Capstone: Trạm đo nhiệt độ hoàn chỉnh

Mở đầu: 15 bài học, giờ ghép lại thành một sản phẩm thật

Suốt series, mỗi bài đều tách riêng đúng MỘT khái niệm — thanh ghi, ngắt, timer, UART, ADC, DMA, RTOS — để không có gì làm loãng bài học cốt lõi. Nhưng firmware thật không bao giờ tách rời như vậy: một sản phẩm thật cần TẤT CẢ những mảnh ghép đó phối hợp cùng lúc. Bài capstone này dựng một Trạm đo nhiệt độ hoàn chỉnh — đúng loại thiết bị IoT/công nghiệp nhỏ phổ biến nhất trong thực tế — chạy trọn vẹn trên VMCU, huy động lại gần như mọi kỹ thuật đã học.

Đây không phải bài học khái niệm mới — nó là bài KIỂM TRA: bạn có thể đọc kiến trúc dưới đây và nhận ra ngay bài nào đã dạy từng mảnh hay không?

1. Đề bài & kiến trúc

Đề bài: một trạm đo nhiệt độ độc lập — đọc cảm biến analog, lọc nhiễu, hiển thị mức qua LED, cảnh báo buzzer khi vượt ngưỡng, cho phép người dùng đặt ngưỡng qua nút bấm, và báo cáo/nhận lệnh từ xa qua UART.

Kiến trúc chia thành 4 task chạy trên mini-RTOS (Bài 14), giao tiếp qua queue (Bài 15):

Ngân sách tài nguyên PHẢI được tính trước khi viết dòng code đầu tiên: mỗi task cần một vùng stack RIÊNG (Bài 12), kích thước ước lượng qua watermark thực đo trong lúc test — không đoán mò.

2. Tầng thu thập

sensor_task cấu hình ADC1 + DMA1 ping-pong (Bài 10–11) đọc liên tục vào một buffer vòng — CPU không đụng tay vào từng mẫu. filter_task nhận khối dữ liệu qua queue (Bài 15, xây trên ring buffer Bài 8), áp trung bình trượt (Bài 10) để lọc nhiễu, rồi hiệu chuẩn raw → °C bằng công thức thật của cảm biến LM35 (10mV/°C, tuyến tính, không cần bù offset):

$$T(°C) = \frac{V_{measured}}{10\text{mV}}$$

Verify bằng số thật: ở 0°C, LM35 xuất đúng 0mV → mã ADC 0 (đáy thang). Ở 25°C (nhiệt độ phòng), LM35 xuất đúng 250mV → mã ADC 78 (verify chính xác trên VMCU thật). Ở 100°C (nước sôi), LM35 xuất 1000mV → mã ADC 310 — vẫn nằm gọn trong ngưỡng 3300mV của Vref, không tràn thang.

3. Tầng ứng dụng

ui_task chạy một FSM nút bấm (Bài 5): nhấn ngắn chuyển qua lại giữa 2 chế độ — xem nhiệt độ (mặc định) và đặt ngưỡng (xoay biến trở để chọn ngưỡng cảnh báo mới); nhấn giữ (long-press, chỉ cần thêm đúng 1 trạng thái vào FSM có sẵn — đúng bài học "FSM nở đẹp thế nào" của Bài 5) để LƯU ngưỡng vừa đặt.

Khi nhiệt độ đã lọc vượt ngưỡng, buzzer phát cảnh báo 2 tông luân phiên (Bài 6 — đúng bài tập cuối bài đó đã gợi ý) và LED chuyển sang màu đỏ. uart_task định kỳ gửi log nhiệt độ hiện tại qua UART (Bài 9), và nhận lệnh đặt tham số từ xa theo đúng giao thức dòng lệnh mini đã học (framing bằng '\n') — ví dụ SET THRESHOLD 30 đổi ngưỡng cảnh báo ngay lập tức mà không cần chạm vào nút bấm vật lý.

4. Độ bền & đo đạc

Một hệ thống "chạy được" chưa đủ — cần ĐO được nó đang chạy khoẻ tới đâu. CPU load được tính qua bộ đếm idle-task: tỷ lệ % số tick scheduler thực sự KHÔNG có việc gì để làm (dùng lại đúng nhật ký timeline có sẵn của mini-RTOS Bài 14, không cần cơ chế đo riêng). Verify trên hệ 4 task đúng kiến trúc Mục 1, chạy 500 tick: CPU load nghỉ (idle) khoảng 64,6% — hệ còn nhiều dư địa, chưa cần tối ưu gấp.

Stack watermark từng task đo bằng đúng kỹ thuật canary của Bài 12 — chạy thử với dữ liệu đầu vào đa dạng, xem mỗi task dùng SÂU tới đâu trong vùng đã cấp, để không cấp thiếu (tràn stack Bài 12) hay cấp thừa (lãng phí RAM quý giá).

5. Thực hành: Bảng Mạch Ảo hoàn chỉnh

Demo dưới đây chạy toàn bộ Trạm đo nhiệt độ trên VMCU thật — thao tác như một thiết bị thật: xoay "cảm biến" giả lập, đặt ngưỡng, xem log UART, và xem hệ 4 task hoạt động khoẻ mạnh ra sao:

// Kien truc 4 task tren mini-RTOS - moi task mot vung stack RIENG (Bai 12)
queue_t sensor_queue; // sensor_task -> filter_task (Bai 15)
float g_filtered_celsius = 0;
float g_threshold_celsius = 30.0f;

void sensor_task(void) {
    uint16_t raw = adc_read_dma_buffer(); // Bai 10-11
    queue_send(&sensor_queue, raw);
}

void filter_task(void) {
    uint16_t raw;
    if (queue_receive(&sensor_queue, &raw, BLOCKING)) {
        static uint16_t history[8];
        push_moving_average(history, raw);           // Bai 10
        g_filtered_celsius = adc_code_to_celsius(moving_average(history)); // hieu chuan LM35
        if (g_filtered_celsius > g_threshold_celsius) buzzer_alarm_2tone(); // Bai 6
    }
}

void ui_task(void) {
    button_fsm_update();   // Bai 5 - nhan ngan doi che do, giu de luu nguong
    update_led(g_filtered_celsius, g_threshold_celsius);
}

void uart_task(void) {
    uart_send_log(g_filtered_celsius);          // Bai 9
    if (uart_command_ready()) parse_command();  // "SET THRESHOLD 35"
}

import { celsiusToAdcCode, adcCodeToCelsius, movingAverage, MiniRTOS, cpuIdlePercent, VMCU, MEMORY_MAP } from './vmcu.js';

// Hieu chuan LM35 that (Muc 2)
const code = celsiusToAdcCode(25, 3300, 10);          // 78
const celsius = adcCodeToCelsius(code, 3300, 10);      // ~25

// Resource dashboard (Muc 4) - dung lai mini-RTOS Bai 14 + idle-task counter
const rtos = new MiniRTOS();
rtos.addTask('sensor_task', 5, 2, 10);
rtos.addTask('filter_task', 6, 1, 10);
rtos.addTask('ui_task', 8, 1, 20);
rtos.addTask('uart_task', 10, 3, 50);
rtos.run(500);
console.log(cpuIdlePercent(rtos).toFixed(1) + '% idle'); // ~64.6%

// Stack watermark tung task (Bai 12 tra no dung han)
const ram = MEMORY_MAP.find(r => r.kind === 'ram');
const cpu = new VMCU();
cpu.initStackRegion(ram.base + ram.size, 256);
cpu.simulateDeepRecursion(5, 16);
console.log(cpu.stackWatermarkBytes()); // 80 byte da dung / 256 byte cap

Tóm lược

• ✅ Kiến trúc 4 task (thu thập, lọc, UI, UART) giao tiếp qua queue — tổng hợp Bài 5, 6, 8–15 thành một hệ thống thật.
• ✅ Hiệu chuẩn cảm biến LM35 verified: 0°C→mã 0, 25°C→mã 78, 100°C→mã 310 — công thức tuyến tính đơn giản nhưng dùng hệ số cảm biến thật.
• ✅ CPU load qua idle-task counter verified ≈64,6% rảnh trên hệ 4 task 500 tick — đo được, không đoán mò; stack watermark từng task đo bằng canary thật của Bài 12.
• ✅ Watchdog + WFI là outlook quan trọng cho độ bền/tiết kiệm điện — biết vai trò dù ngoài phạm vi cài đặt chi tiết của series.

Trắc nghiệm ôn tập