【嵌入式实战项目精选】附源码 | 三等奖作品 | 基于RA4M2和阿里云物联网平台的智能卧室小管家
61人参与 • 2024-08-06 • 嵌入式
【ra4m2设计挑战赛】基于ra4m2和阿里云物联网平台的智能卧室小管家
文章目录
1 前言
在2022年末，由电子发烧友和瑞赛mcu联合发起了一个课外设计大赛：【社区大赛】瑞萨ra4m2(cortex-m33内核mcu)物联网网关设计挑战赛
本活动是一个为期2个月的ra4m2开发板实战项目挑战赛，以“课程学习+实践挑战”方式，带领开发者了解瑞萨arm内核mcu，设计完整项目，提升实践动手能力。
而我作为一个混迹在嵌入式物联网多年的开发工程师，自然不会放过这样一次跟业内顶尖高手过招的机会，于是我很激动得填下了我的报名信息，洋洋洒洒写了上千字的项目介绍，顺理成章地拿下了参赛资格。
以下是我在本次项目活动中的结项报告，欢迎各位老师、同行点评指导。
2 项目简介
关于项目前期的规划，我还是做了一些功课的，但是由于投入时间的关系，下文提及的部分功能并未完全实现。
2.1 项目名称
基于ra4m2和阿里云物联网平台的智能卧室小管家
2.2 设计思路
本项目主要使用瑞萨的r7fa4m2ad3cfp作为端侧的核心控制器，实现一个物联网网关，网关外围接入多种传感器器件和控制器件，通过wi-fi模组实现与云端的阿里云生活物联网平台互通。这个项目中，定位的应用场景是在智能卧室内，所以接入的传感器有包括声控传感器、温湿度传感器、睡眠灯带等，接入的控制设备包括加湿器、智能空调、智能灯等。在其他功能上，还可以通过oled等显示屏器件，显示一些核心信息，同时与手机app的互联互通也增加了“智能”的可玩性和实用性。总的来说，这个智能卧室小管家可以在一定程度上承担卧室的管家功能，释放人类，享受智能生活。
2.3 主要解决的问题
在智能家居中，大部分人都集中在关注客厅的智能化，而忽略了卧室的智能化。作为人一天中可能待时间最长的卧室，它的智能化需求更多是与人的健康、睡眠、安全等核心问题挂钩，一个优秀的智能卧室小管家恰好可以很好地弥补这方面的空缺，比如提供睡眠期间的温湿度检测，打通与智能空调、加湿器的智能化联动，这就可以很好地解决睡眠环境问题。另一方面，像接入智能睡眠带，也可以很好地为个体的睡眠质量提供一定的数据参考，方便人们改善睡眠质量。
2.4 项目创新点
1）阿里云生活物联网平台自定义创建智能卧室小管家；
2）各种传感器器件和控制器件的接入，这里可能接入的是非智能设备，还需要考虑他们的互联互通问题，涉及一个协议的定义和转换；
3）端侧联动操作的智能化逻辑，直接决定了智能小管家的实用性。
3 系统架构介绍
3.1 系统核心架构图
整个系统的核心架构图如下所示：
从上面这个核心架构图中，我们可以看到整个iot系统组成，包括智能设备终端侧、阿里云物联网平台。下面就整个系统的几大重要组件，我会一一进行简要讲解。
3.2 终端侧
终端侧主要承载的是智能卧室环境的检测，同时做一些边缘侧的应用逻辑处理，还需要具备对外网络的通讯能力，能在第一时间把紧要消息通过网络通道传输出去。
终端侧包括的核心组件有：瑞萨的r7fa4m2ad3cfp（ra4m2），搭载的是国产实时操作系统 rt-thread，同时外设板载有 esp8266 wi-fi通讯模组、红外发射器、继电器（gpio模拟）、oled显示屏、等等。
终端侧不仅包含设备硬件，还需要对应的固件软件，两者相辅相成，共同完成终端侧的功能逻辑。
3.3 后端侧
这里提及的后端，一般指的是阿里云物联网平台。
阿里云的物联网平台，在国内来说，还是走得比较靠前的，它可以接入非常多样化的智能设备，同时在物联网设备数据物模型这一块，也有比较完备的设计，各大方案厂商和设备终端厂商都比较愿意接入阿里云物联网平台。
而本次大赛的要求本身就是建议接入阿里云物联网平台，于是我在阿里云物联网平台创建了我的智能卧室小管家，并添加了若干属性（数据模型），以下便是一个参考，后文会详细介绍一下如何创建此类自定义产品。
4 系统设计说明
下面就系统的各个组件的设计，做简要的说明。
4.1 硬件部分
硬件部分主要分为四大部分：mcu主控、wi-fi模组、各类传感器、输出设备。
- mcu主控：瑞萨的r7fa4m2ad3cfp（ra4m2）
瑞萨电子 ra4m2 32 位微控制器 (mcu) 产品群使用支持 trustzone 的高性能 arm® cortex®-m33 内核。 与片内的 secure crypto engine (sce) 配合使用，可实现安全芯片的功能。 ra4m2 采用高效的 40nm 工艺，由灵活配置软件包 (fsp) 这个开放且灵活的生态系统概念提供支持，fsp 基于 freertos 构建，并能够进行扩展，以使用其他实时操作系统 (rtos) 和中间件。 ra4m2 适用于物联网应用的需求， 如多样化的通信功能、面向未来应用的安全功能、大容量嵌入式 ram 和较低的运行功耗（从闪存运行 coremark® 算法时功耗低至 81µa/mhz）。
以下是它的资源图介绍：
在我的项目中，我主要使用它的以下几个外设资源：
1）uart1：rt-thread的终端调试串口；
2）uart4：用于连接串口wi-fi模块esp8266，实现网络通讯能力；
3）uart9：用于连接红外收发器，本次项目中主要使用其红外发射功能；红外发射主要用于控制外部的空调；
4）i2c2：用于连接oled显示屏，实现部分信息的展示；
5）i2c3：用于连接温湿度传感器，型号为aht25，一款高精度的温湿度传感器，见下文介绍；
6）gpio：gpio404用作系统工作状态显示灯，gpio407用于控制卧室灯开关。
以下是我的实物连接示意图：
- wi-fi模组：esp8266
本次参赛，我并没有采用官方推荐的wi-fi模块，而是采用了我惯用的wi-fi通讯模组esp8266，原因无它，就是担心踩坑，影响了比赛进度，而使用esp8266的话，非常的便捷，借助rt-thread的软件包，基本无需编写任何代码，就可以实现网络能力；当然串口通讯还是需要配置一下，只不过不用谢代码而已。
我这里使用的搭建esp8266 wi-fi芯片的模组esp-12f，它是由安信可科技开发的，该模块核心处理器 esp8266 在较小尺寸封装中集成了 业界领先的 tensilica l106 超低功耗 32 位微型 mcu，带有 16 位精简模式，主频支持 80 mhz 和 160 mhz，支持 rtos，集成 wi-fi mac/ bb/rf/pa/lna，板载天线。
- 红外编解码模块（ys-irtm）
本模块集成了以下几部分：
红外发射头：用于发射红外信号， 波长为940nm 38k nec编码信号的发射；
红外接收头：用于接收 nec 红外信号， 进而单片机进行分析解码操作；
红外头扩展: 该接口为红外发射头的扩展， 可以连接多个红外发射头（ 常称红外发射模块） ， 用于安放到不同的位置实现多方位控制；
uart 单片机串口通信接口：该端口为单片机串口（ ttl） ， 作为与外界单片机的通信桥梁， 其默认设置的波特率为9600bps；
使用单片机的串口就可以与之对接，非常的方便。
- oled显示屏（ssd1306）
本次参赛使用的是基于ssd1306控制芯片的oled显示屏，尺寸是0.96‘，分辨率是128*64，它的控制协议采用的是4线i2c协议。在实现对接的过程中，既可以使用硬件i2c，也可以采用gpio模拟成软件i2c去对接。
以下是该显示屏的实物图：
- 温湿度传感器（aht25）
本次参赛聚焦与卧室环境，需要用的一个温湿度传感器，这里我依然没有采用官方推荐的温湿度传感器，还是使用了一块，我已经比较熟练使用的温湿度传感器aht25，它与常见的aht20温湿度传感器属于同一个系列，在编程代码上基本是可以公用的。最棒的是，官方已提供成熟的示例代码，开发者仅需要花小量的时间，即可很快完成调试对接。
以下是它的实物图：
- gpio控制：
目前这一块的接入，采用的是gpio做模拟，并没有实际接入继电器，但已经完全可以实现其操作原理。
其中，gpio404用作系统工作状态显示灯，gpio407用于控制卧室灯开关。
4.2 软件部分
整个软件部分的开发主要就是终端固件开发，主要包括四大部分：ra4m2的原厂bsp、rt-thread实时操作系统、esp8266相关的配置代码使能、个性化的应用逻辑代码。
其中ra4m2的原厂bsp基本不动，原厂和相关开发者已经适配好了；通用的rt-thread操作系统的代码也不在此处的修改中，直接复用已有的代码，这里使用的版本是 4.1.1 。
esp8266相关的at、网络组件代码也是现成的，使能配置之后就可以直接用了，还是非常的方便。
除了at相关的软件包代码外，我还使用了 ali-iotkit-v3.0.1 这个软件包，这个软件包主要集成了对接阿里云物联网的技术细节。
还有一个cjson的软件包，这里也使用到了，它用于做一些上下行数据包的解析和封装，主要原因是对接阿里云物联网平台使用的alink json的数据协议，这就要求终端必须具备解析json数据的能力。
所以这里重点讲一下，应用逻辑的代码：主要包括温湿度传感器的操作、红外收发器的控制、oled屏的显示、gpio的控制等。
以下是终端软件应用逻辑部分的层次图：
其中：
wi-fi线程：由于在rt-thread中at组件是开启后，默认就跑起来了，而在应用层暂时没有一个比较好的方式感知网络能力的建立，所以这里新建了一个线程，用于实时检查网络通讯能力；当网络通讯能力已建立时，通过信号量的方式，通知其他模块。
aliyun mqtt线程：主要负责跟阿里云物联网平台进行对接，采用的mqtt通讯协议，它的运行，依赖于基础网络能力的建立；当它与阿里云物联网平台建立联系时，它就可以接收平台的控制指令下发，比如开关空调或开关照明灯等；
oled显示线程：此线程用于更新显示智能卧室的相关数据信息，包括：空调的开关状态、照明灯的开关状态、卧室的温湿度等；这些信息的更新频次大概1秒钟更新一次；
smart智能卧室线程：该线程主要维护整个智能卧室的逻辑，包括定时更新温湿度值、定时上报最新数据到阿里云物联网平台；
红外接收处理线程：该线程主要用于接收外部的标准nec红外信号，此功能本项目暂时未实际使用，仅用于学习若干红外遥控器的键值；
系统运行展示线程：此线程并没有参与过多的应用逻辑，仅仅是每一秒钟闪烁一下运行指示灯，表示系统正在运行中。
以上各个线程各司其职，相辅相成，共同完成智能卧室小管家的逻辑功能。
下面展示的是工程项目中的代码结构，我在rt-thread适配ra4m2的基础上，新增了一个app目录用于存放我自己的应用工程代码，里面的代码结构一本与上面的代码逻辑示意图保持一致。
5 项目实施过程
1）熟悉ra4m2的基本开发资料
这一步主要是熟悉开发板的基本资源，对外设等信息有一定的概念，以便于方便后续的开发调试；同时，还需要把相关的一些官方软件给安装好，熟练使用配置工具和下载工具。
文末有好几份我当时参考的教程，基本根据上面的步骤来，很快就可以完成初始的上手操作。
2）移植rt-thread操作系统
本次参赛，我并不打算使用官方推荐的freertos，而是想采用我熟悉的rt-thread操作系统，一来是我比较熟悉使用rt-thread，二来rt-thread有非常丰富和成熟的软件包，包括网络通讯、iot云对接这块都比较多参考，所以能够很快就构建起demo应用。
移植rt-thread这块，其实也要多感谢rt-thread官方和社区的小伙伴，其实他们都已经做好了基本的移植了，只需要对照着自己的开发板资源跳转一下即可。
我主要是参考小伙伴的动手教程（见文末的参考链接），最后被串口输出卡壳了一晚上，然后发现了一个问题，冤死了。后面的项目复盘会提到，顺利的话，完成这一步，基本的操作系统能力就已经建立了，下面就是基于rt-thread操作系统进行编程了。
3）配置rt-thread的软件包
这里主要利用rt-thread的配置工具env，然后使用menuconfig来配置各种软件包，在线拉取，这个项目中，我使用了aliyun-iotkit软件包、at-device软件包、cjson软件包；的确让我的项目开发提速了不少。
4）配置阿里云物联网平台
我是参考这个 来创建自己的自定义产品的，很快就上手，最重要的是，创建完产品和设备之后，把相关的三元组信息拿到，然后填充到aliyun-iotkit软件包中，就可以很快连接上阿里云。
基本上以上4步完成后，终端就可以很顺利地连上阿里云物联网平台了，而这期间基本就是零代码，全部都归功于rt-thread灵活的代码配置工具，非常地赞。
为了契合本次参赛项目，我在创建的产品中，增加了相关的数据熟悉，分别是：空调开关状态、照明灯开关状态、温湿度等。
5）调试外设驱动
这里主要是调试各种驱动接口，包括红外发射器的uart接口、oled显示的i2c接口、温湿度传感器的i2c接口、照明灯开关的gpio控制。
在调试过程中，一般一个个模块来，避免模块直接的干扰，这样可以有效地加快开发速度。
等到各个功能模块完成后，统一串起来跑一跑，确保没有问题。
6）全功能自测
到了这一步，基本功能开发就已经完成了，需要将终端设备的功能与云端能力联系起来调试，比如终端上报的数据能够在云端展示、云端发起的控制指令，能否在终端得到响应等等。
7）准备结项资料
项目收尾的最后，需要准备各种结项资料，包括项目稳定、演示视频、各种实物图片等等。
6 项目效果显示
6.1 功能描述
本期项目中，已实现以下功能：
-
定时采集更新卧室温湿度数据，并通过oled更新显示，同时上报到阿里云物联网平台；
-
定时更新oled显示内容，包括空调开关状态、照明灯开关状态、卧室温湿度值等；
-
系统运行指示灯，每秒钟闪烁一次；
-
开机自识别接入wi-fi网络，并在判断网络状态ok后，通过mqtt的形式自动接入阿里云物联网平台；
-
在阿里云物联网平台，可以在线调试，下发控制空调开关或照明灯开关等控制指令；
-
在阿里云物联网平台，可以展示空调开关状态、照明灯开关状态、卧室温湿度等信息；
6.2 图片展示
以下是项目的部分图片展示：
-
开发板时钟配置的问题，导致的乱码
-
rt-thread跑起来的瞬间
-
零代码上阿里云
-
上报数据到物联网平台
- 收到云端下发控制指令
- 中文显示的汉字字模提取
-
阿里云物联网平台设备数据展示
-
终端oled显示
6.3 视频展示
视频展示部分，已更新，见硬声平台，戳这里
6.4 代码开源
本参赛项目的源代码已全面开源在 这里
其中应用部分的代码在 ra4m2-rt-thread/tree/master/bsp/renesas/ra4m2-eco
有关项目源代码的事情，也可与我讨论。
7 项目复盘
项目虽然即便完成了，但是有些东西还是需要好好复盘总结的。
7.1 项目踩的那些坑
- 第一坑，必须留个这个开发板的外部晶振时钟：我一开始参考的是之前的一些测评帖子，按照他们的教程来，一步步走下来，rt-thread是跑起来了，但是console输出确实乱码的，然后看了一下主线程的log打印，本来是一秒钟打印一次的，结果我这跑出来是2秒钟打印一次。于是多次请教大佬，才了解清楚，本次大赛的板子，外部晶振时 12mhz的，而之前测评活动的外部晶振时 24mhz，这个真的是第一个大坑，谁知道外部长得一样的板子，居然换了个晶振！于是改成12mhz的晶振后，一切正常。
- 瑞赛的fsp智能配置工具使用不熟，对立面的配置流程有些茫然，比如在配置硬件i2c的时候，一开始压根不知道那里还可以配置从设备地址，老是以为接口代码里面传入，结果死活出不来数据，差点都怀疑人生了；
- 管脚复用的问题一定要小心，好多外设都是复用的，比如i2c和uart，一定要注意区分；同时，选引脚的时候也要留意，跟自己的开发板要一一对应，不然即便软件代码没问题，功能依然跑不出来；
- 开发板的usb口，一开始电脑死活出不来com口，更新驱动，重启电脑都试了，没用；最后发现我可能用了一个只能充电的数据线导致的，换了一个手机传输数据的type-c数据线后，com口终于出来了。
7.2 项目带来的启发
-
项目还是要赶早规划和实施，越往后推压力越大，除非你想要项目摆烂；
-
遇到卡壳的问题，及时寻找帮助，要不找原厂的技术支持，要不找参赛的小伙伴，一般的技术问题大家都和乐意为你解答；你自个瞎折腾一晚上的问题，可能别人一两句话就点通你了；
-
评估工作量时，尽快多留一手，看似简单的功能，哪怕你已经在别的平台实现过，也可能还要再踩坑一次；
-
写应用代码的时候，多多考虑代码的可移植性；本次项目我复用了之前在c51上面写的i2c驱动oled的代码，之前是软件i2c，这次切换到硬件i2c，适配一下接口后，应用逻辑代码基本不用动，非常地丝滑；
-
纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行；多上手，多总结；看10篇别人的教程，不如自己整一遍来得快，这次我就吃了这个亏，希望后续多多吸取教训。
7.3 项目的todolist
鉴于项目时间的关系，本项目中海油一些比较好的功能想法并没有去实现，后续有时间，可以考虑把它完善了。
- ota升级的问题：本身阿里云物联网平台是支持ota升级的，这块可以调试一下，问题不大；
- usb本地升级的问题：需要研究一下这块升级的逻辑，还好论坛中已有小伙伴实践出来了；
- 智能卧室本地化智能逻辑：这里其实是一些智能化场景的丰富问题，比如温湿度值与空调的联动就是比较简单的一个逻辑，在后续的迭代中，可以多多加入一些这样的本地化智能逻辑；
- 智能卧室传感器中引入睡眠检测：其实这个也是我本身这次参赛很想做的一个功能，但是由于没有预留充足的预研时间，传感器没有选好型，一直被拖住了；后续有机会我一定要把这个功能加上；等到它加入的那一天，智能卧室小管家的商用价值可能就提升不少了。
归根结底，还是时间花得太少了，后面的项目都要吸取此类教训。
8 致谢
这个项目前前后后地折腾了一段时间，踉踉跄跄地也算是交差了，这期间还是要感谢几位大佬的支持与帮助，可以说没有你们的输入，可能我都不能完成这个项目了。以下是详细的致谢名单，排名不分前后：
再次感谢大家，今后多向各位大佬学习。
9 参考链接
在整个项目开发过程中，参考了一些有用的文章或教程，特在此罗列，以表感谢：
10 更多分享
本次项目介绍后，我还继续探索rt-thread在各种嵌入式平台开发的可能性，并以此来要求自己输出各种关于rt-thread、嵌入式、物联网等等热门技术话题的原创内容，欢迎大家持续关注我。
我是 架构师李肯 （全网同名），2022年电子发烧友论坛优秀开发者、2022年rt-thread技术社区优秀布道者、csdn博客专家，欢迎大家来交流。
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