【Funpack5-4】基于MCX N236的温湿度数据采集和显示

一、项目简介

本项目是Funpack5-4活动项目之一，主要完成了活动任务2：环境数据采集与显示的功能。题目要求如下：

任务2：环境数据采集与显示【难度：⭐️⭐️】
>
基础要求：
>
1. 通过 I2C 读取传感器数据
2. 周期性采集环境信息
3. 串口输出采集结果
4. LED 指示运行状态
5. 数据刷新周期不大于 1 秒
>
可选加分项：
>
* 支持多种传感器接入
* 实现数据滤波
* 阈值报警
* 数据存储与统计分析

本项目基于 FRDM-MCXN236 开发板，使用 SHT3x 温湿度传感器采集环境温湿度，用 0.96 寸 OLED 屏（SSD1306）实时显示，板上红色 LED 指示测量状态，串口输出运行日志。软件上没有从零造轮子，而是基于 RT-Thread 实时操作系统（5.3.1 版本）和官方软件包（sht3x、ssd1306）搭建：用两个线程分别负责传感器采集和结果显示，中间用一个消息队列传递数据，实现"采集"与"显示"的解耦。整个实现过程覆盖了 RT-Thread Env 环境搭建、BSP 裁剪、menuconfig 图形化配置、软件包下载、scons 编译、pyOCD 下载固件和实际调试验证等环节。

二、硬件简介

FRDM-MCXN236开发板：

FRDM-MCXN236 是 NXP 推出的低成本评估与开发板，主控为 MCX N236 微控制器（MCXN236VDF），基于 Arm Cortex-M33 内核，主频最高 150 MHz，片内集成 1 MB 双区 Flash 和 352 KB ECC RAM，内置 EdgeLock 安全区域和 SmartDMA 加速器。板卡集成了 MCU-Link 调试器（支持 SWD 调试和 USB 虚拟串口）、RGB LED、加速度计、DMIC 传感器、CAN 收发器和外部 W25Q64 Flash，并引出 Arduino、mikroBUS、FRDM、Pmod、FlexIO/LCD、SmartDMA/摄像头等丰富的扩展接口。

除开发板外，本项目使用了两个外接模块：

• SHT3x 温湿度传感器模块：Sensirion 的 I2C 数字温湿度传感器，典型精度 ±0.2 °C / ±2 %RH。模块的 ADDR 引脚默认下拉，I2C 地址为 0x44。
• 0.96 寸 OLED 显示模块：SSD1306 驱动，128×64 分辨率，I2C 接口，地址 0x3C。

两个模块都接 3.3 V 供电，和 MCU 引脚电平直接兼容，不需要电平转换。

使用到的硬件资源及连接关系如下：

对应的 MCU 片上外设如下：

简单来说，两个模块各挂在一条独立的 I2C 总线上：SHT3x 使用 MikroBUS 接口的 I2C（FlexCOMM2 → i2c2），OLED 使用 J4 排针引出的 I2C（FlexCOMM0 → i2c0）。这样接线最简单，两条总线互不干扰，也不用考虑两个设备并联时的地址冲突和总线负载问题。

三、方案设计

用SHT3x温湿度传感器实现温湿度采集，OLED屏实现温湿度显示。

系统整体结构如下：采集线程作为生产者，每 500 ms 通过 i2c2 读一次 SHT3x，把结果打包成消息发进队列；显示线程作为消费者，阻塞等待队列，收到消息后通过 i2c0 刷新 OLED；主线程只负责初始化和创建队列、线程。红色 LED 在测量窗口点亮用于指示运行状态，日志通过 MCU-Link 虚拟串口输出。

硬件连接：

SHT3x传感器、OLED显示屏和主控MCU的连接关系如下：

• SHT3x传感器：MikroBUS扩展接口，参考QSG文档，P4_0是SDA、P4_1是SCL（FlexCOMM2）。
• OLED显示屏：J4扩展接口，参考QSG文档，P0_16是SDA、P0_17是SCL（FlexCOMM0）。

汇总成表格：

开发环境：

软件基于RT-Thread系统，以及sht3x、ssd1306软件包。

开发环境RT-Thread Env工具，使用scons命令进行构建、menuconfig命令进行图形化配置、pkgs命令进行软件包下载。

使用 pyocd命令实现将RT-Thread固件下载到开发板。

本项目实际使用的工具链和软件版本：

四、软件设计

使用两个线程分别实现传感器数据采集，以及结果显示工作，使用一个队列传递传感器结果数据。主线程中创建采集线程、显示线程，以及结果队列。

这是一个典型的"生产者-消费者"模型：采集线程只管按固定周期采样并把结果发进队列，显示线程只管从队列取数据刷屏，两边通过消息队列解耦。即使某次 I2C 读取变慢或者失败，也只是队列里多一条用 NAN 填充的失败结果，两个线程的节奏互不影响。

配置要点

在 Env 环境中用 menuconfig 完成两方面的配置：

1. 片上外设配置

• 打开I2C、I2C0、I2C2配置

2. 软件包配置

• 勾选sht3x软件包
• 勾选ssd1306软件包，配置总线i2c0、地址0x3C

对应的rtconfig.h变更内容为：

diff --git a/rtconfig.h b/rtconfig.h
index 3d73724..e9b14e4 100644
--- a/rtconfig.h
+++ b/rtconfig.h
@@ -171,6 +171,8 @@
 #define RT_CANSND_MSG_TIMEOUT 100
 #define RT_CAN_NB_TX_FIFO_SIZE 256
 #define RT_USING_CLOCK_TIME
+#define RT_USING_I2C
+#define RT_USING_I2C_BITOPS
 #define RT_USING_WDT
 #define RT_USING_PIN
 /* end of Device Drivers */
@@ -363,11 +365,19 @@

 /* sensors drivers */

+#define PKG_USING_SHT3X
+#define PKG_USING_SHT3X_V100
 /* end of sensors drivers */

 /* touch drivers */

 /* end of touch drivers */
+#define PKG_USING_SSD1306
+#define PKG_USING_SSD1306_DEBUG
+#define PKG_USING_SSD1306_I2C_ADDRESS 0x3C
+#define PKG_USING_SSD1306_I2C_BUS_NAME "i2c0"
+#define PKG_USING_SSD1306_SAMPLE
+#define PKG_USING_SSD1306_LATEST_VERSION
 /* end of peripheral libraries and drivers */

 /* AI packages */
@@ -451,7 +461,10 @@
 #define BSP_USING_UART
 #define BSP_USING_UART4
 #define BSP_USING_UART5
-#define BSP_USING_UART2
+#define BSP_USING_I2C
+#define BSP_USING_I2C0
+#define BSP_USING_I2C1
+#define BSP_USING_I2C2
 #define BSP_USING_WDT
 #define BSP_USING_CLOCK_TIMER
 /* end of On-chip Peripheral Drivers */

配置完成后用 pkgs --update 下载软件包，scons 编译，scons -j8 可以加速。

主线程：创建队列和线程

main() 中先初始化 RGB LED 和按键，然后按"先建队列、再建两端线程"的顺序创建 IPC 对象和工作线程：

int main(void)
{
    /* RGB 三色全部熄灭；红灯只在传感器测量窗口点亮 */
    rt_pin_mode(LED_RED, PIN_MODE_OUTPUT);
    rt_pin_mode(LED_GREEN, PIN_MODE_OUTPUT);
    rt_pin_mode(LED_BLUE, PIN_MODE_OUTPUT);
    rt_pin_write(LED_RED, LED_OFF);
    rt_pin_write(LED_GREEN, LED_OFF);
    rt_pin_write(LED_BLUE, LED_OFF);

#if defined(PKG_USING_SSD1306) && defined(PKG_USING_SHT3X)
    /* 先建队列，再启动队列两端的线程 */
    sensor_mq = rt_mq_create("senmq", sizeof(struct sensor_msg),
                             SENSOR_MQ_LEN, RT_IPC_FLAG_FIFO);
    if (sensor_mq != RT_NULL)
    {
        rt_thread_t meas = rt_thread_create("sens", temp_meas_entry, RT_NULL,
                                            MEAS_THREAD_STACK_SIZE,
                                            MEAS_THREAD_PRIORITY, 5);
        rt_thread_t disp = rt_thread_create("disp", oled_disp_entry, RT_NULL,
                                            DISP_THREAD_STACK_SIZE,
                                            DISP_THREAD_PRIORITY, 5);
        if (meas != RT_NULL) rt_thread_startup(meas);
        if (disp != RT_NULL) rt_thread_startup(disp);
    }
#endif

    /* 采集和显示都在各自的线程里运行，main 没有剩余工作 */
    return 0;
}

线程之间传递的数据就是一个小结构体，读取失败时两个字段都填 NAN，显示线程用 isnan() 判断这一轮是否有效：

/* 采集线程交给显示线程的一次测量结果；
 * 读取失败时用 NAN 标记两个字段 */
struct sensor_msg
{
    float temp;
    float humi;
};

采集线程：500 ms 周期采样

采集线程的核心逻辑是：初始化传感器，然后按固定节拍采样。每轮采样用红色 LED 点亮来标记测量窗口（对应任务要求的"LED 指示运行状态"），并用 rt_tick_get_millisecond() 记录起始时刻，扣除本轮耗时后再延时，保证采样周期稳定在 500 ms：

static void temp_meas_entry(void *parameter)
{
    sht = sht3x_init(SHT3X_I2C_BUS, SHT3X_I2C_ADDR);   /* "i2c2", 0x44 */
    if (sht == RT_NULL) { /* 初始化失败：发一条 NAN 消息告知显示线程后退出 */ }

    sht3x_softreset(sht);
    rt_thread_mdelay(2);    /* 软复位时间典型 1.5 ms */

    while (1)
    {
        rt_bool_t ok;

        start_ms = rt_tick_get_millisecond();

        rt_pin_write(LED_RED, LED_ON);      /* 红灯标记测量窗口 */
        ok = sht3x_read_valid(sht);
        rt_pin_write(LED_RED, LED_OFF);

        if (ok)
        {
            msg.temp = sht->temperature;
            msg.humi = sht->humidity;
        }
        else
        {
            msg.temp = NAN;                 /* NAN 标记本轮读取失败 */
            msg.humi = NAN;
        }

        if (rt_mq_send(sensor_mq, (const void *)&msg, sizeof(msg)) == -RT_EFULL)
        {
            /* 队列满：丢掉最旧的一帧，最新的数据最重要 */
            rt_mq_recv(sensor_mq, &oldest, sizeof(oldest), RT_WAITING_NO);
            rt_mq_send(sensor_mq, (const void *)&msg, sizeof(msg));
        }

        /* 扣除本轮耗时，保持稳定的采样周期 */
        elapsed = rt_tick_get_millisecond() - start_ms;
        if (elapsed < MEAS_PERIOD_MS)
        {
            rt_thread_mdelay(MEAS_PERIOD_MS - elapsed);
        }
    }
}

其中 sht3x_read_valid() 是在软件包 API 之上加的一层保护：调试中发现 i2c2 偶尔会读到全零的原始数据，SHT3x 驱动会把它换算成 T = -45.0 °C / RH = 0 %。这里就以这两个值为"无效读数"的特征，最多重试 3 次：

static rt_bool_t sht3x_read_valid(sht3x_device_t dev)
{
    rt_uint8_t retry;

    for (retry = 0; retry < SHT3X_READ_RETRY; retry++)
    {
        if (sht3x_read_singleshot(dev) == RT_EOK &&
                dev->humidity > 0.0f && dev->temperature > -45.0f)
        {
            return RT_TRUE;
        }
        rt_thread_mdelay(20);
    }
    return RT_FALSE;
}

串口日志也做了降噪处理：不是每个周期都打印，只在读取状态发生变化（ok 变 failed 或反过来）时输出一行 sens: sht3x read ok/failed，正常稳态运行时串口保持安静。

显示线程：阻塞收数据、按本轮结果刷新

显示线程 rt_mq_recv() 永久阻塞等队列，收到消息后刷屏。has_data 直接由本轮消息是否为 NAN 决定：读取成功就显示本轮的温湿度；读取失败（包括初始化失败）则显示 --.- 占位，明确提示当前没有有效数据：

static void oled_disp_entry(void *parameter)
{
    struct sensor_msg msg;
    float temp = 0.0f, humi = 0.0f;
    rt_bool_t has_data = RT_FALSE;

    ssd1306_Init();

    while (1)
    {
        rt_mq_recv(sensor_mq, &msg, sizeof(msg), RT_WAITING_FOREVER);

        has_data = !isnan(msg.temp);       /* NAN 表示本轮读取失败 */
        if (has_data)
        {
            temp = msg.temp;
            humi = msg.humi;
        }

        oled_show(temp, humi, has_data);
    }
}

oled_show() 负责 OLED 排版：标题行 "Temp/Humid" 加一条分隔线，温度、湿度各占一行大字体（Font_11x18）。浮点数没有用 %f 打印，而是乘 10 拆成整数部分和小数部分用 %d.%d 拼出来，避免在 MCU 上引入浮点格式化开销：

t = (int)(temp * 10);
h = (int)(humi * 10);

rt_sprintf(line, "T: %s%d.%d C", (t < 0) ? "-" : "", abs(t) / 10, abs(t) % 10);
ssd1306_SetCursor(0, 17);
ssd1306_WriteString(line, Font_11x18, White);

rt_sprintf(line, "H: %d.%d %%", abs(h) / 10, abs(h) % 10);
ssd1306_SetCursor(0, 40);
ssd1306_WriteString(line, Font_11x18, White);

调试辅助命令

应用层还保留了一个 i2c_scan MSH 命令，用来扫描任意 I2C 总线上的设备地址（范围 0x08–0x77），接线排查时非常有用：

msh> i2c_scan i2c2
scanning i2c2 ...
  0x18 ack      # 板载加速度计 FXLS8974
  0x44 ack      # SHT3x 温湿度传感器
msh> i2c_scan i2c0
scanning i2c0 ...
  0x3C ack      # SSD1306 OLED

五、功能展示

最终实现的功能与任务 2 基础要求的对照：

实际运行现象：

• 上电后 OLED 显示 "Temp/Humid" 标题栏和分隔线，随后温湿度数值每 0.5 秒刷新一次。
• 传感器读取失败（例如拔掉 SHT3x 模块）时，OLED 显示 --.- 占位，串口打印一次 sens: sht3x read failed；重新接好后自动恢复显示实际数值。
• 红色 LED 随每个测量窗口规律闪烁，直观指示系统正在周期性采集。

效果展示：

六、问题解决

1. RT-Thread主线代码有很多其他厂商的代码，怎么精简？

RT-Thread主线代码支持通过scons命令创建项目目录，项目目录中只包含一个具体板卡的bsp和一个芯片厂商的驱动代码，可以大幅精简代码。

具体操作是，在RT-Thread Env环境，使用scons命令：

scons --dist --target=vsc --project-name=rtt-n236 --project-path=e:/DIY/NXP/FRDM-N236/rtt-n236/

其中，几个关键命令行参数的作用是：

• project-name用于指定项目名称；
• project-path 用于指定项目目录，生成的代码会位于这里；
• target用于指定目标项目的类型，目前支持这些：mdk/mdk4/mdk5/iar/vs/vsc/ua/cdk/ses/makefile/eclipse/codelite/cmake/vsc_workspace

执行效果截图：

2. pyocd如何支持MCX N236？

查找支持包：

pyocd pack find mcxn236

安装支持包：

pyocd pack install mcxn236

3.如何用pyocd下载rtthread.bin到FRDM-MCXN236开发板？

pyocd -t MCXN236VDF -f 2000000 rtthread.bin

实际项目中把下载命令写成了 download.sh 脚本，直接下载 elf 文件方便调试对齐符号：

pyocd load -t MCXN236VDF -f 8000000 rtthread.elf

4. 怎么确认 I2C 接线和地址没有问题？

问题描述：两个模块分属两条总线，接线完成后需要先确认每条总线上设备是否应答、地址是否正确，再谈驱动。

解决方法：在应用层写了一个 i2c_scan MSH 命令，对指定总线逐地址发起 1 字节读传输，应答即认为设备存在。扫描 i2c2 能看到板载加速度计 FXLS8974（0x18）和 SHT3x（0x44），扫描 i2c0 能看到 OLED（0x3C），与 QSG 文档和模块资料完全对上。

5. SHT3x 偶尔读到全零数据怎么办？

问题描述：调试中发现在 i2c2 上偶尔读到全零原始数据，驱动会换算成 T = -45.0 °C / RH = 0 % 并返回成功，屏幕上偶尔闪现异常值。

解决方法：在应用层加 sht3x_read_valid() 判断——读取成功且湿度大于 0、温度大于 -45 才认为有效，否则延时 20 ms 重试，最多 3 次；连续失败则通过消息队列发一条 NAN 消息，显示线程据此在屏幕上显示 --.- 占位。

6. ssd1306 软件包怎么知道挂在哪条总线？

问题描述：ssd1306 软件包默认的 I2C 总线名和地址不一定和自己的接线一致。

解决方法：在 menuconfig 中配置 PKG_USING_SSD1306_I2C_BUS_NAME 为 i2c0、地址为 0x3C，与 J4 排针的 FC0 实际接线保持一致；SHT3x 软件包则在 sht3x_init() 时直接传入总线名 i2c2 和地址 0x44。

7. MCU 上怎么显示浮点数？

问题描述：温度、湿度是 float，直接用 %f 格式化会引入浮点 printf 支持，增加代码体积。

解决方法：把数值乘 10 取整，用 %d.%d 分别拼出整数和小数部分，负温单独处理符号位，OLED 和串口日志统一使用这个技巧。

8. 消息队列满了怎么处理？

问题描述：如果显示线程被阻塞（比如 OLED 刷新变慢），队列可能被填满，采集线程发送失败。

解决方法：发送返回 -RT_EFULL 时，先用非阻塞方式取出并丢弃最旧一条，再重新发送最新数据，保证队列里永远是最近的数据。

9. 使能 i2c2 后总线还是不通，P4_0/P4_1 去哪了？

问题描述：menuconfig 里打开了 I2C，但 MikroBUS 上的 SHT3x 一直无应答。排查发现 BSP 默认把 FlexCOMM2 配成了 UART2，P4_0/P4_1 被 UART2 占用，FC2 根本没有工作在 I2C 方式。

解决方法：在 menuconfig 中关闭 UART2、使能 I2C2；同时在 board/Kconfig 里给 BSP 补充了 BSP_USING_I2C2 选项（depends on !BSP_USING_UART2），从配置层面避免两个功能同时打开。

七、心得体会

这次项目的软件基于 RT-Thread 系统构建，和 Funpack5-2 的裸机开发完全不同。一方面，体会到了RTOS和纯裸机软件结构的显著差异。另一方面，感受到了RT-Thread软件包生态带来的开发便利。

裸机开发时，所有逻辑挤在一个大 while 循环里，节奏不同的任务只能靠状态机硬拆；RTOS 上采集和显示是两个独立线程，中间用消息队列衔接，各自逻辑变简单，改一边也不牵动另一边。

sht3x 和 ssd1306 两个软件包把传感器换算、OLED 绘图都封装好了，应用层只需关注"怎么读、怎么显示"，几行代码就能把功能组合起来。当然，总线名、地址要和接线配置一致，读数也要做有效性判断，这些都是很小的代价。

整体来看，这个项目把多线程、消息队列、I2C 和软件包开发串了一遍，是一次比较完整的练习。后续可以加滑动平均滤波、阈值报警，或把历史数据存进板载 W25Q64 Flash 做统计分析。