STM32 + FreeRTOSでリアルタイムセンサー監視システムを構築する方法

はじめに：なぜFreeRTOSが必要なのか？

組込みシステムで複数のセンサーを同時に監視したい——そんなとき、ベアメタル（OSなし）で書いたコードでは限界が出てきます。

たとえば、温度センサーの読み取り中にCAN通信の受信を取りこぼしたり、LCD表示の更新中にアラーム判定が遅れたり。複数の処理を確実に並行実行するには、リアルタイムOS（RTOS）が有効です。

本記事では、STM32マイコンとFreeRTOSを使って、リアルタイムセンサー監視システムを構築する方法を、実装コード付きで解説します。

FreeRTOSの基礎から学びたい方へ：タスク・キュー・セマフォ・ミューテックスといったFreeRTOSの基本概念は、技術コラムの STM32 + FreeRTOS 入門｜タスク・キュー・セマフォを使ったRTOS実装ガイドで体系的に解説しています。本記事はその実践編にあたります。

本記事で構築するシステム

構成図

[温度センサー] ──I2C──┐
[湿度センサー] ──I2C──┤
[振動センサー] ──ADC──┤── STM32F4 + FreeRTOS ──UART──→ [ログ出力]
[CAN Bus]     ──CAN──┤                      ──CAN───→ [上位システム]
                      └── LCD表示

タスク構成

タスク名	優先度	周期	役割
SensorReadTask	High	100ms	I2C/ADCセンサー読み取り
AlarmCheckTask	High	200ms	閾値判定・アラーム発報
CANCommTask	Medium	50ms	CAN通信の送受信
DisplayTask	Low	500ms	LCD画面更新
LogTask	Low	1000ms	UARTシリアルログ出力

環境構築

必要なもの

マイコンボード: STM32F407 Discovery（またはNucleo-F446RE等）

開発環境: STM32CubeIDE 1.15+

ミドルウェア: FreeRTOS（CMSIS-RTOS v2 API）

センサー: BME280（温湿度・気圧）、ADXL345（振動）など

STM32CubeMXの設定

Middleware → FREERTOS を有効化（CMSIS_V2を選択）

I2C1 を有効化（センサー接続用）

ADC1 を有効化（振動センサー用）

CAN1 を有効化（上位システム通信用）

USART2 を有効化（デバッグログ用）

FreeRTOSの設定で、タスクのスタックサイズは各タスク最低256ワード（1KB）を確保しておきます。

実装のポイント

1. タスク間データ共有にはキュー（Queue）を使う

グローバル変数でのデータ共有は競合状態（Race Condition）の原因になります。FreeRTOSのキューを使えば、タスク間のデータ受け渡しをスレッドセーフに行えます。

// センサーデータ構造体
typedef struct {
    float temperature;
    float humidity;
    float pressure;
    float vibration;
    uint32_t timestamp;
} SensorData_t;
// キューハンドル
osMessageQueueId_t sensorQueueHandle;// キュー作成（main.c の初期化部分）
const osMessageQueueAttr_t sensorQueue_attr = {
    .name = "sensorQueue"
};
sensorQueueHandle = osMessageQueueNew(16, sizeof(SensorData_t), &amp;sensorQueue_attr);

2. センサー読み取りタスク

void SensorReadTask(void *argument)
{
    SensorData_t data;
    for (;;)
    {
        // BME280から温湿度・気圧を取得（I2C）
        data.temperature = BME280_ReadTemperature(&amp;hi2c1);
        data.humidity    = BME280_ReadHumidity(&amp;hi2c1);
        data.pressure    = BME280_ReadPressure(&amp;hi2c1);
        // ADXL345から振動値を取得（ADC）
        HAL_ADC_Start(&amp;hadc1);
        HAL_ADC_PollForConversion(&amp;hadc1, 10);
        uint32_t raw = HAL_ADC_GetValue(&amp;hadc1);
        data.vibration = (float)raw * 3.3f / 4096.0f;
        // タイムスタンプ
        data.timestamp = osKernelGetTickCount();
        // キューに送信（アラームタスク・表示タスクが受信）
        osMessageQueuePut(sensorQueueHandle, &amp;data, 0, 0);        osDelay(100); // 100ms周期
    }
}

3. アラーム判定タスク

#define TEMP_THRESHOLD_HIGH  40.0f  // 40℃以上で警告
#define VIBRATION_THRESHOLD  2.5f   // 2.5V以上で異常振動
void AlarmCheckTask(void *argument)
{
    SensorData_t data;
    for (;;)
    {
        // キューからデータ受信（最大200ms待機）
        if (osMessageQueueGet(sensorQueueHandle, &amp;data, NULL, 200) == osOK)
        {
            // 温度異常チェック
            if (data.temperature &gt; TEMP_THRESHOLD_HIGH)
            {
                CAN_SendAlarm(ALARM_TEMP_HIGH, data.temperature);
                HAL_GPIO_WritePin(LED_RED_GPIO_Port, LED_RED_Pin, GPIO_PIN_SET);
            }            // 振動異常チェック
            if (data.vibration &gt; VIBRATION_THRESHOLD)
            {
                CAN_SendAlarm(ALARM_VIBRATION, data.vibration);
                HAL_GPIO_WritePin(LED_ORANGE_GPIO_Port, LED_ORANGE_Pin, GPIO_PIN_SET);
            }
        }
    }
}

4. ミューテックスでI2Cバスを保護する

複数タスクが同じI2Cバスにアクセスする場合、ミューテックスで排他制御が必要です。

osMutexId_t i2cMutexHandle;
// 初期化
const osMutexAttr_t i2cMutex_attr = {
    .name = "i2cMutex",
    .attr_bits = osMutexRecursive | osMutexPrioInherit
};
i2cMutexHandle = osMutexNew(&amp;i2cMutex_attr);// I2Cアクセス時にミューテックス取得
float BME280_ReadTemperature_Safe(I2C_HandleTypeDef *hi2c)
{
    float temp = 0.0f;
    if (osMutexAcquire(i2cMutexHandle, osWaitForever) == osOK)
    {
        temp = BME280_ReadTemperature(hi2c);
        osMutexRelease(i2cMutexHandle);
    }
    return temp;
}

osMutexPrioInherit（優先度継承）を指定することで、優先度逆転問題を防止できます。

よくあるトラブルと対策

スタックオーバーフロー

FreeRTOSタスクのスタックサイズが不足すると、HardFault例外が発生します。

対策：

configCHECK_FOR_STACK_OVERFLOW を 2 に設定してオーバーフロー検出を有効化

uxTaskGetStackHighWaterMark() で使用量を確認し、余裕を持ったサイズを設定

// FreeRTOSConfig.h
#define configCHECK_FOR_STACK_OVERFLOW 2// コールバック関数
void vApplicationStackOverflowHook(TaskHandle_t xTask, char *pcTaskName)
{
    printf("Stack overflow in task: %s\n", pcTaskName);
    // LED点滅などでエラー通知
    while(1);
}

タスク優先度の設計ミス

優先度が高いタスクがCPUを占有し続けると、低優先度タスクが実行されません。

対策：

センサー読み取り・アラーム判定はHigh、表示やログはLow

必ずosDelay()やosMessageQueueGet()でブロッキング状態を作り、CPUを解放する

vTaskDelayUntil()で正確な周期実行を実現

ヒープメモリ不足

キューやミューテックスの生成に失敗する場合は、ヒープサイズが不足しています。

// FreeRTOSConfig.h
#define configTOTAL_HEAP_SIZE ((size_t)32768)  // 32KB に拡張

ベアメタルとFreeRTOSの比較

観点	ベアメタル	FreeRTOS
複数処理の並行実行	割り込み+フラグで手動管理	タスクとして自然に分離
タイミング制御	タイマー割り込みで実装	osDelay/vTaskDelayUntilで簡潔
データ共有	グローバル変数（競合リスクあり）	キュー/セマフォで安全
コードの保守性	処理が密結合しがち	タスク単位でモジュール化
デバッグ	困難（タイミング依存バグ）	タスク状態の可視化が可能
メモリ使用量	最小限	+10〜20KB程度

センサー2〜3個程度のシンプルな構成ならベアメタルで十分ですが、4つ以上の並行処理や、CAN通信のようなリアルタイム性が求められる場合はFreeRTOSの導入メリットが大きいです。

まとめ

STM32 + FreeRTOSによるリアルタイムセンサー監視システムの構築方法を解説しました。

ポイントの振り返り：

タスク間データ共有はキュー（Queue） を使い、グローバル変数を避ける

共有リソース（I2Cバス等）はミューテックスで保護する

優先度継承を有効にして優先度逆転を防止する

スタックサイズは余裕を持って設定し、オーバーフロー検出を有効化する

テクノスフィアでは、STM32をはじめとするマイコンの組込み開発を20年以上手がけてきました。FreeRTOSを活用したリアルタイムシステムの設計・実装も多数の実績があります。

組込みシステムの開発でお困りのことがあれば、お気軽にご相談ください。

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