【RA4M2設計挑戰賽】基于RA4M2和阿里云物聯網平臺的智能臥室小管家
【RA4M2設計挑戰賽】基于RA4M2和阿里云物聯網平臺的智能臥室小管家
摘要
本項目已RA4M2為主控，搭載了RT-Thread實時操作系統，配合Wi-Fi模塊來提供網絡通訊能力，外設接入了繼電器、紅外發射、OLED顯示等器件，成功連上了阿里云物聯網平臺，實現了一個智能臥室小管家的產品雛形。
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2.1 項目名稱 -
2.2 設計思路 -
2.3 主要解決的問題 -
2.4 項目創新點 -
3.1 系統核心架構圖 -
3.2 終端側 -
3.3 后端側 -
4.1 硬件部分 -
4.2 軟件部分 -
6.1 功能描述 -
6.2 圖片展示 -
6.3視頻展示 -
6.4 代碼開源 -
7.1 項目踩的那些坑 -
7.2 項目帶來的啟發 -
7.3 項目的TODOLIST
1 前言
在2022年末，由電子發燒友和瑞賽MCU聯合發起了一個課外設計大賽：**【社區大賽】瑞薩RA4M2(Cortex-M33內核MCU)物聯網網關設計挑戰賽**
本活動是一個為期2個月的RA4M2開發板實戰項目挑戰賽，以“課程學習+實踐挑戰”方式，帶領開發者了解瑞薩ARM內核MCU，設計完整項目，提升實踐動手能力。
而我作為一個混跡在嵌入式物聯網多年的開發工程師，自然不會放過這樣一次跟業內頂尖高手過招的機會，于是我很激動得填下了我的報名信息，洋洋灑灑寫了上千字的項目介紹，順理成章地拿下了參賽資格。
以下是我在本次項目活動中的結項報告，歡迎各位老師、同行點評指導。
2 項目簡介
關于項目前期的規劃，我還是做了一些功課的，但是由于投入時間的關系，下文提及的部分功能并未完全實現。
2.1 項目名稱
基于RA4M2和阿里云物聯網平臺的智能臥室小管家
2.2 設計思路
本項目主要使用瑞薩的R7FA4M2AD3CFP作為端側的核心控制器，實現一個物聯網網關，網關外圍接入多種傳感器器件和控制器件，通過Wi-Fi模組實現與云端的阿里云生活物聯網平臺互通。這個項目中，定位的應用場景是在智能臥室內，所以接入的傳感器有包括聲控傳感器、溫濕度傳感器、睡眠燈帶等，接入的控制設備包括加濕器、智能空調、智能燈等。在其他功能上，還可以通過OLED等顯示屏器件，顯示一些核心信息，同時與手機APP的互聯互通也增加了“智能”的可玩性和實用性?？偟膩碚f，這個智能臥室小管家可以在一定程度上承擔臥室的管家功能，釋放人類，享受智能生活。
2.3 主要解決的問題
在智能家居中，大部分人都集中在關注客廳的智能化，而忽略了臥室的智能化。作為人一天中可能待時間最長的臥室，它的智能化需求更多是與人的健康、睡眠、安全等核心問題掛鉤，一個優秀的智能臥室小管家恰好可以很好地彌補這方面的空缺，比如提供睡眠期間的溫濕度檢測，打通與智能空調、加濕器的智能化聯動，這就可以很好地解決睡眠環境問題。另一方面，像接入智能睡眠帶，也可以很好地為個體的睡眠質量提供一定的數據參考，方便人們改善睡眠質量。
2.4 項目創新點
1）阿里云生活物聯網平臺自定義創建智能臥室小管家；
2）各種傳感器器件和控制器件的接入，這里可能接入的是非智能設備，還需要考慮他們的互聯互通問題，涉及一個協議的定義和轉換；
3）端側聯動操作的智能化邏輯，直接決定了智能小管家的實用性。
3 系統架構介紹
3.1 系統核心架構圖
整個系統的核心架構圖如下所示：
從上面這個核心架構圖中，我們可以看到整個IoT系統組成，包括智能設備終端側、阿里云物聯網平臺。下面就整個系統的幾大重要組件，我會一一進行簡要講解。
3.2 終端側
終端側主要承載的是智能臥室環境的檢測，同時做一些邊緣側的應用邏輯處理，還需要具備對外網絡的通訊能力，能在第一時間把緊要消息通過網絡通道傳輸出去。
終端側包括的核心組件有：瑞薩的R7FA4M2AD3CFP（RA4M2），搭載的是國產實時操作系統 RT-Thread，同時外設板載有 ESP8266 Wi-Fi通訊模組、紅外發射器、繼電器（GPIO模擬）、OLED顯示屏、等等。
終端側不僅包含設備硬件，還需要對應的固件軟件，兩者相輔相成，共同完成終端側的功能邏輯。
3.3 后端側
這里提及的后端，一般指的是阿里云物聯網平臺。
阿里云的物聯網平臺，在國內來說，還是走得比較靠前的，它可以接入非常多樣化的智能設備，同時在物聯網設備數據物模型這一塊，也有比較完備的設計，各大方案廠商和設備終端廠商都比較愿意接入阿里云物聯網平臺。
而本次大賽的要求本身就是建議接入阿里云物聯網平臺，于是我在阿里云物聯網平臺創建了我的智能臥室小管家，并添加了若干屬性（數據模型），以下便是一個參考，后文會詳細介紹一下如何創建此類自定義產品。
4 系統設計說明
下面就系統的各個組件的設計，做簡要的說明。
4.1 硬件部分
硬件部分主要分為四大部分：MCU主控、Wi-Fi模組、各類傳感器、輸出設備。
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MCU主控：瑞薩的R7FA4M2AD3CFP（RA4M2）
瑞薩電子 RA4M2 32 位微控制器 (MCU) 產品群使用支持 TrustZone 的高性能 Arm? Cortex?-M33 內核。 與片內的 Secure Crypto Engine (SCE) 配合使用，可實現安全芯片的功能。 RA4M2 采用高效的 40nm 工藝，由靈活配置軟件包 (FSP) 這個開放且靈活的生態系統概念提供支持，FSP 基于 FREERTOS 構建，并能夠進行擴展，以使用其他實時操作系統 (RTOS) 和中間件。 RA4M2 適用于物聯網應用的需求， 如多樣化的通信功能、面向未來應用的安全功能、大容量嵌入式 RAM 和較低的運行功耗（從閃存運行 CoreMark? 算法時功耗低至 81μA/MHz）。
以下是它的資源圖介紹：
在我的項目中，我主要使用它的以下幾個外設資源：
1）UART1：RT-Thread的終端調試串口；
2）UART4：用于連接串口WI-Fi模塊ESP8266，實現網絡通訊能力；
3）UART9：用于連接紅外收發器，本次項目中主要使用其紅外發射功能；紅外發射主要用于控制外部的空調；
4）I2C2：用于連接OLED顯示屏，實現部分信息的展示；
5）I2C3：用于連接溫濕度傳感器，型號為AHT25，一款高精度的溫濕度傳感器，見下文介紹；
6）GPIO：GPIO404用作系統工作狀態顯示燈，GPIO407用于控制臥室燈開關。
以下是我的實物連接示意圖：
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Wi-Fi模組：ESP8266
本次參賽，我并沒有采用官方推薦的Wi-Fi模塊，而是采用了我慣用的Wi-Fi通訊模組ESP8266，原因無它，就是擔心踩坑，影響了比賽進度，而使用ESP8266的話，非常的便捷，借助RT-Thread的軟件包，基本無需編寫任何代碼，就可以實現網絡能力；當然串口通訊還是需要配置一下，只不過不用謝代碼而已。
我這里使用的搭建ESP8266 Wi-Fi芯片的模組ESP-12F，它是由安信可科技開發的，該模塊核心處理器 ESP8266 在較小尺寸封裝中集成了 業界領先的 Tensilica L106 超低功耗 32 位微型 MCU，帶有 16 位精簡模式，主頻支持 80 MHz 和 160 MHz，支持 RTOS，集成 Wi-Fi MAC/ BB/RF/PA/LNA，板載天線。
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紅外編解碼模塊（YS-IRTM）
本模塊集成了以下幾部分：
紅外發射頭：用于發射紅外信號， 波長為940nm 38k NEC編碼信號的發射；
紅外接收頭：用于接收 NEC 紅外信號， 進而單片機進行分析解碼操作；
紅外頭擴展: 該接口為紅外發射頭的擴展， 可以連接多個紅外發射頭（ 常稱紅外發射模塊） ， 用于安放到不同的位置實現多方位控制；
UART 單片機串口通信接口：該端口為單片機串口（ TTL） ， 作為與外界單片機的通信橋梁， 其默認設置的波特率為9600bps；
使用單片機的串口就可以與之對接，非常的方便。
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OLED顯示屏（SSD1306）
本次參賽使用的是基于SSD1306控制芯片的OLED顯示屏，尺寸是0.96‘，分辨率是128*64，它的控制協議采用的是4線I2C協議。在實現對接的過程中，既可以使用硬件I2C，也可以采用GPIO模擬成軟件I2C去對接。
以下是該顯示屏的實物圖：
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溫濕度傳感器（AHT25）
本次參賽聚焦與臥室環境，需要用的一個溫濕度傳感器，這里我依然沒有采用官方推薦的溫濕度傳感器，還是使用了一塊，我已經比較熟練使用的溫濕度傳感器AHT25，它與常見的AHT20溫濕度傳感器屬于同一個系列，在編程代碼上基本是可以公用的。最棒的是，官方已提供成熟的示例代碼，開發者僅需要花小量的時間，即可很快完成調試對接。
以下是它的實物圖：
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GPIO控制：
目前這一塊的接入，采用的是GPIO做模擬，并沒有實際接入繼電器，但已經完全可以實現其操作原理。
其中，GPIO404用作系統工作狀態顯示燈，GPIO407用于控制臥室燈開關。
4.2 軟件部分
整個軟件部分的開發主要就是終端固件開發，主要包括四大部分：RA4M2的原廠BSP、RT-Thread實時操作系統、ESP8266相關的配置代碼使能、個性化的應用邏輯代碼。
其中RA4M2的原廠BSP基本不動，原廠和相關開發者已經適配好了；通用的RT-Thread操作系統的代碼也不在此處的修改中，直接復用已有的代碼，這里使用的版本是 4.1.1 。
ESP8266相關的AT、網絡組件代碼也是現成的，使能配置之后就可以直接用了，還是非常的方便。
除了AT相關的軟件包代碼外，我還使用了 ali-iotkit-v3.0.1 這個軟件包，這個軟件包主要集成了對接阿里云物聯網的技術細節。
還有一個cJSON的軟件包，這里也使用到了，它用于做一些上下行數據包的解析和封裝，主要原因是對接阿里云物聯網平臺使用的Alink JSON的數據協議，這就要求終端必須具備解析JSON數據的能力。
所以這里重點講一下，應用邏輯的代碼：主要包括溫濕度傳感器的操作、紅外收發器的控制、OLED屏的顯示、GPIO的控制等。
以下是終端軟件應用邏輯部分的層次圖：
其中：
Wi-Fi線程：由于在RT-Thread中AT組件是開啟后，默認就跑起來了，而在應用層暫時沒有一個比較好的方式感知網絡能力的建立，所以這里新建了一個線程，用于實時檢查網絡通訊能力；當網絡通訊能力已建立時，通過信號量的方式，通知其他模塊。
Aliyun MQTT線程：主要負責跟阿里云物聯網平臺進行對接，采用的MQTT通訊協議，它的運行，依賴于基礎網絡能力的建立；當它與阿里云物聯網平臺建立聯系時，它就可以接收平臺的控制指令下發，比如開關空調或開關照明燈等；
OLED顯示線程：此線程用于更新顯示智能臥室的相關數據信息，包括：空調的開關狀態、照明燈的開關狀態、臥室的溫濕度等；這些信息的更新頻次大概1秒鐘更新一次；
Smart智能臥室線程：該線程主要維護整個智能臥室的邏輯，包括定時更新溫濕度值、定時上報最新數據到阿里云物聯網平臺；
紅外接收處理線程：該線程主要用于接收外部的標準NEC紅外信號，此功能本項目暫時未實際使用，僅用于學習若干紅外遙控器的鍵值；
系統運行展示線程：此線程并沒有參與過多的應用邏輯，僅僅是每一秒鐘閃爍一下運行指示燈，表示系統正在運行中。
以上各個線程各司其職，相輔相成，共同完成智能臥室小管家的邏輯功能。
下面展示的是工程項目中的代碼結構，我在RT-Thread適配RA4M2的基礎上，新增了一個App目錄用于存放我自己的應用工程代碼，里面的代碼結構一本與上面的代碼邏輯示意圖保持一致。
5 項目實施過程
1）熟悉RA4M2的基本開發資料
這一步主要是熟悉開發板的基本資源，對外設等信息有一定的概念，以便于方便后續的開發調試；同時，還需要把相關的一些官方軟件給安裝好，熟練使用配置工具和下載工具。
文末有好幾份我當時參考的教程，基本根據上面的步驟來，很快就可以完成初始的上手操作。
2）移植RT-Thread操作系統
本次參賽，我并不打算使用官方推薦的freeRTOS，而是想采用我熟悉的RT-Thread操作系統，一來是我比較熟悉使用RT-Thread，二來RT-Thread有非常豐富和成熟的軟件包，包括網絡通訊、IoT云對接這塊都比較多參考，所以能夠很快就構建起demo應用。
移植RT-Thread這塊，其實也要多感謝RT-Thread官方和社區的小伙伴，其實他們都已經做好了基本的移植了，只需要對照著自己的開發板資源跳轉一下即可。
我主要是參考小伙伴的動手教程（見文末的參考鏈接），最后被串口輸出卡殼了一晚上，然后發現了一個問題，冤死了。后面的項目復盤會提到，順利的話，完成這一步，基本的操作系統能力就已經建立了，下面就是基于RT-Thread操作系統進行編程了。
3）配置RT-Thread的軟件包
這里主要利用RT-Thread的配置工具env，然后使用menuconfig來配置各種軟件包，在線拉取，這個項目中，我使用了aliyun-iotkit軟件包、AT-device軟件包、CJSON軟件包；的確讓我的項目開發提速了不少。
4）配置阿里云物聯網平臺
我是參考這個 教程來創建自己的自定義產品的，很快就上手，最重要的是，創建完產品和設備之后，把相關的三元組信息拿到，然后填充到aliyun-iotkit軟件包中，就可以很快連接上阿里云。
基本上以上4步完成后，終端就可以很順利地連上阿里云物聯網平臺了，而這期間基本就是零代碼，全部都歸功于RT-Thread靈活的代碼配置工具，非常地贊。
為了契合本次參賽項目，我在創建的產品中，增加了相關的數據熟悉，分別是：空調開關狀態、照明燈開關狀態、溫濕度等。
5）調試外設驅動
這里主要是調試各種驅動接口，包括紅外發射器的UART接口、OLED顯示的I2C接口、溫濕度傳感器的I2C接口、照明燈開關的GPIO控制。
在調試過程中，一般一個個模塊來，避免模塊直接的干擾，這樣可以有效地加快開發速度。
等到各個功能模塊完成后，統一串起來跑一跑，確保沒有問題。
6）全功能自測
到了這一步，基本功能開發就已經完成了，需要將終端設備的功能與云端能力聯系起來調試，比如終端上報的數據能夠在云端展示、云端發起的控制指令，能否在終端得到響應等等。
7）準備結項資料
項目收尾的最后，需要準備各種結項資料，包括項目穩定、演示視頻、各種實物圖片等等。
6 項目效果顯示
6.1 功能描述
本期項目中，已實現以下功能：
6.2 圖片展示
以下是項目的部分圖片展示：
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開發板時鐘配置的問題，導致的亂碼
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RT-Thread跑起來的瞬間 -
零代碼上阿里云
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終端OLED顯示
6.3 視頻展示
視頻展示部分，已更新，見硬聲平臺，戳這里
6.4 代碼開源
本參賽項目的源代碼已全面開源在 這里
其中應用部分的代碼在 ra4m2-rt-thread/tree/master/bsp/renesas/ra4m2-eco
有關項目源代碼的事情，也可與我討論。
7 項目復盤
項目雖然即便完成了，但是有些東西還是需要好好復盤總結的。
7.1 項目踩的那些坑
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第一坑，必須留個這個開發板的外部晶振時鐘：我一開始參考的是之前的一些測評帖子，按照他們的教程來，一步步走下來，RT-Thread是跑起來了，但是console輸出確實亂碼的，然后看了一下主線程的log打印，本來是一秒鐘打印一次的，結果我這跑出來是2秒鐘打印一次。于是多次請教大佬，才了解清楚，本次大賽的板子，外部晶振時 12MHZ的，而之前測評活動的外部晶振時 24MHZ，這個真的是第一個大坑，誰知道外部長得一樣的板子，居然換了個晶振！于是改成12MHZ的晶振后，一切正常。 -
瑞賽的FSP智能配置工具使用不熟，對立面的配置流程有些茫然，比如在配置硬件I2C的時候，一開始壓根不知道那里還可以配置從設備地址，老是以為接口代碼里面傳入，結果死活出不來數據，差點都懷疑人生了； -
管腳復用的問題一定要小心，好多外設都是復用的，比如I2C和UART，一定要注意區分；同時，選引腳的時候也要留意，跟自己的開發板要一一對應，不然即便軟件代碼沒問題，功能依然跑不出來； -
開發板的USB口，一開始電腦死活出不來COM口，更新驅動，重啟電腦都試了，沒用；最后發現我可能用了一個只能充電的數據線導致的，換了一個手機傳輸數據的TYPE-C數據線后，COM口終于出來了。
7.2 項目帶來的啟發
7.3 項目的TODOLIST
鑒于項目時間的關系，本項目中海油一些比較好的功能想法并沒有去實現，后續有時間，可以考慮把它完善了。
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OTA升級的問題：本身阿里云物聯網平臺是支持OTA升級的，這塊可以調試一下，問題不大； -
USB本地升級的問題：需要研究一下這塊升級的邏輯，還好論壇中已有小伙伴實踐出來了； -
智能臥室本地化智能邏輯：這里其實是一些智能化場景的豐富問題，比如溫濕度值與空調的聯動就是比較簡單的一個邏輯，在后續的迭代中，可以多多加入一些這樣的本地化智能邏輯； -
智能臥室傳感器中引入睡眠檢測：其實這個也是我本身這次參賽很想做的一個功能，但是由于沒有預留充足的預研時間，傳感器沒有選好型，一直被拖住了；后續有機會我一定要把這個功能加上；等到它加入的那一天，智能臥室小管家的商用價值可能就提升不少了。
歸根結底，還是時間花得太少了，后面的項目都要吸取此類教訓。
8 致謝
這個項目前前后后地折騰了一段時間，踉踉蹌蹌地也算是交差了，這期間還是要感謝幾位大佬的支持與幫助，可以說沒有你們的輸入，可能我都不能完成這個項目了。以下是詳細的致謝名單，排名不分前后：
再次感謝大家，今后多向各位大佬學習。
9 參考鏈接
在整個項目開發過程中，參考了一些有用的文章或教程，特在此羅列，以表感謝：
10 更多分享
本次項目介紹后，我還繼續探索RT-Thread在各種嵌入式平臺開發的可能性，并以此來要求自己輸出各種關于RT-Thread、嵌入式、物聯網等等熱門技術話題的原創內容，歡迎大家持續關注我。
我是 架構師李肯 （全網同名），2022年電子發燒友論壇優秀開發者、2022年RT-Thread技術社區優秀布道者、CSDN博客專家，歡迎大家來交流。
[經驗] 【瑞薩RA4系列開發板體驗】+rt-thread移植
[經驗] 【RA4M2設計挑戰賽】適配 RT-Thread（env方式）開發 RA4M2
紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行；多上手，多總結；看10篇別人的教程，不如自己整一遍來得快，這次我就吃了這個虧，希望后續多多吸取教訓。
寫應用代碼的時候，多多考慮代碼的可移植性；本次項目我復用了之前在C51上面寫的I2C驅動OLED的代碼，之前是軟件I2C，這次切換到硬件I2C，適配一下接口后，應用邏輯代碼基本不用動，非常地絲滑；
評估工作量時，盡快多留一手，看似簡單的功能，哪怕你已經在別的平臺實現過，也可能還要再踩坑一次；
遇到卡殼的問題，及時尋找幫助，要不找原廠的技術支持，要不找參賽的小伙伴，一般的技術問題大家都和樂意為你解答；你自個瞎折騰一晚上的問題，可能別人一兩句話就點通你了；
項目還是要趕早規劃和實施，越往后推壓力越大，除非你想要項目擺爛；
在阿里云物聯網平臺，可以展示空調開關狀態、照明燈開關狀態、臥室溫濕度等信息；
在阿里云物聯網平臺，可以在線調試，下發控制空調開關或照明燈開關等控制指令；
開機自識別接入Wi-Fi網絡，并在判斷網絡狀態OK后，通過MQTT的形式自動接入阿里云物聯網平臺；
系統運行指示燈，每秒鐘閃爍一次；
定時更新OLED顯示內容，包括空調開關狀態、照明燈開關狀態、臥室溫濕度值等；
定時采集更新臥室溫濕度數據，并通過OLED更新顯示，同時上報到阿里云物聯網平臺；
審核編輯黃宇
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