【瑞萨RAMCU创意氛围赛】项目23——基于FreeRTOS+LVGLV8智能家居仪表盘

瑞萨MCU小百科 2024-01-22 12:00


野火启明6M5开发板制作了一个基于FreeRTOS和LVGL V8的智能家居仪表盘,颜值较高,也可以作为桌面摆件使用,具体特点如下:

  • 采用SPI+DTC驱动1.8寸SPI屏幕,超高帧率刷屏

  • 采用LVGL V8界面库绘制界面,有丰富控件、动画(FPS稳定50以上!)

  • 采用ESP8266联网,使用心知天气API获取当前天气并显示到屏幕

  • 用ESP8266联网,通过MQTT协议连接到云服务器,上传状态数据

  • 采用鲁班猫2安装EMQ作为MQTT服务器,接收启明6M5上传数据

  • 采用Node-RED + Homeassistant接入家庭自动化,与智能家居设备完美联动




01

硬件平台介绍



野火启明6M5开发板


使用野火启明6M5开发板来进行开发,开发板采用R7FA6M5BH3CFC作为主控芯片,有2MB Flash,2MB!!拿来开发GUI时的可发挥空间很大,接口有SD卡、以太网、PMOD、USB等等,接口很丰富,功能模块有ESP8266、电容按键和实体按键等,功能十分的丰富。




外接模块


由于开发板板载的模块已经十分丰富,这里只外接了一个SPI屏幕和温湿度传感器模块

  • 采用1.8寸的液晶显示屏,驱动芯片为ST7735S,SPI接口。

  • 温湿度传感器采用瑞萨的HS3003温湿度传感器,I2C接口。



外设使用情况


本次使用到了许多的外设,其中有如下外设

  • 串口4 (SCI_UART4) 作为调试串口使用

  • 串口9 (SCI_UART9) 连接到ESP8266-AT模块

  • SDHI连接到SD卡,提供文件系统的支持

  • AGT定时器为LVGL提供计时器

  • RTC提供实时的时间 (需要安装CR1220电池)

  • SPI+DTC来实现屏幕的驱动,SPI以最大速度50MHz运行

  • TOUCH提供电容按键

  • I2C (SCI_I2C6) 连接到HS3003温湿度传感器



02

软件设计方案





① 采用FreeRTOS作为本作品使用的RTOS

② 采用LVGL V8界面库来进行界面开发

③ 采用letter-shell终端组件方便开发调试

④ 采用easylogger日志组件方便调试

⑤ 采用cJSON组件配合来完成网络数据包打包与解包



多线程


由于代码较多,所以不作全面的介绍,只介绍几个线程的任务内容和软件包的使用,文末有开源链接,作品的代码全部开源,线程列表如下图,下面依次介绍。



调试线程(debug_thread)


该线程使用了letter-shell和easylogger软件包,提供完整的终端操作支持,同时支持日志打印,例如打印esp8266线程的调试日志。


使用自定义的命令来打印当前运行的任务列表



ESP8266线程(esp8266_thread)


该线程使用AT指令,实现开机自动连接Wi-Fi、自动连接MQTT服务器、订阅主题。当收到消息队列的数据后,更新温湿度数据、LED状态,然后使用cJSON来打包为JSON数据包,发布到MQTT服务器的指定主题。当收到MQTT发来的数据后,使用cJSON来解析JSON数据包,更新当前天气等。



(触摸)按键、LED、RTC线程(misc_thread)


该线程使用了MultiButton软件包,可以实现一个按键的单击、双击、连击、长按等事件的处理,这里使用触摸按键来搭配这个软件包实现触摸按键控制板载的LED亮灭,并且发送状态信息到消息队列中,交由ESP8266线程上传到服务器端。

该线程同时也使用了RTC时钟,每秒触发一次中断,发送当前时间到消息队列中,交由LCD线程来显示当前时间。



SD卡线程


该线程使用了Fatfs来挂载文件系统,自动将SD卡挂载到1: 分区下,提供给LVGL FS接口,实现LVGL加载SD卡中的文本、图片等文件。



屏幕驱动线程(lcd_thread)


屏幕驱动使用硬件SPI+DTC的方案,这里没有使用SCI上的SPI接口,因为根据瑞萨6M5的文档得知挂在SCI上的SPI最大时钟频率为25Mhz,而直接连接的SPI最大时钟频率为50Mhz,显然使用直连SPI接口可以获得更快的刷屏速度。


该线程会接收多个线程传入的消息队列:接收RTC时钟中断发来的消息队列,在LVGL中注册的timer callback函数中读取后显示到屏幕上,每秒刷新一次时间数据;接收温湿度线程发来的消息队列,读取后更新当前屏幕上的温湿度数值和进度条控件。



温湿度传感器线程(sensor_thread)



该线程每隔十秒使用硬件I2C来读取HS3003的数据并解算出温湿度数据,发送温湿度数据到消息队列中,交由ESP8266线程来上传到服务器和LCD线程来显示到屏幕。



LVGL移植、界面设计LVGL移植



在本作品中对LVGL的显示接口和文件系统接口做了移植,下面对LVGL的显示接口移植做介绍,LVGL的显示接口只有三个函数需要修改,分别是缓冲区的初始化、屏幕的初始化和刷屏函数的接口,对于屏幕的初始化在lcd_thread中已经完成过,所以只需完成缓冲区的初始化和刷屏函数接口的适配。


为了实现更快的刷屏速度,使用官方提供的example2程序,并且给LVGL申请一个全屏缓冲区,搭配SPI+DTC的全屏缓冲区,需要更新屏幕上的数据时只需要搬运数据即可。

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#if 1
/********************* *      INCLUDES *********************/#include "lv_port_disp.h"#include
/********************* *      DEFINES *********************/#ifndef MY_DISP_HOR_RES    #warning Please define or replace the macro MY_DISP_HOR_RES with the actual screen width, default value 320 is used for now.    #define MY_DISP_HOR_RES    128#endif
#ifndef MY_DISP_VER_RES    #warning Please define or replace the macro MY_DISP_HOR_RES with the actual screen height, default value 240 is used for now.    #define MY_DISP_VER_RES    160#endif
/********************** *      TYPEDEFS **********************/
/********************** *  STATIC PROTOTYPES **********************/static void disp_init(void);
static void disp_flush(lv_disp_drv_t * disp_drv, const lv_area_t * area, lv_color_t * color_p);
/********************** *  STATIC VARIABLES **********************/
/********************** *      MACROS **********************/
/********************** *   GLOBAL FUNCTIONS **********************/
void lv_port_disp_init(void){    /*-------------------------     * Initialize your display     * -----------------------*/    disp_init();
   /*-----------------------------     * Create a buffer for drawing     *----------------------------*/
   /* Example for 2) */    static lv_disp_draw_buf_t draw_buf_dsc_2;    static lv_color_t buf_2_1[MY_DISP_HOR_RES * MY_DISP_VER_RES];      lv_disp_draw_buf_init(&draw_buf_dsc_2, buf_2_1, NULL, MY_DISP_HOR_RES * MY_DISP_VER_RES);   /*Initialize the display buffer*/
   /*-----------------------------------     * Register the display in LVGL     *----------------------------------*/
   static lv_disp_drv_t disp_drv;                         /*Descriptor of a display driver*/    lv_disp_drv_init(&disp_drv);                    /*Basic initialization*/
   /*Set up the functions to access to your display*/
   /*Set the resolution of the display*/    disp_drv.hor_res = MY_DISP_HOR_RES;    disp_drv.ver_res = MY_DISP_VER_RES;
   /*Used to copy the buffer's content to the display*/    disp_drv.flush_cb = disp_flush;
   /*Set a display buffer*/    disp_drv.draw_buf = &draw_buf_dsc_2;
   /*Required for Example 3)*/    //disp_drv.full_refresh = 1;
   /* Fill a memory array with a color if you have GPU.     * Note that, in lv_conf.h you can enable GPUs that has built-in support in LVGL.     * But if you have a different GPU you can use with this callback.*/    //disp_drv.gpu_fill_cb = gpu_fill;    /*Finally register the driver*/     lv_disp_drv_register(&disp_drv); }
/**********************  *   STATIC FUNCTIONS **********************/
/*Initialize your display and the required peripherals.*/static void disp_init(void){    /*You code here*/}
volatile bool disp_flush_enabled = true;
/* Enable updating the screen (the flushing process) when disp_flush() is called by LVGL */void disp_enable_update(void){    disp_flush_enabled = true;}
/* Disable updating the screen (the flushing process) when disp_flush() is called by LVGL */void disp_disable_update(void){    disp_flush_enabled = false;}
/*Flush the content of the internal buffer the specific area on the display *You can use DMA or any hardware acceleration to do this operation in the background but *'lv_disp_flush_ready()' has to be called when finished.*/extern uint8_t lcd_buff[160][128][2];static void disp_flush(lv_disp_drv_t * disp_drv, const lv_area_t * area, lv_color_t * color_p){    if(disp_flush_enabled) {        /*The most simple case (but also the slowest) to put all pixels to the screen one-by-one*/
       int32_t x;        int32_t y;        for(y = area->y1; y <= area->y2; y++) {            for(x = area->x1; x <= area->x2; x++) {                /*Put a pixel to the display. For example:*/                /*put_px(x, y, *color_p)*/                lcd_buff[y][x][0] = color_p->full >> 8;                lcd_buff[y][x][1] = color_p->full;                color_p++;            }        }    }
   /*IMPORTANT!!!     *Inform the graphics library that you are ready with the flushing*/    lv_disp_flush_ready(disp_drv);}
#else /*Enable this file at the top*/
/*This dummy typedef exists purely to silence -Wpedantic.*/typedef int keep_pedantic_happy;#endif


对于刷屏函数的移植只需实现数据的搬运,代码如下:

extern uint8_t lcd_buff[160][128][2];static void disp_flush(lv_disp_drv_t * disp_drv, const lv_area_t * area, lv_color_t * color_p){    if(disp_flush_enabled) {        /*The most simple case (but also the slowest) to put all pixels to the screen one-by-one*/
       int32_t x;        int32_t y;        for(y = area->y1; y <= area->y2; y++) {            for(x = area->x1; x <= area->x2; x++) {                /*Put a pixel to the display. For example:*/                /*put_px(x, y, *color_p)*/                lcd_buff[y][x][0] = color_p->full >> 8;                lcd_buff[y][x][1] = color_p->full;                color_p++;            }        }    }
   /*IMPORTANT!!!     *Inform the graphics library that you are ready with the flushing*/    lv_disp_flush_ready(disp_drv);}


在lcd_thread线程的while循环中只需使用SPI发送全屏缓冲到屏幕,代码如下:

void lcd_push_buff(void) {    R_SPI_Write(spilcd_spi0.p_ctrl, lcd_buff, LCD_W * LCD_H * 2, SPI_BIT_WIDTH_8_BITS);}/* 下面是主函数调用 */void lcd_thread_entry(void* pvParameters) {    FSP_PARAMETER_NOT_USED(pvParameters);    lcd_setup();
   while (1) {        lcd_push_buff();        lv_task_handler();    }}



界面设计与仿真



采用NXP的GUI Guider作为PC端的设计器和仿真器,GUI Guider可以在PC端完成一站式的LVGL界面设计与仿真,例如下图所示:


在GUI Guider中对两个页面分别创建了一个定时器,并且实现了两个回调函数,代码如下,通过这个定时器回调函数来实现周期性的刷新屏幕显示的内容,更新网络连接状态、当前温湿度、当前时间、当前天气等数据。

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void timer_main_reflash_cb(lv_timer_t *t){    static uint32_t tick;    lv_ui * gui = t->user_data;#ifdef __ARMCC_VERSION    float sensor_info[2];    if (pdTRUE == xQueueReceive(g_sensor2lcd_queue, sensor_info, pdMS_TO_TICKS(0))) {        lv_bar_set_value(gui->main_bar_humi, (uint32_t) sensor_info[0], LV_ANIM_ON);        lv_bar_set_value(gui->main_bar_temp, (uint32_t) sensor_info[1], LV_ANIM_ON);        lv_label_set_text_fmt(gui->main_label_humi, "%2d%%", (uint32_t) sensor_info[0]);        lv_label_set_text_fmt(gui->main_label_temp, "%2d'C", (uint32_t) sensor_info[1]);    }    rtc_time_t get_time;    if (pdTRUE == xQueueReceive(g_clock2lcd_queue, &get_time, pdMS_TO_TICKS(0))) {        lv_label_set_text_fmt(gui->main_label_hour, "%02d", get_time.tm_hour);        lv_label_set_text_fmt(gui->main_label_min, "%02d", get_time.tm_min);        lv_label_set_text_fmt(gui->main_label_sec, "%02d", get_time.tm_sec);    }    uint32_t num = 0;    if (pdTRUE == xQueueReceive(g_esp2lcd_queue, &num, pdMS_TO_TICKS(0))) {        if (num > 38) {            num = 99;        }        char path [30];        sprintf(path, "1:1:lvgl/weather/%d.jpg", num);        lv_img_set_src(gui->main_img_weather, path);    }#endif}
const char str_ch[][40] = {    "连接WI-Fi...",    "连接WI-Fi失败!",    "连接WI-Fi成功!",    "连接MQTT服务器...",    "连接MQTT服务器失败",    "订阅MQTT主题...",};
void timer_loading_reflash_cb(lv_timer_t *t){    static uint32_t num = 0;    lv_ui * gui = t->user_data;#ifdef __ARMCC_VERSION    if (pdTRUE == xQueueReceive(g_esp2lcd_queue, &num, pdMS_TO_TICKS(0))) {        lv_label_set_text(gui->loading_tip, str_ch[num]);        lv_bar_set_value(gui->loading_process, num * 20, LV_ANIM_ON);        if (num >= 5) {            setup_scr_main(gui);            lv_scr_load(gui->main);        }    }#else    num += 3;    lv_label_set_text(gui->loading_tip, str_ch[num / 20]);    lv_bar_set_value(gui->loading_process, num, LV_ANIM_ON);    if (num >= 100) {        setup_scr_main(gui);        lv_scr_load(gui->main);    }#endif}



MQTT与服务器解析


使用ESP8266模块连接到MQTT服务器,因为MQTT也是自建的EMQX服务器,自由度相对onenet平台要大很多,这里的上传数据、下载数据都是统一由MQTT服务器搭配node-red来完成,避免来回地将ESP8266切换为透传模式来实现HTTP访问,全由服务器来进行数据的处理与打包,拖拽化开发自定义的MQTT消息处理流程不香吗?

例如上传当前温湿度、LED状态、知心天气API获得当前的天气数据的流程设置如下:


服务器端解析温湿度数据时,上传的数据包格式为 JSON 数据,形如

{“hum”:51.498504638671872,”tem”:30.258193969726564}

为了解析MQTT的数据包,需要编写一段代码来实现数据类型的限定,这里还加了保留到两位小数,其中的 “get humidity” 等函数只需编写如下一段JavaScript代码,经过解析后得到湿度数据,传入后面的 “is null ?” 节点后若不为空就更新数据给Homeassistant的设备。

var field = msg.payload.hum;var out;
if (field == null) {    out = { payload: null };} else {    if (typeof field === 'number') {        if (Number(field) === Math.round(field)) {            /* 整数 */            out = { payload: field };        } else {            /* 小数 */            out = { payload: field.toFixed(2) };        }    } else if (typeof field === 'boolean') {        /* 布尔 */        out = { payload: field };    } else if (typeof field === 'string') {        /* 字符串 */        out = { payload: field };    }}return out;


经过HTTP访问知心天气的API后,耶对得到的JSON结果进行解析,消息形如:

{    "results": [        {            "location": {                "id": "WTW3SJ5ZBJUY",                "name": "Shanghai",                "country": "CN",                "path": "Shanghai,Shanghai,China",                "timezone": "Asia/Shanghai",                "timezone_offset": "+08:00"            },            "now": {                "text": "Cloudy",                "code": "4",                "temperature": "35"            },            "last_update": "2023-08-13T12:10:14+08:00"        }    ]}


解析代码也非常简单,text为当前的天气文本,code为当前的天气代码:

var text = msg.payload.results[0].now.text;var code = msg.payload.results[0].now.code;
return { payload: code };


然后发送最终的天气码到主题 /test/esp8266/sub,这个主题是ESP8266已经订阅的,ESP8266线程完成数据的获取,然后发送天气码到消息队列,LCD读取消息队列,得到天气码,然后读取SD卡中的天气图标,显示到屏幕上,完成天气图标的更新。



03

最终效果


联网进度显示界面

开机自动联网、进度条提示,FPS最低50!这个瑞萨的MCU跑LVGL完全无压力


实时温湿度、时间数据显示


接入Homeassistant记录温湿度数据

通过node-red接入到HA作为一个设备显示当前的温湿度数据和板载LED的状态


温度数据的历史曲线(开了空调温度是直线下降啊)


湿度数据的历史曲线


天猫精灵获取板载LED状态

设置了单击触摸按键开关LED2亮灭的逻辑操作,然后会自动上传这个LED2的开关状态到MQTT服务器上,通过node-red来上传到Homeassistent,搭配巴法云平台接入到语音助手,我用的是天猫精灵,可以通过语音助手获取到当前LED2的状态,当然只是做一个演示,可以实现的自动化智能家居当然还有很多的玩法。



04

视频展示




05

总结


本作品开发过程中体会到了瑞萨的开发软件十分的易用,方便,也学习到了LVGL V8、MQTT服务器数据包的收发,node-red桥接MQTT消息包到HA的知识。

完成以上所有的功能后Flash使用了1MB出头(主要是GUI的资源文件),这个单片机是有2MB的Flash,界面开发还有很大的发挥空间。

1.8寸的小屏比较小,可以换成更大的屏和增加触摸,但是RA6M5没有专门的屏幕驱动外设,如果要拓展成并口MCU屏或者RGB屏还是有点受限的。

使用到了如下第三方软件包,除FatFs使用BSD外别的均为MIT开源协议

  • CJSON
  • EasyLogger
  • FatFs

  • letter-shell
  • MultiButton
  • LVGL V8
  • FreeRTOS


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END

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