【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

【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

摘要

本项目已RA4M2为主控，搭载了RT-Thread实时操作系统，配合Wi-Fi模块来提供网络通讯能力，外设接入了继电器、红外发射、OLED显示等器件，成功连上了阿里云物联网平台，实现了一个智能卧室小管家的产品雏形。

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：

RA4M2 Block Diagram

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。

ESP8266

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

我是参考这个教程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

为了大家方便观看，我在文末也放置了演示视频，请大家留意下，感兴趣的可以去观看。

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。