checksum_CRC16(sendbuff,3);
    sendbuff[3] = (u8)(crc >> 8);
    sendbuff[4] = (u8)crc;
    Uart2_sendBuffer(sendbuff,5);
  }    
}

测试一下效果，如下图，看上去OK：

在这里插入图片描述

想了一下，不对啊？

修改地址应该有个限制，从机的地址应该在： 1~ 247 （0XF7）

所以以代码里面还得加一个限制（按理来说应该是先判断地址，如果是写ID的寄存器，才需要限制从机地址大小，其他寄存器，是可以写其他数值的，因为示例中只开放ID寄存器的写操作，所以这里问题不大，但是在完善自己的从机代码的时候这里得注意一下逻辑！！！）：

在这里插入图片描述

3.2 D6T传感器驱动（I2C协议）

I2C的基础知识这里就不多介绍了，网上很多，我那个总线协议记录里面也介绍了。

3.2.1 通用I2C驱动

I2C协议需要用到 us 延时，HAL库里面没有， FreeRTOS里面也没，这里我们还是用以前常用的自己写一个：

在这里插入图片描述

我们使用的是软件的I2C，所以要把通用的 I2C 驱动写一下，新建一个i2c.c和一个i2c.h文件作为软件 I2C的通用驱动，这里直接上源码：

#include "i2c.h"

// ------------------------------------------------------------------
void i2c_init(void)  {
  
// the SDA and SCL pins are defined as input with pull up enabled
  // pins are initialized as inputs, ext. pull => SDA and SCL = high

}
// ------------------------------------------------------------------
// send start sequence (S)

void i2c_start(void)
{
   sda_high;
   delay_us(5);
   scl_high;
   delay_us(10);
   sda_low;
   delay_us(10);
   scl_low; //使SCL置低，准备发送或者接受数据
   delay_us(10);
}

// ------------------------------------------------------------------
// send stop sequence (P)
void i2c_stop(void)
{ 
   sda_low;
   delay_us(5);
   scl_low;
   delay_us(10);
   scl_high;
   delay_us(5);
   sda_high;
   delay_us(10); 
}
// ------------------------------------------------------------------
// returns the ACK or NACK
uint8 i2c_write(uint8 u8Data) 
{
	uint8 u8Bit;
	uint8 u8AckBit;
	// write 8 data bits
	u8Bit = 0x80;  //msb first  
	while(u8Bit) {
		if(u8Data&u8Bit) { 
			sda_high;
			delay_us(20);
		} 
		//& compare every bit
		else{ 
			sda_low;
			delay_us(20);
		}			
		scl_high;
		delay_us(30);
		u8Bit >>= 1; 
		//next bit
		scl_low;
		delay_us(30);
	}
	// read acknowledge (9th bit) 
	sda_high;                                               
	delay_us(10);		
	scl_high;
	delay_us(10);
	u8AckBit= sda_read;	//#define sda_read()  (sda_port & sda_pin)? 1 :0  ack on bus is low -> u8AckBit = 1   sda_port gpio0   sda_pin SCSEDIO0
	delay_us(10);
    scl_low;                                              
	delay_us(10);
    return u8AckBit;
}

//读1个字节，ack=1时，发送ACK，ack=0，发送nACK   
u8 i2c_read_byte(unsigned char ack)
{
	unsigned char i,receive=0;
	// MYSDA_IN;//SDA设置为输入
   for(i=0;i<8;i++ )
	{
        scl_low;    //SCL为由低变高，在SCL高的时候去读 SDA的数据
        delay_us(10);
		scl_high;
        receive<<=1;  //第一次这里还是0，第二次开始每次接收的数据做移动一位，从高位开始接收
        if(sda_read)receive++;   //如果数据为1，++以后就是1，数据为0，不执行就是0； 
		  delay_us(10); 
   }					 
   if (!ack)
        IIC_NAck();//发送nACK
   else
        IIC_Ack(); //发送ACK   
   return receive;
}

// ------------------------------------------------------------------
// pass the ack/nack 
// returns the read data 
uint8 i2c_read(uint8 u8Ack)  
{
	uint8 u8Bit;
	uint8 u8Data;
	u8Bit = 0x80;       // msb first
	u8Data = 0;
	while(u8Bit){
		scl_high;
		
		delay_us(20);
	
		u8Bit >>= 1;    //next bit
		u8Data <<= 1;
	
		u8Data |= sda_read;         //(sda_port & sda_pin)? 1 :0      sda_port gpio0   sda_pin SCSEDIO0
		delay_us(20);
	
		scl_low;
		delay_us(50);
    }
	// 9th bit acknowledge
	if(u8Ack==I2C_ACK) {
		sda_low;
		delay_us(20);
	}     
	//I2C_ACK=0
	else {
		sda_high;
		delay_us(20);
	}
  	scl_high;
	delay_us(20);
	scl_low;
	delay_us(20);
	sda_high;
	delay_us(20);									
    return u8Data;
}

u8 i2c_wait_ack(void)
{
    u8 ucErrTime=0;
	delay_us(5);
    sda_high;delay_us(5);       //MCU DATA 置高，外面高就是高，外面低就是低
    scl_high; delay_us(5);       //CLK 高电平期间数据有效
    while(sda_read)             //低电平为有应答，高电平无应答    
    {
      ucErrTime++;
		if(ucErrTime>250)
		{
			i2c_stop();
			return 1;
		}  
    }
		delay_us(10);
    scl_low;
    return 0;
}

void IIC_Ack(void)
{
	scl_low;    //SCL为低，SDA为低，SCL为高，SDA为低，应答低电平有效，SCL为低，产生应答信号
	// MYSDA_OUT;
	sda_low;
	delay_us(10);
	scl_high;
	delay_us(10);
	scl_low;
	delay_us(10);
	sda_high;
}

void IIC_NAck(void)
{
	scl_low;     //SCL为低，SDA为高，SCL为高，SCL为低
	// MYSDA_OUT;
	sda_high;
	delay_us(10);
	scl_high;
	delay_us(10);
	scl_low;
}

//IIC发送一个字节
//返回从机有无应答
//1，有应答
//0，无应答			  
void i2c_send_byte(u8 txd)
{                        
   u8 t;   
	// MYSDA_OUT; 	    
   scl_low;  //拉低时钟开始数据传输   ，SCL为低，SDA变高或者变低（数据位），SCL变高，SCL变低，期间SDA为1既1，为0既0
   for(t=0;t<8;t++)  //一个字节8位，一位一位发送
    {              
     scl_low;
		if((txd&0x80)>>7)   //从最高位开始发送，如果是1，发送高电平
			sda_high;
		else
			sda_low;
		txd<<=1; 	      //SDA处理完毕，此时可以将SCL拉高接受数据，拉高以后延时拉低
		delay_us(10);   //对TEA5767这三个延时都是必须的
		scl_high;
		delay_us(10); 
		scl_low;	
		delay_us(5);
    }	 
}

3.2.2 I2C传感器数据读取

对于欧姆龙的这个传感器，主要的时序图如下：

在这里插入图片描述

根据时序图，设计代码，源码如下（当然要根据自己的传感器型号进行细节修改）：

void D6T_Measure()
{
	u8 D6Tbuff[20];
	u8 D6T_Data=0;
    // u16 tPEC;

  	i2c_start();
	i2c_send_byte(0X14); //地址，和读写指令
	i2c_wait_ack();
	delay_us(150);    //这里必须加

	i2c_send_byte(0X4C);
	i2c_wait_ack(); 

	delay_us(150);

	i2c_start();
	i2c_send_byte(0X15); //地址，读指令
	i2c_wait_ack();
	delay_us(120);

	// D6T44L_ReadLenByte(5);    //D6T-1A-02 只有5个数值
	u8 t;
  	D6T_Data=0;
	for(t=0;t<(5-1);t++)
	{
		D6Tbuff[D6T_Data++] = i2c_read_byte(1);
		delay_us(120);
	}
 	D6Tbuff[D6T_Data] = i2c_read_byte(0);
	delay_us(120);
	i2c_stop();

	//  tPTAT = 256 * D6Tbuff[1] + D6Tbuff[0];
	tP = 256 * D6Tbuff[3] + D6Tbuff[2];
}

然后在任务里面调用温度读取函数，做一个简单的测试：

在这里插入图片描述

驱动OK，测试结果（结果是温度 * 10）：

在这里插入图片描述

3.3 任务调整、任务通讯

驱动都已经设计完成，那么就到了最后的地方，任务间的通讯了，什么时候读取数据，读取的数据放入对应的 485 的寄存器。

3.3.1 任务栈说明

当然，不要忘了各个任务的栈空间调整，还要考虑到使用的STM32L051 单片机只有8K的 RAM，要注意内存的使用情况：

不看不知道，一看吓一跳 = =！：

在这里插入图片描述

如果打开了堆栈溢出钩子函数，估计一直在报溢出，测试一下：

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测试方式见博文：FreeRTOS记录（四、FreeRTOS任务堆栈溢出问题和临界区）

上面我们看到，按键任务和 RTU接收任务的 栈不够了，D6Tread 也不是很够，因为后期还需要做逻辑处理，也有调用关系，所以必须对各任务的大小进行一定的调整。

KeyTask：

前面我们说到，按钮目前只是为了测试，所以按钮把里面定义的数组改小一点，其实只要能够满足完全打印任务状态的大小就行了，以前设置500并没有仔细的去计算。

任务大小：

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任务运行：

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在后期的完善过程中，考虑到一个问题，作为485设备，如果拿到一个设备，并不知道他的 ID ，怎么办，所以正好可以通过按钮操作，使得设备恢复默认ID。所以将按键任务加了一个长按操作：

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RTUreceived：

串口接收任务会溢出是开始没想打的，但是仔细想想还是不应该，看了一下，开始测试的时候加了一句 printf 函数，把printf后 RTUreceived 就正常不会溢出了：

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加个printf就占用那么大空间？这个怎么理解呢，虽然知道使用 printf 会占用栈空间，但是这么大还是有点诧异的

任务大小：

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任务运行：

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D6TRead：

通过上文可以看到 D6TRead 只剩下 21 的栈空间，在该任务中，我们调用了 I2C 的驱动，读取传感器数据，考虑到后面还可能进行数据计算操作，此任务估计得放大一点空间（为什么数据保存不能新建一个任务，因为内存空间不够，给FreeRTOS分配的总栈空间已经不够我再新建一个任务了，当然，实际应用，可以对keyTask任务进行缩减来换取其他任务更多的空间）。

当然，我还是改大了一点：

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任务大小：

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任务运行：

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3.3.2 任务间通信

其实示例做到上面，整体上已经没什么大问题了，最主要的还是示例还是比较简单的，没有太多的任务，所以到这里其实基本上大问题就没有了。余下的就是细节处理。

最初构思的时候，对于任务之间，什么时候读取传感器的数据，是想使用 TIM2 定时 ，在定时器中断中给D6TRead 任务通知来实现，但是因为整体结构简单，这里直接使用延时就可以达到效果= =！这里就不再折腾了，因为具体的使用可以参考博文，也是任务中读取传感器：

FreeRTOS记录（五、FreeRTOS任务通知）

然后针对实际应用，可能需要对采集的温度进行一定的数据处理，直接根据需求修改即可。

最后整体测试一下，没有问题：

图片.png

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