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[物联网] 【RA6M3 HMI Board线下培训笔记】 RT Thread实现物联网应用 ETH+MQTT+LVGL实现温湿度检测

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发表于 6-3-2024 21:12:30 | 显示全部楼层 |阅读模式

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1. 序言

随着物联网技术的飞速发展,越来越多的生活场景变得越来越智能,网联化、智能化越来越成为主旋律。

值此之际,RT-Thread 和 瑞萨电子共同举办 智能家居网络开发:RA6M3 HMI Board 以太网+GUI技术实践 线下培训。

这次培训融合了很多物联网相关的知识,以太网ETH,MQTT协议,LVGL图像化界面和RTOS多任务开发,RT Thread Studio软件和生态高质量、高复用和高平台性的软件工具链将这四者综合起来,让开发者可以快速的上手物联网开发

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2. 瑞萨RA6M3芯片(Cortex M4内核)

下面我们先来介绍MCU,瑞萨RA6M3属于RA6系列微控制器,这个系列是瑞萨电子推出的高性能微控制器,主要针对物联网和工业应用。你想要的详细介绍,来啦!

  • 核心特点:RA6M3使用了Arm Cortex-M4核心,这意味着它有着高效的处理能力和低功耗的特点。其最高频率可达200 MHz,这在微控制器界就像是“跑车”的性能。

  • 内存配置:这款芯片拥有高达1MB的闪存和256KB的SRAM。这样的内存配置,在处理复杂程序时就能像是在公园散步一样轻松。

  • 丰富的外设接口:RA6M3支持USB Full-speed和High-speed,有CAN接口,还支持SDHI、QSPI等。这些接口就像是一座桥,让RA6M3能和各种设备“握手”。

  • 安全功能:安全性也是这款芯片的强项。它有安全加密模块,可以保护你的数据不被“偷窥”。

  • 低功耗设计:在物联网时代,设备通常需要长时间运行。RA6M3在这方面做得很好,它的低功耗设计可以让设备长时间运行而不“喘气”。

  • 图形功能:RA6M3还支持2D图形引擎和Capacitive Touch Sensing Unit,让你的界面美观又好用。

    如下图所示,RA系列目前主要有以下四个系列:

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    • RA2 系列 – 低功耗:基于 Arm Cortex-M23 内核,最高频率 60 MHz,拥有高达 256 KB 的闪存和 32 KB 的 SRAM。电源电压范围为 1.6 V 到 5.5 V。外设包括全速 USB、CAN、24 位 ∑-△ 模数转换器 (ADC)、16 位数模转换器 (DAC)、电容式触摸感应以及安全功能。

    • RA4 系列 – 高性能和出色的功耗:基于支持 TrustZone 的 Arm Cortex-M33F 内核或 Arm Cortex-M4F 内核构建,最高频率 100 MHz。高达 1 MB 的闪存和 128 KB 的 SRAM。电压范围为 1.6 V 到 5.5 V。外设包括电容式触摸感应、段码式 LCD 控制器、全速 USB、CAN、安全功能以及数据转换器和定时 器。RA4W1 系列器件还额外配备了 Bluetooth? 低功耗 (BLE) 5.0。

    • RA6 系列 – 高性能:基于支持 TrustZone 的 Arm Cortex-M33F 内核或 Arm Cortex-M4F 内核。最高频 率 240 MHz。高达 2 MB 的闪存和 640 KB 的 SRAM。电压范围为 2.7 V 到 3.6 V。外设包括数据转换 器、定时器、外部存储总线、以太网、全速和高速 USB、CAN、安全功能、电容式触摸感应和用于 TFT 显示的图形 LCD 控制器,以及一个 2D 图形引擎。RA6T1 和 RA6T2 系列器件带有用于电机控制 的增强型外设,如高分辨率 PWM 定时器或高级模拟模块。

    3. 开发板介绍

    本次使用的开发板是RT-Thread联合瑞萨推出的高性价比图形评估套件,取代传统的HMI+主控板硬件,一套硬件即可实现HMI+IOT+控制的全套能力。依托于瑞萨高性能芯片和RT-Thread软件生态,HMI Board不仅硬件性能强劲,同时软件生态丰富,主力开发者快速开发出GUI硬件产品。淘宝链接:https://item.taobao.com/item.htm?abbucket=6&id=721524271628&ns=1&skuId=5190654114275&spm=a21n57.1.0.0.7427523cJCmd89

    开发板硬件配置如下图所示:

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    4. RT Thread Studio介绍

    RT-Thread Studio是一个基于RT-Thread操作系统的一站式开发环境。RT-Thread,作为一个开源的实时操作系统(RTOS),在嵌入式领域非常受欢迎。那么RT-Thread Studio具体是什么样的,我们一探究竟:

  • 一体化的开发环境:RT-Thread Studio集成了代码编辑、编译、下载、调试等功能。它就像是嵌入式开发者的“瑞士军刀”,应有尽有,用起来方便极了。

  • 图形化配置:这个特点非常吸引人。你可以通过图形化界面来配置你的RT-Thread系统,不需要手动去修改复杂的配置文件。这就像是在用积木搭建房子,直观又好玩。

  • 丰富的软件包支持:RT-Thread Studio提供了大量的软件包,涵盖了网络、文件系统、图形界面等多个领域。这些软件包就像是加油站,为你的项目提供强大的动力。

  • 跨平台兼容:支持多种操作系统,无论你是Windows、Linux还是macOS用户,都能使用RT-Thread Studio。这种兼容性就像是“通用翻译器”,让不同系统的用户都能愉快交流。

  • 仿真和调试功能:RT-Thread Studio提供了仿真和调试工具,可以让你在还没拿到实际硬件之前就开始软件开发。这就像是先有了“试衣间”,再去定制你的“高级定制服装”。

  • 开源社区支持:由于RT-Thread本身就是开源的,RT-Thread Studio也享受着强大的社区支持。这意味着你可以获取丰富的学习资料和社区的帮助,就像有一个“智囊团”在身边。

    5. 前期准备

    上面我们介绍了本次培训的主要应用的软件和硬件,下面是我们本次培训所需要的软件按照和参考资料:


    • RT-Thread Studio下载链接:https://download_redirect.rt-thread.org/download/studio/RT-Thread_Studio_2.2.7-setup-x86_64.exe

    • SquareLine Studio下载链接:https://static.squareline.io/downloads/SquareLine_Studio_Windows_v1_3_2.zip

    • MQTTX 下载链接:https://packages.emqx.net/MQTTX/v1.9.6/MQTTX-Setup-1.9.6-x64.exe

    • 项目代码链接:hmi-board-eth-monitor

    • 项目参考教程:https://docs.qq.com/doc/DY0FIWFVuTEpORlNn?login_t=1705968438854

    • 开发工具:RT-Thread Studio/Keil MDK5(固件开发、编译),SquareLine Studio(LVGL UI设计工具)

    • Demo代码:链接:https://pan.baidu.com/s/1XdJvCTmsO8IjTumSQm_R-g  提取码:gxlj
    6. 实践环节一:以太网外设的使用

    6.1 安装SDK 软件包,瑞萨开发板支持包,DAP调试包

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    6.2 打开RT-Thread Studio创建新的RT-Thread项目

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    6.3 选择基于开发板,选择HMI-Board开发板,类型选择模板工程,调试器选择板载DAP调试

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    6.4 在 RT-Thread Setting 中的Hardware中使能 Ethernet (以太网)外设:

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    6.5 编译程序和下载

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    编译成功

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    下载代码:

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    6.6 设置共享网络

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    6.7 烧录好固件后,打开串口终端,可以输入 ifconfig 命令查看是否获取到IP地址。

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    6.8 获取到IP地址后,可以输入 ping www.baidu.com 测试网络是否可以用。

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    7. 实践环节二:MQTT 软件包的使用

    7.1 MQTT 简介

    要理解MQTT协议,首先让我们了解为什么会开发MQTT。在1999年之前,石油和天然气行业面临着从油气管道到SCADA系统的数据交换的大问题。石油和天然气行业,尤其是油井和管道,通常位于非常偏远的地方,要从仪器和RTU获取数据到SCADA系统非常困难。为了获取数据,我们有诸如串行通信、卫星、低带宽无线电波系统等选项。但由于偏远的位置和网络带宽问题,我们无法及时获取数据,即使能获取到,响应也非常糟糕。因此,工程师Andy Stanford-Clerk和Allen Nipper在1999年开发并发明了MQTT,以解决所有这些问题。MQTT是一种适用于低成本、低带宽或不稳定连接的协议。现在,通过MQTT协议,你可以快速有效地从所有偏远地点使用低带宽获取数据。

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    让我们借助一个简单的日常生活例子来理解MQTT协议。以YouTube为例,YouTube的工作原理与MQTT协议类似。比如说,它自动化学院的YouTube频道,有超过3700万个YouTube频道。因为你订阅了我的YouTube频道,所以每当我发布视频时,你肯定会在YouTube首页上得到更新。你还会看到更多来自你已订阅频道的视频推荐。因此,YouTube是基于发布和订阅机制工作的。我们将通过这个例子来简单理解MQTT概念。MQTT协议或消息队列遥测协议是基于发布和订阅机制工作的。MQTT有一个我们称之为MQTT代理或服务器的东西。MQTT代理是MQTT协议的核心,它负责接收所有消息,过滤这些消息,决定谁对它们感兴趣,然后将这些消息发布给所有订阅的客户端。因此,你现在看到的是我们的MQTT代理或服务器。

    让我们理解使用MQTT协议的好处。MQTT协议的美妙之处在于它支持不可靠的网络,它有可靠的消息传递,你可以将这些协议扩展到数百万个设备,并启用安全功能,它轻巧且高效。
    7.2 基于实践一的工程,在 RT-Thread Setting 中搜索 Kawaii-mqtt 软件包,并使能mqtt test功能,然后ctrl+s 拉取软件包到工程内:

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    7.2 将下面代码粘贴覆盖  packages/kawaii-mqtt-latest/test/test.c

    #include <stdio.h>
    #include <stdint.h>
    #include <rtthread.h>
    #include <rtdevice.h>
    #include <board.h>
    #include "mqttclient.h"

    static void sub_topic_handle1(void* client, message_data_t* msg)
    {
        (void) client;
        KAWAII_MQTT_LOG_I("-----------------------------------------------------------------------------------");
        KAWAII_MQTT_LOG_I("%s:%d %s()...\ntopic: %s\nmessage:%s", __FILE__, __LINE__, __FUNCTION__, msg->topic_name, (char*)msg->message->payload);
        KAWAII_MQTT_LOG_I("-----------------------------------------------------------------------------------");
    }

    static int mqtt_publish_handle1(mqtt_client_t *client)
    {
        mqtt_message_t msg;
        memset(&msg, 0, sizeof(msg));

        msg.qos = QOS0;
        msg.payload = (void *)"this is a kawaii mqtt test ...";

        return mqtt_publish(client, "pub5323", &msg);
    }

    static char cid[64] = { 0 };
    static void kawaii_mqtt_demo(void *parameter)
    {
        mqtt_client_t *client = NULL;
       
        rt_thread_delay(6000);
       
        mqtt_log_init();

        client = mqtt_lease();

        rt_snprintf(cid, sizeof(cid), "rtthread-5323", rt_tick_get());

        mqtt_set_host(client, "broker.emqx.io");
        mqtt_set_port(client, "1883");
        mqtt_set_user_name(client, "RT-Thread");
        mqtt_set_password(client, "012345678");
        mqtt_set_client_id(client, cid);
        mqtt_set_clean_session(client, 1);

        KAWAII_MQTT_LOG_I("The ID of the Kawaii client is: %s ",cid);

        mqtt_connect(client);
       
        mqtt_subscribe(client, "sub5323", QOS0, sub_topic_handle1);
       
        while (1) {
            mqtt_publish_handle1(client);
                                  
            mqtt_sleep_ms(4 * 1000);
        }
    }

    int ka_mqtt(void)
    {
        rt_thread_t tid_mqtt;

        tid_mqtt = rt_thread_create("kawaii_demo", kawaii_mqtt_demo, RT_NULL, 2048, 17, 10);
        if (tid_mqtt == RT_NULL) {
            return -RT_ERROR;
        }

        rt_thread_startup(tid_mqtt);

        return RT_EOK;
    }
    MSH_CMD_EXPORT(ka_mqtt, Kawaii MQTT client test program);
    7.3 编译,烧录固件到开发板中,使用 ifconfig 命令查看是否获取到IP地址:

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    7.4 输入 ka_mqtt 命令,等待连接MQTT服务器成功:

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    7.5 上位机软件配置:安装MQTTX-Setup-1.9.6-x64.exe 软件,新建配置,按下图进行配置

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    注意:订阅和发布的topic需要和开发板上的topic保持一致(sub/pub+手机号后四位)
    7.6 更改test.c中的mqtt_subscribe()中的命名,和客户端保持一致

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    7.7 在MQTT中向订阅的topic发送信息

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    {
        "temp": 23,
        "humi": 20,
        "lux": 120
    }7.8 使用MQTT工具向开发板订阅的Topic发送数据:

    开发板串口终端接收到此消息,并打印:

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    8. 实践环节三:LVGL 以太网数据监视器

    8.1 LVGL介绍

    LVGL在2016年左右诞生了。它最初是作为一个简单的GUI库开始的,目标是提供轻量级、易于使用的界面解决方案。随着时间的推移,LVGL逐渐发展成为一个功能丰富、高度可定制的图形库,支持各种显示和输入设备,变得越来越流行。

    优点:

  • 轻量级: 正如其名,LVGL非常适合资源有限的嵌入式系统。

  • 易于使用: 它提供了丰富的控件和简单的API,让开发者容易上手。

  • 高度可定制: 你可以根据自己的需求定制各种界面。

  • 跨平台兼容: 支持多种操作系统和硬件平台,非常灵活。


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    8.2 使用Demo代码导入到RT Thread中

    1、打开RT-Thread Studio 选择导入:

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    8.3  点击编译按钮,等待编译完成,下载

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    8.4 当程序下载到开发板中,LVGL设计的UI界面显示在下面的图中,按下属的操作即可通过MQTT发送相应的信息到开发板中

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    9. 实践环节四:使用Squareline Studio开发UI

    Squareline Studio是一个专门为嵌入式设备设计的用户界面开发工具。它旨在简化嵌入式UI的设计和开发流程。如果你是一名嵌入式开发新手,那么使用Squareline Studio来开发UI就像是找到了一把开启嵌入式界面大门的钥匙。下面是一些关于使用Squareline Studio的要点:

  • 直观的图形设计界面:


    • Squareline Studio提供了一个直观易用的图形界面,你可以通过拖放组件来设计UI,就像是在玩拼图一样简单有趣。


  • 组件丰富:


    • 它拥有丰富的UI组件,比如按钮、滑块、文本框等,这就像是你的设计工具箱,里面应有尽有。


  • 预览功能:


    • Squareline Studio支持实时预览功能,你可以即时看到UI更改的效果。这就像是拥有了一个“魔镜”,让你立刻看到变化。


  • 代码生成:


    • 设计完成后,Squareline Studio可以自动生成C代码,这就省去了手动编写代码的麻烦,对于新手来说,这无疑是一大利好。


  • 自定义样式:


    • 它允许你自定义组件的样式,包括颜色、字体等,这让你的界面不仅功能强大,而且美观大方。


  • 跨平台兼容:


    • Squareline Studio生成的代码可以在多种平台上运行,无论是ARM、x86还是其他,这就像是通用的“翻译器”,让你的UI在不同的设备上都能“说同一种语言”。


  • 易于学习:


    • 对于新手来说,Squareline Studio相对易于学习和上手。它的用户界面直观,功能划分清晰,就像是有了一位耐心的老师,指导你一步步完成设计。


    使用Squareline Studio开发UI,对于嵌入式开发新手来说,是一个既省时又高效的选择。它不仅让UI设计变得简单,而且通过自动生成代码,大大降低了开发的复杂度。简而言之,Squareline Studio就像是嵌入式UI设计的“魔法棒”,让原本复杂的过程变得简单有趣!

    实践指导可以参考:https://docs.qq.com/doc/DY0FIWFVuTEpORlNn?login_t=1705968438854

    下图是我在培训时自己的做的UI界面,做好的样式可以直接下载到开发板上面

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    10. 总结

    通过上述的动手编程,体会到RT-Thread作为一个开源实时操作系统,在物联网、MQTT、以太网以及LVGL这些领域的表现可以说是既专业又用户友好。

  • 物联网方面:


    • 集成度高:RT-Thread提供了完整的物联网协议栈支持,包括但不限于M2M、CoAP等。这些协议已经被集成在RT-Thread中,对于新手来说,这意味着可以直接使用,而不需要从头开始开发。

    • 文档和社区支持:RT-Thread有着详尽的文档和活跃的社区支持,对于遇到问题的新手来说,这是学习和解决问题的宝贵资源。


  • MQTT方面:


    • 简单的客户端实现:RT-Thread内置了MQTT客户端实现,对于初学者而言,这降低了实现MQTT通信的复杂度。通过简单的API调用,新手可以快速搭建起MQTT通信。

    • 示例和教程:RT-Thread提供了MQTT使用的示例和教程,这对于刚接触MQTT的新手非常有帮助,可以快速理解并上手。


  • 以太网方面:


    • 驱动和网络栈支持:RT-Thread为常用的以太网芯片提供了驱动支持,并且集成了LwIP网络栈,这让新手能够更容易地实现以太网通信。

    • 配置简便:通过RT-Thread的图形化配置工具,新手可以很容易地完成以太网相关的设置,无需深入了解复杂的网络配置。


  • LVGL图形库方面:


    • 高度集成:RT-Thread对LVGL图形库有很好的支持和集成。LVGL是一个轻量级的图形库,非常适合用在资源有限的嵌入式设备上。

    • 易于使用的API:LVGL提供了易于理解和使用的API,对于新手来说,这意味着可以更快地开发出漂亮的用户界面。

    • 丰富的文档和例程:LVGL有着详尽的文档和丰富的示例,这对于初学者来说非常重要,可以帮助他们快速上手和理解图形界面的开发。


    总体来说,RT-Thread在物联网、MQTT、以太网和LVGL图形库方面对新手非常友好。它通过提供集成的解决方案、丰富的文档、社区支持以及简单易用的API,大大降低了新手入门的门槛。对于刚入门的嵌入式开发者来说,使用RT-Thread就像是有了一个全面且易懂的导师,让整个学习过程变得更加轻松和愉快。
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