基于N32G4FR和小度音響的智能家庭中樞控制系統(tǒng)

概要

本文給大家介紹一個基于N32G4FR和小度音響的智能家庭中樞控制系統(tǒng)項目，該項目是博主架構(gòu)師李肯參加由國民技術(shù)與電子發(fā)燒友聯(lián)合舉辦的N32 MCU移植挑戰(zhàn)賽的參賽項目，旨在解決智能家庭中的中樞控制問題，希望能給大家?guī)韼椭蛦l(fā)。

1 前言

如今，智能化的設(shè)備慢慢走進(jìn)了千家萬戶，大大提升了人民生活的智能化，但是隨之而來的是各種智能設(shè)備無法互聯(lián)互通，形成了一片片信息孤島，這就迫切需要一個中樞控制系統(tǒng)來接管這些零散的智能設(shè)備。

眾觀市場上的各種智能音響，小度音響憑借其優(yōu)異的市場表現(xiàn)，占據(jù)了很大一塊市場份額，使得“小度小度，現(xiàn)在幾度”成為了家庭中很常見的交互問候語。

有這么一個設(shè)想，如果能把零散的智能設(shè)備，通過某種智能的方式接入一個中樞控制系統(tǒng)，而這個系統(tǒng)與小度音響直接打通，這樣跟小度直接對話就能操作這些智能設(shè)備，這應(yīng)該是一件很有市場前景的事，而本項目就是著力于實現(xiàn)這樣的一個解決方案。

2 項目簡介

2.1 項目名稱

基于N32G4FR和小度音響的智能家庭中樞控制系統(tǒng)

2.2 設(shè)計思路

本項目主要使用N32G4FR作為端側(cè)的核心控制器，外加一個傳感器器件、控制器件，實現(xiàn)與云端互通；同時集成對接小度智能音響，實現(xiàn)通過語音調(diào)度和控制家庭環(huán)境是智能設(shè)備。這里的智能設(shè)備包含有智能燈、智能空調(diào)、溫濕度傳感器等等。

2.3 主要解決的問題

家庭中的智能設(shè)備越來越多，一個集中式的智能家庭中樞控制系統(tǒng)迫在眉睫，旨在解決所有智能設(shè)備的調(diào)度和控制問題，為智能生活提供便利。

2.4 項目創(chuàng)新點

主要是設(shè)備端各項傳感器器件和控制器件的集成，以及與小度音響的直連互通。

2.5 N32移植的初衷

本項目初期是想在ESP32上實現(xiàn)的，后來看到本開源大賽，想著把此方案移植過來，也借此機(jī)會再次學(xué)習(xí)學(xué)習(xí)國民技術(shù)的N32系列芯片。

3 系統(tǒng)架構(gòu)介紹

3.1 系統(tǒng)核心架構(gòu)圖

整個系統(tǒng)的核心架構(gòu)圖如下所示：

從上面這個核心架構(gòu)圖中，我們可以看到整個IoT系統(tǒng)組成，包括智能設(shè)備終端側(cè)、巴法云物聯(lián)網(wǎng)平臺、小度云平臺、小度音箱等等。下面就整個系統(tǒng)的幾大重要組件，我會一一進(jìn)行簡要講解。

3.2 終端側(cè)

終端側(cè)主要承載的是對巴法云平臺的對接，接收云平臺下發(fā)的控制指令，同時做一些邊緣側(cè)的應(yīng)用邏輯處理，還需要具備對外網(wǎng)絡(luò)的通訊能力，保持與巴法云平臺的MQTT長鏈接。

終端側(cè)包括的核心組件有：國民技術(shù)的N32G4FR，搭載的是國產(chǎn)實時操作系統(tǒng) RT-Thread，同時外設(shè)板載有 ESP8266 Wi-Fi通訊模組、紅外發(fā)射器、繼電器（GPIO模擬）等等。

終端側(cè)不僅包含設(shè)備硬件，還需要對應(yīng)的固件軟件，兩者相輔相成，共同完成終端側(cè)的功能邏輯。

3.3 后端側(cè)

后端側(cè)，其實沒有真正的開發(fā)工作，僅僅是登錄巴法云平臺后臺，配置MQTT板塊，然后生成【智能空調(diào)】和【智能燈】兩個設(shè)備，以便于終端側(cè)和小度音響識別。

3.4 移動端

這里說的移動端，特指小度APP；其實這里面也沒有開發(fā)工作，當(dāng)你的小度APP賬號登錄之后，它有一個操作步驟可以加入基于巴法云平臺的【智能設(shè)備】，按照說明添加成功后，就可以在小度APP上看到巴法云平臺對應(yīng)的設(shè)備列表了。

詳細(xì)的綁定操作步驟，見 此文的第二部分 。

4 系統(tǒng)設(shè)計說明

4.1 硬件部分

MCU主控：國民技術(shù)的N32G4FR主控

這塊芯片整體的資源還是比較豐富的，它是N32G4FR系列（指紋專用型），采用32 bit Arm Cortex-M4F內(nèi)核，內(nèi)置10余種密碼算法硬件加速引擎，集成大容 量加密Flash存儲器，支持指紋信息安全存儲，支持市場主流半導(dǎo)體指紋及光學(xué)傳指紋感器，集成多達(dá)18個數(shù)字 通訊接口及4個模擬接口。

它的具體接口資源展示如下：

在我的項目中，我主要使用它的以下幾個外設(shè)資源：

1. UART1：RT-Thread的終端調(diào)試串口；

2. UART2：用于連接串口WI-Fi模塊ESP8266，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通訊能力；

3. UART4：用于連接紅外收發(fā)器，本次項目中主要使用其紅外發(fā)射功能；紅外發(fā)射主要用于控制外部的空調(diào)；

4. GPIO：PB4用作系統(tǒng)工作狀態(tài)顯示燈，PA8用于控制智能燈開關(guān)。

以下是我的實物連接示意圖：

Wi-Fi模組：ESP8266

本次參賽，我采用了我慣用的Wi-Fi通訊模組ESP8266，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(xiàn)網(wǎng)絡(luò)能力；當(dāng)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(fā)的，該模塊核心處理器 ESP8266 在較小尺寸封裝中集成了 業(yè)界領(lǐng)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。

紅外編解碼模塊（YS-IRTM）

本模塊集成了以下幾部分：

• 紅外發(fā)射頭：用于發(fā)射紅外信號， 波長為940nm 38k NEC編碼信號的發(fā)射；

• 紅外接收頭：用于接收 NEC 紅外信號， 進(jìn)而單片機(jī)進(jìn)行分析解碼操作；

• 紅外頭擴(kuò)展: 該接口為紅外發(fā)射頭的擴(kuò)展， 可以連接多個紅外發(fā)射頭（ 常稱紅外發(fā)射模塊） ， 用于安放到不同的位置實現(xiàn)多方位控制；

• UART 單片機(jī)串口通信接口：該端口為單片機(jī)串口（ TTL） ， 作為與外界單片機(jī)的通信橋梁， 其默認(rèn)設(shè)置的波特率為9600bps；

使用單片機(jī)的串口就可以與之對接，非常的方便。

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(jīng)完全可以實現(xiàn)其操作原理。

其中，PB4用作系統(tǒng)工作狀態(tài)顯示燈，PA8用于控制智能燈開關(guān)。

4.2 軟件部分

整個軟件部分的開發(fā)主要就是終端固件開發(fā)，主要包括四大部分：N32G4FR的原廠BSP、RT-Thread實時操作系統(tǒng)、ESP8266相關(guān)的配置代碼使能、個性化的應(yīng)用邏輯代碼。

其中N32G4FR的原廠BSP基本不動，原廠和相關(guān)開發(fā)者已經(jīng)適配好了；通用的RT-Thread操作系統(tǒng)的代碼也不在此處的修改中，直接復(fù)用已有的代碼，這里使用的版本是 4.1.1 。

ESP8266相關(guān)的AT、網(wǎng)絡(luò)組件代碼也是現(xiàn)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(guān)的軟件包代碼外，我還使用了 paho-mqtt 這個軟件包，這個軟件包主要封裝了MQTT協(xié)議的實現(xiàn)技術(shù)細(xì)節(jié)，開放了一些靈活好用的API給到應(yīng)用層，以便于提供MQTT的通訊能力。

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(shù)據(jù)包的解析和封裝，主要原因是需要解析一些與云平臺對接的數(shù)據(jù)協(xié)議，這就要求終端必須具備解析JSON數(shù)據(jù)的能力。

所以這里重點講一下，應(yīng)用邏輯的代碼：主要包括紅外收發(fā)器的控制、GPIO的控制等，而這些控制信號的輸入，都是來源于巴法云平臺的下發(fā)，而巴法云平臺的聯(lián)動下發(fā)則來源于用戶對小度音響的語音控制輸入。

以下是終端軟件應(yīng)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(rèn)就跑起來了，而在應(yīng)用層暫時沒有一個比較好的方式感知網(wǎng)絡(luò)能力的建立，所以這里新建了一個線程，用于實時檢查網(wǎng)絡(luò)通訊能力；當(dāng)網(wǎng)絡(luò)通訊能力已建立時，通過信號量的方式，通知其他模塊。

Smart Home MQTT線程 ：主要負(fù)責(zé)跟巴法云物聯(lián)網(wǎng)平臺進(jìn)行對接，采用的MQTT通訊協(xié)議，它的運(yùn)行，依賴于基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)能力的建立；當(dāng)它與巴法云物聯(lián)網(wǎng)平臺建立聯(lián)系時，它就可以接收平臺的控制指令下發(fā)，比如開關(guān)空調(diào)或開關(guān)照明燈等；

紅外接收處理線程 ：該線程主要用于接收外部的標(biāo)準(zhǔn)NEC紅外信號，此功能本項目暫時未實際使用，僅用于學(xué)習(xí)若干紅外遙控器的鍵值；

系統(tǒng)運(yùn)行展示線程 ：此線程并沒有參與過多的應(yīng)用邏輯，僅僅是每一秒鐘閃爍一下運(yùn)行指示燈，表示系統(tǒng)正在運(yùn)行中。

以上各個線程各司其職，相輔相成，共同完成智能家庭中樞控制系統(tǒng)的邏輯功能。

下面展示的是工程項目中的代碼結(jié)構(gòu)，里面的代碼結(jié)構(gòu)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）熟悉國民技術(shù)N32系列MCU的基本開發(fā)資料

這一步主要是熟悉開發(fā)板的基本資源，對外設(shè)等信息有一定的概念，以便于方便后續(xù)的開發(fā)調(diào)試；同時，還需要把相關(guān)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(dāng)時參考的教程，基本根據(jù)上面的步驟來，很快就可以完成初始的上手操作。

這里其實就是踩坑的開始，詳細(xì)的可以參見下文對踩坑的各種總結(jié)，只有第一步踩坑踩好了，才能逐步進(jìn)行下面的研發(fā)活動。

2）移植RT-Thread操作系統(tǒng)

本次參賽，其實并不要求去移植RT-Thread，其實也要多感謝RT-Thread官方和社區(qū)的小伙伴，其實他們都已經(jīng)做好了基本的移植了，只需要對照著自己的開發(fā)板資源跳調(diào)整一下即可。

有了上面的踩坑經(jīng)驗，直接上手RT-Thread的DEMO教程，很快就可以把操作系統(tǒng)跑起來了，一切都回歸到熟悉的地方，研發(fā)進(jìn)度再次提速。

下面就是基于RT-Thread操作系統(tǒng)進(jìn)行編程了。

3）配置RT-Thread的軟件包

由于我是采用RT-Thread Studio開發(fā)環(huán)境，而它本身就集成了配置界面，所以我直接在上面就可以做各種配置，需要再次吐槽的就是，配置完了之后生成對應(yīng)的文件，實在是太慢了。

這個項目中，我使用了paho-matt軟件包、AT-device軟件包、CJSON軟件包；的確讓我的項目開發(fā)提速了不少。

4）配置巴法云物聯(lián)網(wǎng)平臺

我是參考這個 esp8266接入小度語音，小度音箱控制 來創(chuàng)建自己的自定義產(chǎn)品的，并實現(xiàn)與小度音箱的綁定的。

基本上以上4步完成后，終端就可以很順利地連上巴法云物聯(lián)網(wǎng)平臺了，而這期間基本就是零代碼，全部都?xì)w功于RT-Thread靈活的代碼配置工具，非常地贊。

5）調(diào)試外設(shè)驅(qū)動

這里主要是調(diào)試各種驅(qū)動接口，包括紅外發(fā)射器的UART接口、照明燈開關(guān)的GPIO控制。

在調(diào)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(fā)速度。

需要注意的是，N32系列的BSP在適配RT-Thread的時候，采用的都是V1版本的串口驅(qū)動，所以大家在使用串口接口的時候，一定要記得使用V1接口。

等到各個功能模塊完成后，統(tǒng)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(fā)就已經(jīng)完成了，需要將終端設(shè)備的功能與云端能力聯(lián)系起來調(diào)試，比如對小度音箱進(jìn)行控制語音輸入，看一下巴法云平臺能否推送對應(yīng)的控制消息下來，同時看下終端能否對控制消息進(jìn)行合理的處理，比如控制空調(diào)開關(guān)或者控制照明開關(guān)等。

7）準(zhǔn)備結(jié)項資料

項目收尾的最后，需要準(zhǔn)備各種結(jié)項資料，包括項目穩(wěn)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(xiàn)以下功能：

在巴法云后臺配置智能設(shè)備：智能空調(diào)和智能燈，在小度APP是可以看到設(shè)備情況；

基于N32G4FR的終端，實現(xiàn)智能家庭中樞控制系統(tǒng)的功能；

跟小度音響語音對話，比如【打開空調(diào)】或【關(guān)閉空調(diào)】，即可實現(xiàn)控制指令下發(fā)，終端通過紅外發(fā)射頭控制空調(diào)開關(guān)；

跟小度音響語音對話，比如【打開燈】或【關(guān)閉燈】，即可實現(xiàn)控制指令下發(fā)，終端通過GPIO控制LED（模擬真實場景的智能燈）

打通本地空調(diào)狀態(tài)和智能燈狀態(tài)與巴法云、小度平臺的聯(lián)系，實現(xiàn)實時控制聯(lián)動。

6.2 圖片展示

以下是項目的部分圖片展示：

固件正常被識別且燒錄成功

調(diào)試固件DEMO時，RT-Thread系統(tǒng)上電hello wolrd

查看并確認(rèn)UART4的真實引腳分布

小度APP使用界面

通過巴法云添加的智能設(shè)備在小度APP的展示

一個帶紅外控制的燈具（模擬家庭使用的空調(diào)）

6.3 視頻展示

視頻中基本演示了，通過小度音箱輸入控制指令，進(jìn)而達(dá)到控制終端器件（空調(diào)或智能燈）的目的。

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(yīng)用部分的代碼在：n32-iot-xiaodu-smart-home/tree/master/applications

有關(guān)項目源代碼的事情，也可與我討論。

7 項目復(fù)盤

項目雖然即便完成了，但是有些東西還是需要好好復(fù)盤總結(jié)的。

7.1 項目踩的那些坑

這一塊還是比較多，我特意開了一個帖子來總結(jié)，參加這里：https://bbs.elecfans.com/jishu_2337568_1_1.html

7.2 項目帶來的啟發(fā)

多留意一下同一廠商同一系列不同型號的型號差異，對比出異同點，方便靈活選型，甚至有些時候固件程序都是可以通用的；

巴法云對接小度音響只是它其中的一個功能，它還可以對接天貓精靈、小愛同學(xué)、Amazon Alexa、Google音響等等，可以說，把它玩熟練了，智能化的產(chǎn)品思路可能可以有更大的邊界；

項目中遇到難題光吐槽是沒有用的，還是自己去想辦法解決；比如下載方法不清晰，就自己多摸索幾遍，熟練掌握它；比如各種開發(fā)環(huán)境搞不通，嘗試想想原來是怎么開發(fā)的，或許能找到方法；比如吐槽好些工具不好使，但這個是外部因素，你得去適應(yīng)它，不然你可能就沒法完成任務(wù)；

多接觸幾種物聯(lián)網(wǎng)云平臺有助于開拓技術(shù)視野，說不定還能對你的本質(zhì)工作開展有所幫助和提升。

8 致謝

本次大賽，基本還算是完全獨立完成的，技術(shù)上沒有請教太多小伙伴，就是在FTP資料下載的時候，請教了一個群友，感謝他提供的FTP工具，幫忙我得到了第一手官方權(quán)威資料，也使得我的參賽項目得以加速進(jìn)行，再次表示感謝。

9 參考鏈接

• 國民技術(shù)N32G4FR簡介

• 國民技術(shù)官方FTP資料下載地址 ftp://58.250.18.138

• 【答疑帖】國民技術(shù)開源移植挑戰(zhàn)賽答疑匯總

• [經(jīng)驗] 【 國民技術(shù)N32G4FR開發(fā)板試用體驗】基于RT-Thread制作N32G4FR BSP

• N32G4FR系列通用MCU RT_Thread使用指南

• esp8266接入小度語音，小度音箱控制，附開源app控制

• 巴法云接入文檔

• 巴法云開發(fā)者論壇

（參考鏈接點擊閱讀原文查看）

10 更多分享

本次項目介紹后，我還繼續(xù)探索RT-Thread在各種嵌入式平臺開發(fā)的可能性，并以此來要求自己輸出各種關(guān)于RT-Thread、嵌入式、物聯(lián)網(wǎng)等等熱門技術(shù)話題的原創(chuàng)內(nèi)容，歡迎大家持續(xù)關(guān)注我。

我是 架構(gòu)師李肯 （ 全網(wǎng)同名 ）， 2022年電子發(fā)燒友論壇優(yōu)秀開發(fā)者、2022年RT-Thread技術(shù)社區(qū)優(yōu)秀布道者 ，歡迎大家來交流。

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