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Inefficient outdated things! Homebrew IoT.

Primary LanguageCGNU General Public License v3.0GPL-3.0

Inefficient outdated Things

SUSTech CS301 - Embedded - Final Project

Introduction

本项目使用STM32F429和ESP8266制作简易智能家居系统。

Hardware

本项目选用STM32F429I Discovery官方开发板，其硬件特性有

  • MCU: STM32F429ZIT6
    • 片内2MB Flash & 256KB SRAM
    • 支持LTDC，DMA2D (aka Chrom-Art Accelerator )，FMC
  • 板载8MB SDRAM
  • 2.4寸TFT LCD，电阻屏
  • 板载STLink/V2

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另外也选用了基于ESP8266的Tisan开发板（已停产）

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  • MCU: ESP-12F
    • 4MB SPI Flash & 50KB SRAM
  • 板载DHT11温湿度传感器
  • 板载光敏电阻
  • 板载震动马达

Software

  • STM32
    • IDE: STM32CubeIDE
    • OS: FreeRTOS
    • GUI: TouchGFX
    • GUI Design Tool: TouchGFXDesigner
  • ESP8266
    • Firmware: NodeMCU （自带RTOS，和lua解释器）
    • 编译环境: NodeMCU Cloud Build Service
    • 烧录工具: NodeMCU PyFlasher
    • Lua IDE: ESPlorer
  • Backend
    • Framework: Spring Boot with Hibernate
    • Build Tool: Maven
  • Frontend
    • Framework: Vue.js

Architecture

pic10

graph BT

Wire
Internet

subgraph STM32
    STM32
    LED -- PWM --- STM32
    Motor -- PWM --- STM32
    LCD -- LTDC&SPI --- STM32
    SDRAM -- FMC --- STM32
end

subgraph ESP8266
    ESP8266
    DHT11 -- GPIO --- ESP8266
    Ambi_sensor -- ADC --- ESP8266
end

subgraph Cloud Server
    MQTT_Broker
    Backend
    Frontend

    Frontend -- HTTP --- Backend
    Backend -- MQTT --- MQTT_Broker
end

subgraph User
	Browser
end

Frontend -- HTTP --- Internet
Browser -- HTTP --- Internet
MQTT_Broker -- MQTT --- Internet
ESP8266 -- MQTT --- Internet
ESP8266 -- SPI --- Wire
STM32 -- SPI --- Wire
Loading

Implement

GUI

项目使用TouchGFX作为GUI。TouchGFX由ST官方支持，相较于LVGL等GUI库，TouchGFX在硬件加速上有更彻底的优化，更现代的UI设计工具，以及更现代的UI，如支持非线性动画。

TouchGFXDesigner可用于绘制GUI，编译生成Simulator以及生成CubeIDE可用的代码。

TouchGFXDesigner生成的代码使用了MVP设计模式，控件包含了控件属性以及对应的虚函数的回调函数。

TouchGFXDesigner也可以指定TouchGFX使用的字符集。

TouchGFX支持FreeRTOS，并占用一个线程进行轮询以更新屏幕内容。

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GUI 2D加速

实现GUI的硬件加速借助了STM32F4特有的三个外设: LTDC, DMA2D, FMC

这三个外设对应的功能是：驱动LCD屏幕，渲染并传输帧缓存，驱动显存（片外SDRAM）

TouchGFX原生支持这三个外设

LTDC

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  • 驱动屏幕，传输数据至屏幕
  • 支持多种颜色格式
  • 支持两个图层

DMA2D aka Chrom-Art Accelerator

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  • 可将显存内容传输至LTDC
  • 支持多种颜色格式
  • 支持两个图层

FMC

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  • 将存储芯片空间映射到内存上
  • 可以控制外部SRAM，SDRAM或NAND

内部通讯

主从机通信采用SPI全双工通信，其中STM32为从机，ESP8266为主机

注：NodeMCU固件目前只支持SPI主机模式

引脚连接

源引脚 源引脚说明 目标引脚 目标引脚说明
GPIO12 Tisan HSPI MISO PE5 STM32 SPI4 MISO
GPIO13 Tisan HSPI MOSI PE6 STM32 SPI4 MOSI
GPIO14 Tisan HSPI CLK PE2 STM32 SPI4 CLK
GPIO15 Tisan HSPI CS GND
GPIO16 Tisan IO Index: 4 DHT Tisan板载DHT11
GLED Tisan板载七色灯 PB7 STM32 TIM4 CH2
RLED Tisan板载七色灯 PB4 STM32 TIM3 CH1
BLED Tisan板载七色灯 PB3 STM32 TIM2 CH2
IA Tisan板载震动马达 PC8 STM32 TIM3 CH3
ADC Tisan板载光敏电阻 ADC0 Tisan ADC

主从机通信指令

主机发送40位指令，从机发送8位返回值

指令 byte0 byte1 byte2 byte3 byte4 return val
寄存器写8位 0x11 写寄存器编号 写数据低8位 checksum checksum
寄存器写16位 0x12 写寄存器编号 写数据高8位 写数据低8位 checksum checksum
寄存器读低8位 0x21 读寄存器编号 checksum 读数据低8位
寄存器读高8位 0x22 读寄存器编号 checksum 读数据高8位

注：checksum = byte0 xor byte1 xor byte2 xor byte3

寄存器定义:

寄存器内容 编号 类型 有效值
LED灯R 0x01 uint16_t 0-1024
LED灯G 0x02 uint16_t 0-1024
LED灯B 0x03 uint16_t 0-1024
马达转速 0x04 uint16_t 0-1024
温度 0x05 uint8_t 0-100
湿度 0x06 uint8_t 0-100
环境光强 0x07 uint16_t 0-1024
自动模式状态 0x0B uint8_t 0, 1
自动模式光照阈值 0x0C uint16_t 0-1024

外部通信

NodeMCU和服务器间的通信采用MQTT协议，报文采用JSON格式

MQTT 消息队列遥测传输

  • 使用发布/订阅消息模式
  • 小型传输，开销很小（固定长度的头部是 2 字节）
  • 多种消息发布服务质量
    • QoS=0: 至多一次
    • QoS=1: 至少一次
    • QoS=2: 只有一次

发送报文

发送报文的内容有

  • Unix时间戳
  • 传感器数据
  • 状态（如LED状态）

NodeMCU每10秒发送一次报文，QoS=1，Topic为/node0/pub

Example:

{
    "timestamp": 1577107816,
    "sensor": {
        "humi": 21,
        "temp": 24,
        "ambi": 1008
    },
    "status": {
        "led": {
            "r": 512,
            "g": 127,
            "b": 0
        },
        "motor": {
            "speed": 1020
        },
        "node": {
            "auto_mode": 0,
            "ambi_throttle": 800
        }
    }
}

接收报文

接收报文的内容有

  • 指令（如LED亮度）

约定，当值为-1时，忽略该值

NodeMCU订阅Topic:/node0/sub

Example:

{
    "cmd": {
        "led": {
            "r": 512,
            "g": 127,
            "b": 0
        },
        "motor": {
            "speed": 1020
        },
        "node": {
            "auto_mode": 0,
            "ambi_throttle": 800
        }
    }
}

前端&后端

前端使用Vue.js，通过HTTP与后端通信以获取数据和发送命令

后端使用Spring Boot with Hibernate框架，并采用Maven管理源码，这部分负责处理和保存原始数据。

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其他辅助技术

SNTP

NodeMCU会通过SNTP简单网络时间协议获得当前时间并产生准确的Unix时间戳

SWV

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原版STLink/V2除了支持SW调试外，还支持增强的SWV调试。

通过额外的SWO端口可以实时传输调试信息，在此之上实现了变量值实时刷新，虚拟串口，虚拟示波器等功能。

在STM32F429IDISCO开发板上将SB9锡桥用电烙铁连接上即可启用SWV调试功能。

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Known issues

  • NodeMCU的SPI在全双工模式下并不能同时接收数据
  • SPI容易出现时序不同步，造成数据出错