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李娟

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《玩转ART-Pi开发板》第7章 基于ART-Pi的环境监测系统设计

开发环境:
RT-Thread版本:4.0.3
操作系统:Windows10
Keil版本:V5.30
RT-Thread Studio版本:2.0.1
开发板MCU:STM32H750XB

从本章开始,笔者不在就某一个单一功能讲解,而是针对某一个具体的项目作为讲解的主要内容。

7.1前言

第一个项目是一个环境监测系统,我相信很多朋友都做过,我这里主要从宏观层面来把握,你学会这个系统,那么你就可以将其移植到很多实际场景。

环境监测系统分为三个部分,一部分是终端节点,也就是采集环境信息,一般通过组网方式将各个节点汇聚到一个终端,再由该终端进行转发,常见的组网方式有ZigBee、BLE等。中间部分就是网关,它负责将各个终端的数据通过网络传到云端,根据实际的业务需求来购置相应的设备。最后一块就是云服务器了,当然现在云服务很多,免费版的也不少。环境监测架构如下图所示:


7.2环境数据获取

为了简单起见,我这里使用RT-Thread Studio开发,关于如何使用RT-Thread Studio创建项目,请参看官方手册。

7.2.1 RT-Thread Studio创建项目

第一个项目笔者还是简单讲解下,首先打开RT-Thread Studio,新建项目。

接下来选择新建“RT-Thread项目”,然后点击“下一步”。

接下来填写工程名,选择开发板ART-Pi,其他默认即可。

点击“完成”,稍等片刻即可完成项目的创建。当然接下来你也可以使用MDK开发,我这里还是继续使用RT-Thread Studio开发。
工程创建好了,接下里就是开发工作了。

7.2.2 DHT11获取温湿度

RT-Thread提供了DHT11的驱动软件包,配置如下:

DHT11默认使用的 GPIO是 GPIOB_12。当然这是可以修改的,在 dht11_sample.c 中修改以下代码:
笔者这里直接接到默认引脚上,我就不修改了。

程序编译下载到板卡后,会在串口中每 1s 打印一次温湿度数据。

既然驱动有现成的,那么只需要写个相应的应用代码即可。后文需要将得到温湿度值上传至云端,应用部分的代码如下:



7.2.3 DHT11总结

RT-Thread包含DHT11驱动,这里就没有去造轮子了,但是作为学习者,还是要去了解DHT11的原理及具体实现。这部分内容在笔者博客的STM32系列的外设篇已详细阐述,下面就DHT11驱动在RTT中的实现做个总结。

DHT11是采用单总线通讯的传感器,有的设备没有硬件单总线,DHT11的支持包采用 GPIO 模拟单总线时序。DHT11 的一次完整读时序需要 20ms,时间过长,故无法使用关中断或者关调度的方式实现独占 CPU 以保证时序完整正确。因此可能出现读取数据失败的情况。

DHT11的典型电路如下图所示。


DATA 用于微处理器与 DHT11之间的通讯和同步,采用单总线数据格式,一次通讯时间4ms左右,数据分小数部分和整数部分,具体格式在下面说明,当前小数部分用于以后扩展,现读出为零.操作流程如下:

一次完整的数据传输为40bit,高位先出。
数据格式:8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据+8bi温度整数数据+8bit温度小数数据+8bit校验和数据传送正确时校验和数据等于“8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据+8bi温度整数数据+8bit温度小数数据” 所得结果的末8位。

用户MCU发送一次开始信号后,DHT11从低功耗模式转换到高速模式,等待主机开始信号结束后,DHT11发送响应信号,送出40bit的数据,并触发一次信号采集用户可选择读取部分数据。从模式下,DHT11接收到开始信号触发一次温湿度采集,如果没有接收到主机发送开始信号,DHT11不会主动进行温湿度采集.采集数据后转换到低速模式。通讯过程如下图所示:


熟悉RT-Thread系统都知道,RT-Thread将各个模块进行抽象,为上层提供统一的操作接口,依次提高上层代码的可重用性,自然也提高了应用开发效率。RT-Thread的驱动框架:


应用程序通过 I/O 设备管理接口获得正确的设备驱动,然后通过这个设备驱动与底层 I/O 硬件设备进行数据(或控制)交互。

I/O设备模型框架位于硬件和应用程序之间,共分成三层,从上到下分别是 I/O 设备管理层、设备驱动框架层、设备驱动层。

I/O设备管理层实现了对设备驱动程序的封装。应用程序通过 I/O 设备层提供的标准接口访问底层设备,设备驱动程序的升级、更替不会对上层应用产生影响。这种方式使得设备的硬件操作相关的代码能够独立于应用程序而存在,双方只需关注各自的功能实现,从而降低了代码的耦合性、复杂性,提高了系统的可靠性。

设备驱动框架层是对同类硬件设备驱动的抽象,将不同厂家的同类硬件设备驱动中相同的部分抽取出来,将不同部分留出接口,由驱动程序实现。

设备驱动层是一组驱使硬件设备工作的程序,实现访问硬件设备的功能。它负责创建和注册 I/O 设备,对于操作逻辑简单的设备,可以不经过设备驱动框架层,直接将设备注册到 I/O 设备管理器中。

更加详细的内容请参看RT-Thread官方手册。
这里主要讲解Sensor驱动,RT-Thread将各个Sensor进行抽象,将不同厂商的Sensor合并为Sensor设备,从而提高了代码的重用性,提高开发效率。既然是总结,这里就只说重点,先看看DHT11设备驱动的时序图:


图10 DHT11设备驱动的时序图
传感器数据接收和发送数据的模式分为 3 种:中断模式、轮询模式、FIFO 模式。在使用的时候,这 3 种模式只能选其一,若传感器的打开参数 oflags 没有指定使用中断模式或者 FIFO 模式,则默认使用轮询模式。

oflags 参数支持下列参数:

DHT11设备比较简单,采用的是轮询模式,其设备注册函数如下:

硬件初始化如下:

注意INIT_COMPONENT_EXPORT表示组件初始化,初始化顺序为4。
好了,DHT11就讲到这里了。

7.3联网【WiFi】

ART-Pi有两种联网方式,一个是板载的WiFi模块AP6212,这个模块自带蓝牙;另一个是工业扩展板的网口,使用的芯片是LAN8720A,我没有扩展板,这里就只讲解如何使用WiFi联网。这里先看看WiFi的电路。



从上图可以看出WiFi和BT使用的是二合一芯片AP6212,WiFi的接口是SDIO,BT使用的是串口,还是很简单的。
接下来就是针对WiFi进行简单的配置。

7.3.1 WiFi配置

首先是配置WiFi底层驱动。

然后是添加WiFi库。

接下来的配置是为了优化WiFi而配置的。

优化配置一:添加easyflash库

默认情况下,连接WiFi后,重启板子后需要重新连接WiFi,可以将WiFi的信息记录在flash中,重新后再次连接即可,这里就需要添加easyflash包。


优化配置二:BT配网

我们在首次使用开发板连接WiFi,需要命令来连接,这就需要PC有串口驱动和终端助手,还是比较麻烦,接下来的方式是通过板载的BT软件,通过智能手机将WiFi信息传给板子,这样只需给板子上电就可以连接WiFi了,但这需要额外的手机APP或者微信小程序等,官方提供了相应的小程序,这里直接用就可以了。BT配网配置比较多。

首先需要使能BT协议栈。

BT使用的是串口3因此需要打开串口3。

还需要JSON库、RTC和文件系统。
好了,关于WiFi的配置差不多了,接下来就是实现WiFi连网、断电重连、BT联网。

7.3.2 WiFi代码实现

首先增加一个模块文件夹,用于配置BT和WiFi,具体内容请看源码。
图21添加modules文件夹

【bt_module.c】

bt_module.c添加的是BT初始化的内容。

【bt_module.h】

【wifi_module.c】




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