項目背景及功能

受國際形勢復(fù)雜多變的影響，工業(yè)控制領(lǐng)域長期以來以國外產(chǎn)品及系統(tǒng)為主導(dǎo)的格局正在發(fā)生轉(zhuǎn)變。當(dāng)下國家大力倡導(dǎo)國產(chǎn)自主可控的發(fā)展方向，為響應(yīng)這一戰(zhàn)略轉(zhuǎn)變，對原有控制系統(tǒng)進(jìn)行重構(gòu)升級，以契合國產(chǎn)化替代的潮流。

本項目所構(gòu)建的是一個原型系統(tǒng)，核心功能架構(gòu)如下：Web 端采用 Three.js 技術(shù)棧，實現(xiàn)機械臂運行狀態(tài)的 3D 可視化展示；系統(tǒng)通過 MQTT 協(xié)議與睿擎派進(jìn)行高效數(shù)據(jù)交互，形成上下層通信鏈路。睿擎派采用雙總線控制架構(gòu)：其一通過 EtherCat 總線驅(qū)動伺服系統(tǒng)，實現(xiàn)電機的精準(zhǔn)閉環(huán)控制，進(jìn)而帶動機械臂完成預(yù)設(shè)動作；其二通過 Modbus RTU 總線對接 IO 模塊，實現(xiàn)各類燈具的開關(guān)狀態(tài)管控。

RT-Thread使用情況

采用以RT-Thread為核心的睿擎工業(yè)平臺進(jìn)行開發(fā)，開發(fā)環(huán)境為RuiChing Studio。硬件主控模塊采用了睿擎派。

該平臺是為工業(yè)場景設(shè)計的軟硬件一體化開發(fā)方案，全棧自主可控，整合了數(shù)據(jù)采集、通信、控制、工業(yè)協(xié)議、AI、顯示六大核心功能。

本系統(tǒng)糅合了三個官方典型示例工程完成了本系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)，所使用的示例工程如下：

（1）03_network_mqtt

（2）06_bus_modbus_rtu_master

（3）06_bus_ethercat_master_csp

硬件相關(guān)說明

（1） 主控系統(tǒng)：睿擎派

（2） 伺服系統(tǒng)：匯川IS620NS1R6I

（3） 伺服電機：匯川ISMH1 20B30CB

（4）路繼電器模塊：葉帆科技 YF3210-Q4物聯(lián)網(wǎng)智能模塊

（5）LED燈泡：12V-24V

硬件連接拓?fù)鋱D

通信協(xié)議約定

WEB前端和睿擎派設(shè)備通過MQTT協(xié)議進(jìn)行通信，主要功能就是，前端頁面可以遠(yuǎn)程操作伺服電機的啟停，速度，還有運轉(zhuǎn)方向。另外還可以遠(yuǎn)程開燈。所以我們定義一個南向的控制信息幀（JSON格式）：

{

cmd: “state”,

argv: 0

}

cmd和argv對應(yīng)的命令和參數(shù)如下：

“state” – 電機狀態(tài) argv: 0 – 停止 1 – 運行

“dir” – 運轉(zhuǎn)方向 0 – 逆時針 1 – 順時針

“pos” – 運轉(zhuǎn)步長（脈沖數(shù)） argv: 建議 1000 ~ 10000 之間變化

“l(fā)ed” - 燈的狀態(tài) argv：0 – 關(guān)閉 1 – 打開

對應(yīng)的topic為: /mqtt/command

北向狀態(tài)信息幀（每秒上傳一次）：

{

state: 0, //電機狀態(tài)

dir:0, //運轉(zhuǎn)方向

pos: 1000, //目標(biāo)每秒運轉(zhuǎn)步長（脈沖）

led：0, //燈的狀態(tài)

error_wrod: 0, //故障字

status_word: 0, //伺服運行狀態(tài)字

cur_pos: 0, // 電機當(dāng)前位置 （脈沖）

cur_speed：0, //電機當(dāng)前最大限速 （脈沖/秒）

cur_torque: 0, //電機當(dāng)前轉(zhuǎn)矩

voltage:0.0, //母線電壓

current:0.0, //相電流

temp:0.0， //電機溫度

speed: //實際點擊轉(zhuǎn)速(rpm)

}

status_word：

0x0023：伺服已上電，處于就緒狀態(tài)；

0x0027：伺服準(zhǔn)備運行；

0x0037：伺服正在運行；

0x0080：伺服故障。

對應(yīng)的topic為: /mqtt/message

軟件開發(fā)

一、 睿擎派嵌入系統(tǒng)開發(fā)

（1）新建項目

由于EtherCAT總線驅(qū)動伺服相對復(fù)雜，所以我們基于06_bus_ethercat_master_csp示例工程創(chuàng)建我們的項目YFMechPilot，額外再添加MQTT和Modbus功能。

（2）配置以太網(wǎng)接口

另外我們的網(wǎng)段和默認(rèn)的開發(fā)板不同，所以我們需要修改網(wǎng)口0的IP地址等相關(guān)信息，并部署到睿擎派。

（3）拷貝文件

我們從06_bus_modbus_rtu_master項目和03_network_mqtt項目里拷貝modbus_rtu_master_example.c 和 paho_mqtt_example.c 文件到Y(jié)FMechPilot項目里，并且分別改名為 modbus_rtu_master.c 和 paho_mqtt.c。

（4）修改代碼

1、modbus_rtu_master.c代碼修改

4路繼電器模塊，我們使用第二路來控制LED燈的亮滅，所以增加如下函數(shù)，來控制燈的狀態(tài)，0-滅，1-亮

intled_control(intstate){ modbus_t*ctx; intrc; led_status = state; ctx =modbus_new_rtu("/dev/uart5",9600,'N',8,1); if(ctx ==NULL) { rt_kprintf("Unable to create the libmodbus context\n"); return-1; } modbus_set_slave(ctx,1); modbus_set_response_timeout(ctx,1,0); modbus_rtu_set_serial_mode(ctx, MODBUS_RTU_RS485); modbus_rtu_set_rts(ctx, RS485_RTS_PIN, MODBUS_RTU_RTS_UP); if(modbus_connect(ctx) ==-1) { rt_kprintf("Connection failed\n"); modbus_free(ctx); return-1; } //控制第二路繼電器的開和關(guān) rc =modbus_write_bit(ctx,1,state); if(rc ==-1) { rt_kprintf("Failed to modbus_write_bit\n"); modbus_close(ctx); modbus_free(ctx); return-1; } rt_kprintf("modbus_write_bit rc=%d\n", rc); modbus_close(ctx); modbus_free(ctx); return0; }

2、paho_mqtt.c代碼修改

MQTT_URI根據(jù)實際進(jìn)行填寫（也可以采用默認(rèn)的”tcp://broker.emqx.io:1883”），

值得說明的是，EMQ 提供的公共 MQTT 服務(wù)有兩個接入點：

broker.emqx.io (全球節(jié)點，部署于 AWS 美國俄勒岡)

broker-cn.emqx.io (中國節(jié)點，部署于騰訊云上海)

這些服務(wù)器由 EMQX 集群組成，每個集群包含 2 個節(jié)點，為全球用戶提供免費的 MQTT服務(wù)，主要用于測試和學(xué)習(xí)場景。

發(fā)送和訂閱的Topic進(jìn)行如下修改。

#defineMQTT_SUBTOPIC"/mqtt/command"#defineMQTT_PUBTOPIC"/mqtt/message"

在mqtt_sub_callback函數(shù)里，處理南向發(fā)下的控制幀，代碼如下：

staticvoidmqtt_sub_callback(MQTTClient *c, MessageData *msg_data){ *((char*)msg_data->message->payload + msg_data->message->payloadlen) ='\0'; char*json_str = (char*)msg_data->message->payload; LOG_D("Topic: %.*s 接收消息: %s", msg_data->topicName->lenstring.len, msg_data->topicName->lenstring.data, json_str); //消息解析 // 步驟1：解析JSON數(shù)據(jù) cJSON *root =cJSON_Parse(json_str); if(root == RT_NULL) // JSON格式錯誤 { LOG_E("JSON解析失敗！無效格式: %s", json_str); return; } // 步驟2：提取cmd和argv字段，校驗字段存在性 cJSON *cmd_item =cJSON_GetObjectItem(root,"cmd"); cJSON *argv_item =cJSON_GetObjectItem(root,"argv"); if(cmd_item == RT_NULL || !cJSON_IsString(cmd_item)) { LOG_E("JSON缺少有效cmd字段！"); cJSON_Delete(root); return; } if(argv_item == RT_NULL || !cJSON_IsNumber(argv_item)) { LOG_E("JSON缺少有效argv字段！"); cJSON_Delete(root); return; } // 步驟3：獲取字段值 constchar*cmd = cmd_item->valuestring; intargv = argv_item->valueint; // 適配argv為整數(shù)（狀態(tài)/步長/LED均為整數(shù)） LOG_I("云端指令：cmd=%s, argv=%d", cmd, argv); // 步驟5：根據(jù)cmd分支處理業(yè)務(wù)邏輯 if(strcmp(cmd,"state") ==0) // 電機狀態(tài)控制 { servo_run = argv; } elseif(strcmp(cmd,"dir") ==0) // 運轉(zhuǎn)方向 { servo_dir = argv; } elseif(strcmp(cmd,"pos") ==0) // 電機步長設(shè)置（脈沖數(shù)） { // 校驗步長范圍（1000~10000） if(argv >=1000&& argv <=?10000)? ? ? ? ? ? {? ? ? ? ? ? ? ? motor_v = argv; ?// 賦值給全局步長變量（EtherCAT代碼中使用）? ? ? ? ? ? }? ? ? ? }? ? ? ? else?if?(strcmp(cmd,?"led") ==?0) ?// LED狀態(tài)控制? ? ? ? {? ? ? ? ? ? if?(argv ==?0?|| argv ==?1)? ? ? ? ? ? {? ? ? ? ? ? ? ? led_control(argv); ?// 調(diào)用LED控制函數(shù)（需你實現(xiàn)Modbus RTU邏輯）? ? ? ? ? ? }? ? ? ? ? ? else? ? ? ? ? ? {? ? ? ? ? ? ? ? LOG_W("無效的led argv值！僅支持 0(關(guān)閉)/1(打開)");? ? ? ? ? ? }? ? ? ? }? ? ? ? else? // 未知指令? ? ? ? {? ? ? ? ? ? LOG_W("未知cmd指令：%s", cmd);? ? ? ? }? ? ? ? cJSON_Delete(root); ?// 必須釋放，避免內(nèi)存泄漏? ? ? ? return;}

3、ethercat_csp.c代碼修改

由于我們WEB網(wǎng)頁要顯示很多信息，比如要顯示母線電壓，相電流，電機溫度，實際轉(zhuǎn)速等內(nèi)容，所以我們擴(kuò)展tpdo_csp定義如下：

structtpdo_csp{ uint16_terror_word; uint16_tstatus_word; int32_tcur_pos; int32_tcur_speed; int16_tcur_torque; // 新增：與PDO條目順序一致 uint16_tvoltage; // 母線電壓（單位：0.1V） int16_t current; // 相電流（單位：0.1A） uint16_ttemp; // 電機溫度（單位：1℃） int16_t speed; // 實際轉(zhuǎn)速 rpm};

同時slave1_input_pdo_entries的結(jié)構(gòu)也要擴(kuò)展。

staticec_pdo_entry_info_tslave1_input_pdo_entries[] = { {0x603F,0x00,16},// 603Fh(error) {0x6041,0x00,16},// 6041h(status) {0x6064,0x00,32},// 6064h(current postion) {0x606C,0x00,32},// 606Ch(current speed) {0x6077,0x00,16},// 6077h(current torque) // 新增 {0x200B,0x1B,16},// voltage（母線電壓，16位） {0x200B,0x19,16},// current（相電流，16位） {0x200B,0x1C,16},// temp（電機溫度，16位） {0x200B,0x38,16},// speed(實際電機轉(zhuǎn)速，16位)};

slave_pdos定義的個數(shù)也要對應(yīng)調(diào)整

ec_pdo_info_tslave_pdos[] = { {0x1600,5, slave1_output_pdo_entries }, {0x1a00,9, slave1_input_pdo_entries }, //5條修改為9條 {0x1600,5, slave1_output_pdo_entries }, {0x1a00,9, slave1_input_pdo_entries }, //5條修改為9條};

另外我們除了電機的啟停外，還需要調(diào)整速度，我們通過調(diào)整步長pos的值來控制電機轉(zhuǎn)的快慢。我們定義了一個motor_v變量。

rmap->dest_pos += motor_v;

為了把伺服器獲取的實時數(shù)據(jù)發(fā)送到MQTT服務(wù)器，也就是tmap里面的內(nèi)容。

tmap = servo_tpdo_get(&csp_master, slave_counts, slave);

我們增加如下代碼：

//1秒發(fā)送一次 if(rt_tick_get() - last_ms > 1000) { last_ms =rt_tick_get(); // 1. 分配郵箱消息內(nèi)存（動態(tài)分配，從任務(wù)釋放） servo_status_msg_t*msg =rt_malloc(sizeof(servo_status_msg_t)); if(msg == RT_NULL) { LOG_E("分配消息內(nèi)存失敗！"); continue; } // 2. 拷貝數(shù)據(jù)到消息（關(guān)中斷保護(hù)，避免數(shù)據(jù)競爭） rt_enter_critical(); msg->servo_run = servo_run; msg->servo_dir = servo_dir; msg->motor_v = motor_v; msg->led_status = led_status; msg->error_word = tmap->error_word; msg->status_word = tmap->status_word; msg->cur_pos = tmap->cur_pos; msg->cur_speed = tmap->cur_speed; msg->cur_torque = tmap->cur_torque; msg->voltage = tmap->voltage; msg->current = tmap->current; msg->temp = tmap->temp; msg->speed = tmap->speed; rt_exit_critical(); // 3. 發(fā)送消息到郵箱（非阻塞，不影響主任務(wù)） err =rt_mb_send(status_mailbox, (rt_ubase_t)msg); if(err != RT_EOK) { LOG_E("郵箱發(fā)送失??！"); rt_free(msg);// 發(fā)送失敗釋放內(nèi)存 } }

需要注意的是，直接mqtt推送的代碼不能放在這個代碼邏輯里面，因為一旦放入，那電機將會停止旋轉(zhuǎn)。所以需要我們新開一個任務(wù)，通過郵箱的方式傳遞數(shù)據(jù)，然后再發(fā)送到MQTT服務(wù)器。

/*** 新增：從任務(wù) - 接收郵箱消息，生成JSON并發(fā)布MQTT*/staticvoidservo_status_task(void*param){ servo_status_msg_t*msg = RT_NULL; rt_err_terr; while(1) { // 等待郵箱消息（RT_WAITING_FOREVER：永久等待，直到有消息） err =rt_mb_recv(status_mailbox, (rt_ubase_t*)&msg, RT_WAITING_FOREVER); if(err != RT_EOK || msg == RT_NULL) { rt_thread_mdelay(100); continue; } // 1. 消息轉(zhuǎn)JSON char*json_str =msg_to_json(msg); if(json_str !=NULL) { // 2. MQTT發(fā)布（耗時操作在從任務(wù)執(zhí)行） mq_publish(json_str); // 3. 可選：打印日志（不影響主任務(wù)） LOG_D("伺服狀態(tài)JSON：%s", json_str); // 4. 釋放JSON內(nèi)存 rt_free(json_str); } // 5. 釋放郵箱消息內(nèi)存 rt_free(msg); }}

二、 WEB前端開發(fā)

1. 概述

電機機械臂前端系統(tǒng)是一個基于 WebGL 的實時可視化應(yīng)用，結(jié)合 Vue 3、Three.js 與 MQTT 協(xié)議，實現(xiàn)可視化三維演示 + 遠(yuǎn)程指令控制 + 實時狀態(tài)監(jiān)控的一體化體驗。系統(tǒng)主要目標(biāo)如下：

（1）. 直觀呈現(xiàn)伺服電機與工業(yè)機械臂的協(xié)同運行狀態(tài)；

（2）. 提供人機交互界面，保障啟停、方向、速度、燈光等操作的遠(yuǎn)程執(zhí)行；

（3）. 通過 MQTT 獲取設(shè)備實時數(shù)據(jù)，驅(qū)動動畫、燈光及數(shù)據(jù)面板聯(lián)動，確保畫面與實際工況同步；

（4）. 遇到通信異常或設(shè)備故障時及時反饋并自動進(jìn)入安全狀態(tài)。

2. 功能說明

2.1 三維場景展示

基于 Three.js 構(gòu)建統(tǒng)一場景，內(nèi)含伺服電機、工業(yè)機械臂、燈泡及地面網(wǎng)格等對象；

通過 AnimationMixer 控制電機與機械臂動畫，實現(xiàn)啟動、停止、正反轉(zhuǎn)、速度變化等效果；

燈泡模型配合點光源呈現(xiàn)開關(guān)效果，強化聯(lián)動體驗。

2.2 實時狀態(tài)聯(lián)動

訂閱 /mqtt/message，實時解析 state、status_word、dir、pos、led、speed 等字段；

根據(jù)狀態(tài)自動調(diào)整動畫、燈光及數(shù)據(jù)面板，保障前端顯示與真實設(shè)備一致；

當(dāng) status_word 表示運行/就緒/準(zhǔn)備/故障等不同階段時，界面給出對應(yīng)文字提示。

2.3 遠(yuǎn)程控制能力

左側(cè)設(shè)備控制面板提供啟動、停止、正/反轉(zhuǎn)、加/減速、燈光開關(guān)等命令按鈕；

點擊按鈕后，通過 sendMqttCommand 將 { cmd, argv } JSON 消息發(fā)送至 /mqtt/command，驅(qū)動后端或真實設(shè)備執(zhí)行；

加減速按鈕將步進(jìn)值 pos 在 1000~10000 范圍內(nèi)調(diào)整，并同步更新動畫播放速度。

2.4 數(shù)據(jù)監(jiān)控面板

右側(cè)數(shù)據(jù)監(jiān)控面板展示電機名稱、實時轉(zhuǎn)速、扭矩、電流、電壓、溫度、步進(jìn)值等；

status_word 被轉(zhuǎn)換為伺服正在運行 / 伺服準(zhǔn)備運行 / 伺服故障等中文描述，降低理解門檻。

2.5 異常與安全處理

每秒接收一次 /mqtt/message，超過 3 秒未收到或 MQTT 連接斷開時，自動停止電機與機械臂動畫并關(guān)閉燈光；

狀態(tài)即時切換為停止，并在控制臺記錄告警日志，便于追蹤問題；

支持 error_word 的拓展，可與后端約定錯誤碼字典，后續(xù)用于更細(xì)粒度的異常提示。

3. 架構(gòu)介紹

3.1 技術(shù)棧與模塊劃分

前端框架： Vue 3 (script setup) ，負(fù)責(zé) UI 組織、狀態(tài)管理與生命周期控制

三維渲染： Three.js + FBXLoader + OrbitControls，構(gòu)建 3D 場景、加載模型、處理交互

消息通信：mqtt.js (WebSocket)，與 MQTT 服務(wù)器交互，訂閱設(shè)備狀態(tài)、發(fā)送控制指令

UI 組件： 自定義控制面板 / 數(shù)據(jù)面板，提供操作入口與實時數(shù)據(jù)展示

3.2 數(shù)據(jù)流

下行數(shù)據(jù)：設(shè)備通過 MQTT 服務(wù)器推送 /mqtt/message 前端 handleMqttMessage 更新 motorData、控制動畫和燈光。

上行指令：用戶點擊控制按鈕 sendMqttCommand 發(fā)布至 /mqtt/command 設(shè)備執(zhí)行并反饋結(jié)果。

3.3 狀態(tài)管理

motorData：存放電機實時參數(shù)（轉(zhuǎn)速、扭矩、電流、電壓、溫度、status_word、pos 等）；

obotArmData：存放機械臂展示數(shù)據(jù)（角度、伸展、負(fù)載等，當(dāng)前用于界面展示）；

其余用于存放動畫速度、方向、燈光狀態(tài)、面板顯隱等。

3.4 安全機制

startMqttTimeoutCheck + handleMqttTimeout：負(fù)責(zé)檢測消息超時并觸發(fā)停機邏輯；

mqttClient.on(‘close’|’offline’)：連接斷開立即執(zhí)行停機；

getStatusWordText：對伺服狀態(tài)碼進(jìn)行解析和人性化提示。

4. 代碼結(jié)構(gòu)說明（src/App.vue）

4.1 主要函數(shù)

場景相關(guān)：initMainScene、createLightBulb、 oggleLightBulb、startRobotArmLoop、stopRobotArmAnimation 等；

MQTT 相關(guān)：initMqttClient、sendMqttCommand、handleMqttMessage、getStatusWordText、startMqttTimeoutCheck；

控制指令：playMotorAnimationLoop、stopMotorAnimation、speedUpMotor、slowDownMotor、setMotorForward、setMotorReverse、 urnOnLight、 urnOffLight。

4.2 生命周期

（1）. onMounted

處理 viewport 兼容邏輯；

初始化 Three.js 場景與動畫循環(huán)；

加載機械臂、電機模型及燈泡；

建立 MQTT 連接并啟動超時檢測；

監(jiān)聽窗口尺寸變化，保持畫面自適應(yīng)。

（2）. onUnmounted

清理 ResizeObserver、動畫幀、Three.js 控制器與渲染器；

斷開 MQTT 連接，停止超時檢測，釋放資源。

4.3 狀態(tài)碼與動畫聯(lián)動

當(dāng) status_word 標(biāo)記為運行時，自動播放電機動畫并按照 speed/5.5 的比例調(diào)整 timeScale；機械臂同步以 1.0 速度循環(huán)；

當(dāng)狀態(tài)變?yōu)榫途w/準(zhǔn)備/故障/停止時，停止相關(guān)動畫并更新 UI；

dir 控制 timeScale 的正負(fù)，led 控制燈泡明滅，pos 在加速/減速時更新。

演示效果

程序部署到睿擎派后，在命令行進(jìn)行程序啟動。

（1） 先輸入mqtt_init命令，初始化mqtt服務(wù)連接。

（2） 然后輸入ect_csp命令，初始化伺服器設(shè)備

（3） 在瀏覽器輸入WEB前端url連接，打開WEB頁面。

進(jìn)行對應(yīng)的操作電機的啟動，停止，調(diào)速，更換方向，開燈和關(guān)燈燈操作。

演示視頻地址

https://www.bilibili.com/video/BV1WfUBBTEZn/?buvid=XU9CDD99373E71FEACD8BC8A212D50C9F810A&is_story_h5=false&mid=SFXHz1RtesqlFJvcrtgcvA%3D%3D&plat_id=504&share_from=ugc&share_medium=android&share_plat=android&share_source=WEIXIN&share_tag=s_i&spmid=dt.dt.0.0×tamp=1764226777&unique_k=MvqTW1S&up_id=1024128963

代碼地址

（1） 睿擎派嵌入式代碼

https://gitee.com/yfiot_project/yfmech-pilot

（2） WEB前端代碼

鏈接:https://pan.baidu.com/s/12om9JQTkz0cdjhXSPivL7w?pwd=mmsw

提取碼:mmsw

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