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[RT-Thread x 大学生夏令营] 简易桌面气象站

发布于 2023-07-25 21:15:18 浏览：1065 订阅该版

[tocm]

本项目演示如何使用 RT-Thread 星火 1 号 开发板以及Onenet中国移动物联网开放平台实现桌面气象站的搭建。初次使用本例程的用户请先阅读本文档。

## 简介

本项目的主要功能是通过板载的温度、湿度和光照传感器监测环境数据，并在 LCD 屏幕上显示，自动连接 wifi 上传到 Onenet 平台。通过卡尔曼滤波器对所采集到的数据进行处理，通过按键设定阈值并使用 LED 矩阵灯、 LED 灯和蜂鸣器实现温度、湿度和光照的可视化与报警。

![绘图1.png](https://s2.loli.net/2023/07/25/NkH9D2T1uMzZ7rX.png)

## 硬件介绍

### 开发板

![RTT.png](https://s2.loli.net/2023/07/25/IRYWvlDtZ6Bw4Cb.png)

使用 RT-Thread 星火 1 号 开发板开发本项目，各模块在开发板中位置如图所示。

### LED

![led_pin.png](https://s2.loli.net/2023/07/25/urYyVkCawodANRz.png)

![led_circuit.png](https://s2.loli.net/2023/07/25/EFQTfNw1LnyM6tY.png)

如上图所示，RBG-LED 属于共阳 LED ，阴极分别与单片机的引脚连接，其中红色 LED 对应 PF12 引脚。单片机引脚输出低电平即可点亮 LED ，输出高电平则会熄灭 LED。

### LED Matrix

![led_en.png](https://s2.loli.net/2023/07/25/bJGkzN1IDLdfwAp.png)

![led_data.png](https://s2.loli.net/2023/07/25/2trnhUBguDNOJR9.png)

![led_matrix.png](https://s2.loli.net/2023/07/25/TlO39rQKU76IJ84.png)

如上图所示，LED MATRIX 使用的是 SK6805 RGB 三色 LED, 驱动时使用串行信号。

### 蜂鸣器

![beep_pin.png](https://s2.loli.net/2023/07/25/mNj8szZnLhiGP2d.png)

![beep_circurt.png](https://s2.loli.net/2023/07/25/mg8flOncaITZkFe.png)

蜂鸣器连接单片机引脚与原理图如上图所示。

### LCD

![lcd.png](https://s2.loli.net/2023/07/25/1tpRZuNCDz6yK3s.png)

星火 1 号开发板板载的是一块 1.3 寸，分辨率为 240x240 的 LCD 显示屏，显示效果十分细腻。显示屏的驱动芯片是 ST7789 v3, 通信接口使用的是 8080 并口，通过 fsmc 模拟出驱动时序和单片机进行通讯。使用了 8 根数据线传输数据，一根地址选择线作为芯片的使能信号。

### 温湿度传感器

![AHT21.png](https://s2.loli.net/2023/07/25/DcEUtS2bXTAWdIp.png)

![aht21_circuit.png](https://s2.loli.net/2023/07/25/IzxVigLy1obheDW.png)

如上图所示，单片机通过软件 iic I2C3(soft) scl(PE0)、 I2C3(soft) sda(PE1) 对传感器 aht10 发送命令、读取数据等。

该传感器输入电压范围为 1.8v - 3.3v，测量温度与湿度的量程、精度如下表所示：

| 功能 | 量程 | 精度 | 单位 |
| :----: | :----: | :----: | :----: |
| 温度 | -40 - 85 | ±0.5 | 摄氏度 |
| 相对湿度 | 0 - 100 | ±3 | % |

### 接近与光强传感器

![ap3216c.png](https://s2.loli.net/2023/07/25/njGqykBHUNhceob.png)

![ap3216c_circuit.png](https://s2.loli.net/2023/07/25/lqyUjWCa4YLXM6p.png)

如上图所示，单片机通过 I2C2(soft) scl(PF1)、 I2C2(soft) sda(PF0) 对传感器 ap3216c 发送命令、读取数据等， AP_INT(PG13) 为硬件中断引脚。

该传感器能够实现如下功能：

* 光照强度：支持 4 个量程
* 接近感应：支持 4 种增益
* 中断触发：光照强度及接近感应同时支持 高于阈值 或 低于阈值 的两种硬件中断触发方式

### Onenet上传

Onenet 上传需要依赖 星火 1 号 板卡上的 WiFi 模块完成网络通信，因此请确保硬件平台上的 WiFi 模组可以正常工作。

## 软件介绍

### 数据要素

#### 初始化

同时初始化传感器 ap3216c 和 aht10 ，分别传入参数。 i2c2 和 i2c3 为传感器挂载的 i2c 总线的名称；初始化若失败，则返回空，程序不会被执行，若成功，则返回传感器设备对象。

```c
int main(void)
{
    /* initialize ap3216c */
    const char *i2c_bus_name_ap = "i2c2";
    rt_thread_mdelay(1000);
    dev_ap = ap3216c_init(i2c_bus_name_ap);
    if (dev_ap == RT_NULL)
    {
        LOG_E("The sensor initializes failure.");
        return 0;
    }

/* initialize aht10 */
    const char *i2c_bus_name_aht = "i2c3";
    rt_thread_mdelay(1000);
    dev_aht = aht10_init(i2c_bus_name_aht);
    if (dev_aht == RT_NULL)
    {
        LOG_E(" The sensor initializes failure");
        return 0;
}
```

### 数据采集

创建一个线程进行温湿度与光照值的读取。

```c
void sensor_entry()
{
    while(1){
        /* read brightness */
        brightness = ap3216c_read_ambient_light(dev_ap);
        brightness = kalman_filter(brightness, &p_t_b, &p_t_b_, &K_b, &R_b, &lux_b, &lux_b_);
//        LOG_D("current brightness: %d.%d(lux).", (int)brightness, ((int)(10 * brightness) % 10));

/* read humidity */
        humidity = aht10_read_humidity(dev_aht);
        humidity = kalman_filter(humidity, &p_t_h, &p_t_h_, &K_h, &R_h, &lux_h, &lux_h_);
//        LOG_D("humidity   : %d.%d %%", (int)humidity, (int)(humidity * 10) % 10);

/* read temperature */
        temperature = aht10_read_temperature(dev_aht);
        temperature = kalman_filter(temperature, &p_t_t, &p_t_t_, &K_t, &R_t, &lux_t, &lux_t_);
//        LOG_D("temperature: %d.%d", (int)temperature, (int)(temperature * 10) % 10);

rt_thread_mdelay(1000);
    }
}
```

### LCD 显示

创建一个线程实现温湿度与光照值在 LCD 上的显示。

![微信图片_20230725150108.png](https://s2.loli.net/2023/07/25/5q7rvxUEWpKFVbd.png)

```c
void screen_entry()
{
    lcd_set_color(WHITE, BLACK);

while(1)
    {
        lcd_clear(WHITE);
        lcd_show_image(0, 0, 240, 240, image_1);

//show brightness on the sun
        lcd_set_color(0xff4b, BLACK);
        if (brightness < 100){
            lcd_show_string(125, 53, 24, "%d.%d", (int)brightness, ((int)(10 * brightness) % 10));
        }
        else{
            lcd_show_string(125, 53, 24, "%d", (int)brightness);
        }

//show the humidity on the cloud
        lcd_set_color(0xc77e, BLACK);
        lcd_show_string(160, 90, 24, "%d.%d", (int)humidity, ((int)(10 * humidity) % 10));

//show the temperature on the thermometer
        lcd_set_color(0xc8c3, WHITE);
        lcd_show_string(50, 200, 16, "%d.%d", (int)temperature, ((int)(10 * temperature) % 10));

//show the humidity threshold on the top right
        lcd_set_color(0xef9d, BLACK);
        lcd_show_string(220, 13, 16, "%d", humidity_thre);

//show the humidity threshold on the top left
        lcd_show_string(5, 13, 16, "%d", temperature_thre);

rt_thread_mdelay(1000);
    }
}
```

### 蜂鸣器的阈值报警

创建一个线程，当温度与湿度超过阈值时，蜂鸣器报警。

```c
void beep_entry(){
    while(1){
        if((temperature > 30) & (humidity > 70)){
            rt_pin_write(PIN_BEEP, PIN_HIGH);
//            LOG_D("beep on");
        }
        else{
            rt_pin_write(PIN_BEEP, PIN_LOW);
//            LOG_D("beep off");
        }
        rt_thread_mdelay(1000);
    }
}
```

### LED 灯阈值闪烁

创建一个线程，当光照强度发生变化时，LED 灯的闪烁频率发生变化。

```c
void blink_r_entry(){
    int delay = 500;
    while (1)
    {
        if(brightness < 100){
            delay = 1000;
        }
        else if(brightness > 500){
            delay = 250;
        }
        else{
            delay = 500;
        }
        /* LED ON */
        rt_pin_write(LED_R, PIN_LOW);
//        LOG_D("led on");
        rt_thread_mdelay(delay);

/* LED OFF */
        rt_pin_write(LED_R, PIN_HIGH);
//        LOG_D("led off");
        rt_thread_mdelay(delay);
    }
}
```

### LED Matrix 可视化

创建俩个 led matrix demo 线程。
`led_matrix_example_entry_outer`控制外圈 LED 灯，当温度未超过阈值时显示为绿色闪烁，温度超过阈值时显示为白色闪烁；`led_matrix_example_entry_inner`控制内圈 LED 灯，当湿度未超过阈值时显示为蓝色闪烁，温度超过阈值时显示为红色不闪烁。
`led_matrix_example_entry_outer`线程代码如下：

```c
static void led_matrix_outer(RGBColor_TypeDef GREN, int count){

int i=EXTERN_LED_6;
        switch (count)
        {
        case 0:
            Set_LEDColor(i, GREN);
            break;
        case 1:
            Set_LEDColor(i, DARK);
            break;
        default:
                       return ;
                       break;
        }
        RGB_Reflash();
        rt_thread_delay(200);
        for (int j = 1;  j < 6; j++)
        {
            switch (count)
            {
            case 0:
                Set_LEDColor(i-j, GREN);
                Set_LEDColor(i+j, GREN);
                break;
            case 1:
                Set_LEDColor(i-j, DARK);
                Set_LEDColor(i+j, DARK);
                break;
            default:
                return ;
                break;
            }
            RGB_Reflash();
            rt_thread_delay(200);

}
        switch (count)
        {
                case 0:
                    Set_LEDColor(i-6, GREN);
                    break;
                case 1:
                    Set_LEDColor(i-6, DARK);
                    break;
                default:
                    return ;
                    break;
        }
        RGB_Reflash();
        rt_thread_delay(200);
}
static void led_matrix_example_entry_outer()
{
    int count = 0;
    while (1){
        if (temperature > 30){
            led_matrix_outer(PINK, count);
        }
        else{
            led_matrix_outer(GREN, count);
        }
        count = (count+1) % 2;
    }
}
```

`led_matrix_example_entry_inner`线程代码如下：

```c
static void led_matrix_example_entry_inner()
{
    int count1=0;
    while(1)
    {
        if (humidity > 90){
            Set_LEDColor(EXTERN_LED_18, RD);
            Set_LEDColor(EXTERN_LED_17, RD);
            Set_LEDColor(EXTERN_LED_16, RD);
            Set_LEDColor(EXTERN_LED_15, RD);
            Set_LEDColor(EXTERN_LED_14, RD);
            Set_LEDColor(EXTERN_LED_13, RD);
            Set_LEDColor(EXTERN_LED_12, RD);
            RGB_Reflash();
            rt_thread_delay(200);
        }
        else
        {
            switch (count1)
            {
                case 0:
                    Set_LEDColor(EXTERN_LED_18, BLU);
                    Set_LEDColor(EXTERN_LED_17, BLU);
                    Set_LEDColor(EXTERN_LED_16, BLU);
                    Set_LEDColor(EXTERN_LED_15, BLU);
                    Set_LEDColor(EXTERN_LED_14, BLU);
                    Set_LEDColor(EXTERN_LED_13, BLU);
                    Set_LEDColor(EXTERN_LED_12, BLU);
                    RGB_Reflash();
                    rt_thread_delay(200);
                    break;
                case 1:
                    Set_LEDColor(EXTERN_LED_18, DARK);
                    Set_LEDColor(EXTERN_LED_17, DARK);
                    Set_LEDColor(EXTERN_LED_16, DARK);
                    Set_LEDColor(EXTERN_LED_15, DARK);
                    Set_LEDColor(EXTERN_LED_14, DARK);
                    Set_LEDColor(EXTERN_LED_13, DARK);
                    Set_LEDColor(EXTERN_LED_12, DARK);
                    RGB_Reflash();
                    rt_thread_delay(200);
                    break;
                default:
                    return ;
                    break;
            }
            count1 = (count1+1) % 2;
        }
    }
}
```

### 按键功能

利用按键实现温湿度阈值的改变，其中上下按键控制湿度阈值，左右按键控制温度阈值。
首先对按键引脚进行定义:

```c
#define PIN_UP          GET_PIN(C, 5)
#define PIN_DOWN        GET_PIN(C, 1)
#define PIN_LEFT        GET_PIN(C, 0)
#define PIN_RIGHT       GET_PIN(C, 4)
```

编写中断回调函数

```c
void irq_callback(void *args)
{
    rt_uint32_t sign = (rt_uint32_t) args;
    switch (sign)
    {
    case PIN_UP :
        humidity_thre = humidity_thre + 1;
        break;
    case PIN_DOWN :
        humidity_thre = humidity_thre - 1;
        break;
    case PIN_LEFT :
        temperature_thre = temperature_thre - 1;
        break;
    case PIN_RIGHT :
        temperature_thre = temperature_thre + 1;
        break;
    default:
        LOG_E("error sign= %d !", sign);
        break;
    }
}
```

判断按键按下情况并调用中断回调函数：

```c
    //设置引脚模式
    rt_pin_mode(PIN_UP, PIN_MODE_INPUT_PULLUP);
    rt_pin_mode(PIN_DOWN, PIN_MODE_INPUT_PULLUP);
    rt_pin_mode(PIN_LEFT, PIN_MODE_INPUT_PULLUP);
    rt_pin_mode(PIN_RIGHT, PIN_MODE_INPUT_PULLUP);

// 设置按键中断模式与中断回调函数 
    rt_pin_attach_irq(PIN_UP, PIN_IRQ_MODE_FALLING, irq_callback, (void *) PIN_UP);
    rt_pin_attach_irq(PIN_DOWN, PIN_IRQ_MODE_FALLING, irq_callback, (void *) PIN_DOWN);
    rt_pin_attach_irq(PIN_LEFT, PIN_IRQ_MODE_FALLING, irq_callback, (void *) PIN_LEFT);
    rt_pin_attach_irq(PIN_RIGHT, PIN_IRQ_MODE_FALLING, irq_callback, (void *) PIN_RIGHT);

// 使能中断 
    rt_pin_irq_enable(PIN_UP, PIN_IRQ_ENABLE);
    rt_pin_irq_enable(PIN_DOWN, PIN_IRQ_ENABLE);
    rt_pin_irq_enable(PIN_LEFT, PIN_IRQ_ENABLE);
    rt_pin_irq_enable(PIN_RIGHT, PIN_IRQ_ENABLE);
```

### 卡尔曼滤波

卡尔曼滤波算法(KF)是序贯数据同化的一种，是由Kalman针对随机过程状态估计提出的。KF的基本思想是利用前一时刻的状态估计值和当前时刻的观测值来获得动态系统当前时刻状态变量的最优估计，包括预报和分析两个步骤。其算法流程如下图所示，大致分为三步。

![Snipaste_2023-07-24_16-34-22.png](https://s2.loli.net/2023/07/25/XYhvonkuDx5yfi1.png)

#### 参数定义
![para_define.png](https://s2.loli.net/2023/07/25/uvZmVTOqGcrUK93.png)

#### 参数初始化

计算卡尔曼增益
![k_calcu.png](https://s2.loli.net/2023/07/25/PsSfTOWw1aK4hZp.png)

#### 第一步：更新

包括状态更新和协方差更新

状态更新：
![state_update.png](https://s2.loli.net/2023/07/25/MJwP2ZmSvt4B3hO.png)

协方差更新：
![covarient_update.png](https://s2.loli.net/2023/07/25/qtjWHM2Rkcg9XSF.png)

#### 第二步：预测

包括状态预测和协方差预测

状态预测:
![state_pred.png](https://s2.loli.net/2023/07/25/bXKtY4yVdN8wri2.png)

协方差预测:
![covarient_pred.png](https://s2.loli.net/2023/07/25/ihfBuHJvx5D42pa.png)

#### 第三步：系统迭代

下图描述了卡尔曼滤波算法的具体迭代逻辑。

![Snipaste_2023-07-24_16-32-20.png](https://s2.loli.net/2023/07/25/sQpA7uZjM4t1XHg.png)

其代码如下：

```c
float kalman_filter(float new_lux,float* p_t, float* p_t_, float* K, float* R, float* lux, float* lux_)
{
    /* 状态估计 */
    *lux_ = *lux;  //先验估计，此次估计值=上次的最优估计
    *p_t_ = *p_t;   //此次的估计协方差 = 上次的最优估计协方差

/* 修正估计*/
    *K = *p_t_/(*p_t_ + *R); //更新 K
    *lux = *lux_ + (*K)*(new_lux - *lux_);//更新最优估计值，即得到当前最优估计值
    *p_t = (1-*K)*(*p_t_);

return *lux;
}
```

### wifi 连接及 OneNET 数据可视化

调用 Scan 接口扫描周围环境中的 AP(Access Point ，即无线访问热点) ；同时自动连接 wifi (名字: Redmi , 密码: 12345678 )

```c
rt_wlan_connect("Redmi", "12345678");
```

接着通过 MQTT 协议将数据上传到 OneNET 平台：

```c
    onenet_mqtt_init();
    rt_thread_init(&upload, "upload", upload_entry, NULL, upload_stack, sizeof(upload_stack), 21, 5);
    rt_thread_startup(&upload);
```

将温湿度与光照值通过卡尔曼滤波后上传至OneNET平台，数值随时间变化如图所示。

温度：
![1.png](https://s2.loli.net/2023/07/25/TtKercG4D7FUvEi.png)

湿度：
![2.png](https://s2.loli.net/2023/07/25/8u3496Kw1zj7pOn.png)

光照：
![3.png](https://s2.loli.net/2023/07/25/2ZKT8fvlXOeGjEh.png)

## 运行结果

温湿度：

![Snipaste_2023-07-24_17-55-54.png](https://s2.loli.net/2023/07/25/mLo8zxqAPYnbWpw.png)

光照：

![Snipaste_2023-07-24_17-56-12.png](https://s2.loli.net/2023/07/25/yGX4YofiEVag8rC.png)

LCD 显示：

![微信图片_20230725150108.png](https://s2.loli.net/2023/07/25/5q7rvxUEWpKFVbd.png)

云端上传：

![1.png](https://s2.loli.net/2023/07/25/TtKercG4D7FUvEi.png)

## 注意事项

需要更改 pin 脚，防止 LCD 与 LED 冲突。

## 引用参考

- 设备与驱动：[PIN 设备](https://www.rt-thread.org/document/site/#/rt-thread-version/rt-thread-standard/programming-manual/device/pin/pin)
- onenet 软件包：[https://github.com/RT-Thread-packages/onenet](https://github.com/RT-Thread-packages/onenet)