RT-Thread-【N32G457】基于RT-Thread和N32G457的智能家居demoRT-Thread问答社区

【N32G457】基于RT-Thread和N32G457的智能家居demo

发布于 2022-03-16 11:16:13 浏览：1642 订阅该版

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# 1 摘要

本文使用 N32G457 开发板，移植 RT-Thread 操作系统，增加 ESP8266 WIFI 模块模拟了一个小型的智能家居项目，通过 WIFI 模块将数据上云，然后使用腾讯连连小程序做用户层的开发，显示开发板上传的数据，同时可以通过腾讯连连小程序反向控制开发板上的硬件。
  用到的主要技术又：RTT操作系统；AT组件；ESP8266 WIFI模块；MQTT移植；cJSON；腾讯连连
  项目的代码地址为：[https://gitee.com/robot266/n32g457_esp8266](https://gitee.com/robot266/n32g457_esp8266)
  该项目的整体架构如下图所示。
    
![N32架构.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20220316/554de9da3f3fca3d1fcc267b540c20bc.png)

# 2 硬件介绍
  项目使用的 WIIFI 模块为 ESP8266，实物如下图所示。
![image.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20220316/5da236d4cc3a99a78a7c87fecfe63afe.png.webp)

ESP8266 和 N32G457 开发板通过串口2 (UART2_TX <-> PA2; UART2_RX <-> PA3) 进行通讯，硬件连接如下图所示(电源为3.3V)。
![image.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20220316/7ddbb5f5f2e95273b00f2cdf6d352e76.png.webp)

# 3 软件开发过程
  本次开发使用 RT-Thread Studio 仅从代码的开发和调试，代码的整体架构如下图所示，其中 applications 目录下为用户编写的代码，将不同模块的驱动代码分成不同的源文件和头文件进行编写。
![代码.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20220316/e1f9fdfd5c0109804e34d300946220b3.png)

## 3.1 基础工程的创建
  基础工程的创建参考 RTT 论坛中的文章进行创建 [【N32G457】使用rtt studio开发n32g45x](https://club.rt-thread.org/ask/article/3274.html) 。基础工程包含了下载功能，调试功能，串口日志输出功能(115200 8n1) 和 LED闪烁功能。
## 3.2 软件包的添加
  本项目中用到了 AT组件，MQTT组件和 cJSON 组件，软件包的添加过程如下。
### 3.2.1 AT组件
  使用 ENV 配置工具添加组件，配置选项如下
```
→ RT-Thread online packages 
  → IoT - internet of things
    →AT DEVICE: RT-Thread AT component porting or samples for different device
      → Espressif ESP8266
```
![image.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20220316/78ca0ec7afe819d991d78d9f4c5cfd5f.png)

### 3.2.2 MQTT组件
  本次使用的是 Paho MQTT 组件，组件的添加步骤为
```
→ RT-Thread online packages 
  → IoT - internet of things
    → Paho MQTT: Eclipse Paho MQTT C/C++ client for Embedded platforms
```
![image.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20220316/4d86d814a2ad60d35c63eb5f5aa245c5.png)

### 3.2.3 cJSON 组件
  在解析 MQTT 腾讯云服务器的下发消息时需要解析 json 数据，本次项目添加的 cJSON 组件如下所示。
```
→ RT-Thread online packages 
  → IoT - internet of things
    → cJSON: Ultralightweight JSON parser in ANSI C
```

![image.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20220316/8937df76c8fd64855da7e2a9f8dd8ecd.png)
## 3.3 代码展示

作为本项目的核心，在此只展示 mqtt 部分的相关代码，mqtt 部分创建了一个线程来进行 mqtt 的初始化和连接，以及定时的额发布消息功能，具体代码如下所示。

```c
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>

#include <rtthread.h>
#include "rtdevice.h"

#define DBG_TAG "mqtt_task.c"
#define DBG_LVL DBG_LOG
#include <rtdbg.h>

#include "paho_mqtt.h"
#include "n32_esp8266.h"
#include "json_parse.h"
#include "led.h"
#include "cJSON.h"
#include "cJSON_util.h"

/**
 * MQTT URI farmat:
 * domain mode
 * tcp://iot.eclipse.org:1883
 *
 * ipv4 mode
 * tcp://192.168.10.1:1883
 * ssl://192.168.10.1:1884
 *
 * ipv6 mode
 * tcp://[fe80::20c:29ff:fe9a:a07e]:1883
 * ssl://[fe80::20c:29ff:fe9a:a07e]:1884
 */
#define MQTT_URI                "tcp://T0FR66L94D.iotcloud.tencentdevices.com:1883"
#define MQTT_CLIENT_ID          "T0FR66L94Dn32_esp8266"
#define MQTT_USERNAME           "T0FR66L94Dn32_esp8266;12010126;AVBVT;1647450202"
#define MQTT_PASSWORD           "68dab4c81b227f841ef86b6223711975106a4a4cfe6556f77504b606430eeae0;hmacsha256"
#define MQTT_SUBTOPIC           "$thing/down/property/T0FR66L94D/n32_esp8266"
#define MQTT_PUBTOPIC           "$thing/up/property/T0FR66L94D/n32_esp8266"
#define MQTT_WILLMSG            "Goodbye!"

/* define MQTT client context */
static MQTTClient client;
static int is_started = 0;

/**
 * @brief  MQTT 订阅回调函数
 * @param  c 客户端标识
 * @param  msg_data 收到的数据
 * @return 无
 */
static void n32_mqtt_sub_callback(MQTTClient *c, MessageData *msg_data)
{
    *((char *) msg_data->message->payload + msg_data->message->payloadlen) = '\0';
    LOG_D("mqtt sub callback: %.*s",
    //msg_data->topicName->lenstring.len,
    //msg_data->topicName->lenstring.data,
            msg_data->message->payloadlen, (char * )msg_data->message->payload);

parse_msg(msg_data->message->payloadlen, (char *) msg_data->message->payload);  // 解析收到的数据
}

/**
 * @brief  MQTT 默认的订阅回调函数
 * @param  c 客户端标识
 * @param  msg_data 收到的数据
 * @return 无
 */
static void n32_mqtt_sub_default_callback(MQTTClient *c, MessageData *msg_data)
{
    *((char *) msg_data->message->payload + msg_data->message->payloadlen) = '\0';
    LOG_D("mqtt sub default callback: %.*s %.*s", msg_data->topicName->lenstring.len,
            msg_data->topicName->lenstring.data, msg_data->message->payloadlen, (char * )msg_data->message->payload);
}

/**
 * @brief  MQTT 连接的回调函数
 * @param  c 客户端标识
 * @return 无
 */
static void n32_mqtt_connect_callback(MQTTClient *c)
{
    LOG_D("enter mqtt_connect_callback!");
}

/**
 * @brief  MQTT 上线的回调函数
 * @param  c 客户端标识
 * @return 无
 */
static void n32_mqtt_online_callback(MQTTClient *c)
{
    LOG_D("enter mqtt_online_callback!");
}

/**
 * @brief  MQTT 掉线的回调函数
 * @param  c 客户端标识
 * @return 无
 */
static void n32_mqtt_offline_callback(MQTTClient *c)
{
    LOG_D("enter mqtt_offline_callback!");
}

/**
 * @brief  MQTT 启动
 * @param  无
 * @return 成功返回0，失败返回-1
 */
int n32_mqtt_start(void)
{
    /* init condata param by using MQTTPacket_connectData_initializer */
    MQTTPacket_connectData condata = MQTTPacket_connectData_initializer;
    static char cid[20] = { 0 };

if (is_started)
    {
        LOG_E("mqtt client is already connected.");
        return -1;
    }
    /* config MQTT context param */
    {
        client.isconnected = 0;
        client.uri = MQTT_URI;

/* generate the random client ID */
        rt_snprintf(cid, sizeof(cid), "rtthread%d", rt_tick_get());
        /* config connect param */
        memcpy(&client.condata, &condata, sizeof(condata));
        client.condata.clientID.cstring = MQTT_CLIENT_ID;
        client.condata.keepAliveInterval = 30;
        client.condata.cleansession = 1;
        client.condata.username.cstring = MQTT_USERNAME;
        client.condata.password.cstring = MQTT_PASSWORD;

/* config MQTT will param. */
        client.condata.willFlag = 1;
        client.condata.will.qos = 1;
        client.condata.will.retained = 0;
        client.condata.will.topicName.cstring = MQTT_PUBTOPIC;
        client.condata.will.message.cstring = MQTT_WILLMSG;

/* malloc buffer. */
        client.buf_size = client.readbuf_size = 1024;
        client.buf = rt_calloc(1, client.buf_size);
        client.readbuf = rt_calloc(1, client.readbuf_size);
        if (!(client.buf && client.readbuf))
        {
            LOG_E("no memory for MQTT client buffer!");
            return -1;
        }

/* set event callback function */
        client.connect_callback = n32_mqtt_connect_callback;
        client.online_callback = n32_mqtt_online_callback;
        client.offline_callback = n32_mqtt_offline_callback;

/* set subscribe table and event callback */
        client.messageHandlers[0].topicFilter = rt_strdup(MQTT_SUBTOPIC);
        client.messageHandlers[0].callback = n32_mqtt_sub_callback;
        client.messageHandlers[0].qos = QOS1;

/* set default subscribe event callback */
        client.defaultMessageHandler = n32_mqtt_sub_default_callback;
    }

/* run mqtt client */
    paho_mqtt_start(&client);
    is_started = 1;

return 0;
}

/**
 * @brief  MQTT 停止
 * @param  无
 * @return 成功返回0，失败返回-1
 */
int n32_mqtt_stop(void)
{
    if (is_started == 1)
    {
        is_started = 0;

return paho_mqtt_stop(&client);
    }
}

/**
 * @brief  MQTT 发布消息
 * @param  send_buff 要发布的消息的内容
 * @return 成功返回0，失败返回-1
 */
int n32_mqtt_publish(char *send_buff)
{
    if (is_started == 0)
    {
        LOG_E("mqtt client is not connected.");
        return -1;
    }

paho_mqtt_publish(&client, QOS1, MQTT_PUBTOPIC, send_buff);

return 0;
}

/**
 * @brief  MQTT 新订阅的回调函数
 * @param  client 客户端标识
 * @param  msg_data 收到的数据
 * @return 无
 */
void n32_mqtt_new_sub_callback(MQTTClient *client, MessageData *msg_data)
{
    *((char *) msg_data->message->payload + msg_data->message->payloadlen) = '\0';
    LOG_D("mqtt new subscribe callback: %.*s %.*s", msg_data->topicName->lenstring.len,
            msg_data->topicName->lenstring.data, msg_data->message->payloadlen, (char * )msg_data->message->payload);
}

/**
 * @brief  MQTT 订阅
 * @param  topic 要订阅的主题的名字
 * @return 成功返回0，失败返回-1
 */
int n32_mqtt_subscribe(char *topic)
{
    if (is_started == 0)
    {
        LOG_E("mqtt client is not connected.");
        return -1;
    }

return paho_mqtt_subscribe(&client, QOS1, topic, n32_mqtt_new_sub_callback);
}

/**
 * @brief  MQTT 取消订阅
 * @param  topic 要取消订阅的主题的名字
 * @return 成功返回0，失败返回-1
 */
int n32_mqtt_unsubscribe(char *topic)
{
    if (is_started == 0)
    {
        LOG_E("mqtt client is not connected.");
        return -1;
    }

return paho_mqtt_unsubscribe(&client, topic);
}

/*
 * json数据格式
 * {
 *     "method":"report",          // report 表示设备属性上报
 *     "clientToken":"123",        // 用于上下行消息配对标识
 *     "timestamp":1628646783,     // 属性上报的时间，格式为 UNIX 系统时间戳，不填写该字段表示默认为当前系统时间。单位为毫秒
 *     "params":{                  // JSON 结构内为设备上报的属性值
 *         "led":1,
 *         "led2":1,
 *         "temp":23,
 *         "humi",34
 *     }
 * }
 */

/**
 * @brief  MQTT 处理线程
 * @param  parameter 线程的入参
 * @return 无
 */
void mqtt_thread_entry(void *parameter)
{
    while (1)
    {
        if (get_esp8266_link_status() == 0) // 等到 ESP8266 连接成功后才能连接腾讯云
        {
            break;
        }
        else
        {
            rt_thread_mdelay(1000);
        }
    }

n32_mqtt_start();   // 启动mqtt，连接服务器

cJSON *root = NULL;
    cJSON *params = NULL;
    char *send_str = NULL;

while (1)
    {
        rt_thread_mdelay(5000);     // publish 间隔

root = cJSON_CreateObject(); /* 创建一个cJSON对象，要用 cJSON_Delete 释放内存 */
        if (root != NULL)
        {
            cJSON_AddStringToObject(root, "method", "report");
            cJSON_AddStringToObject(root, "clientToken", "123");

params = cJSON_CreateObject(); /* 创建子对象 */
            if (params != NULL)
            {
                cJSON_AddItemToObject(root, "params", params);
                cJSON_AddNumberToObject(params, "led1", get_led1_status()); // 添加 LED1 状态
                cJSON_AddNumberToObject(params, "led2", get_led2_status());
                cJSON_AddNumberToObject(params, "temp", rand() % 40);       // 模拟传感器数据
                cJSON_AddNumberToObject(params, "humi", rand() % 70);
                send_str = cJSON_Print(root);
                if (send_str != NULL)
                {
                    LOG_D("send msg: %s\n", send_str);
                    n32_mqtt_publish(send_str);
                }
            }
        }

if (send_str != NULL)    // 释放空间
        {
            cJSON_free(send_str);
            send_str = NULL;
        }

if (root != NULL)
        {
            cJSON_Delete(root); // 防止内存泄露，会把下面所有的子节点都释放
        }
    }
}

/**
 * @brief  启动 MQTT 处理线程
 * @param  无
 * @return 无
 */
int start_mqtt_thread(void)
{
    /* 创建 MTQTT 处理线程 */
    rt_thread_t thread = rt_thread_create("mqtt_thread", mqtt_thread_entry, RT_NULL, 2048, 10, 20);
    if (thread != RT_NULL)
    {
        rt_thread_startup(thread);  // 创建成功则启动线程
    }
    else
    {
        LOG_E("create mqtt thread failed");
        return (-RT_ERROR);
    }

return RT_EOK;
}

```
# 4 腾讯云物联网开发平台的使用
## 4.1 腾讯云物联网开发平台的使用
  腾讯云物联网开发平台作为本项目的云平台进行数据的转发。MQTT 三元组信息以及服务器的IP参数的构建参考腾讯云文章 [MQTT.fx 快速接入指引](https://cloud.tencent.com/document/product/1081/46507 "MQTT.fx 快速接入指引") 和 [智能灯接入指引](https://cloud.tencent.com/document/product/1081/41155)。订阅和发布消息的数据帧格式参考腾讯云文章 [物模型协议](https://cloud.tencent.com/document/product/1081/34916)。创建好的设备和物模型页面如下图所示。
![腾讯云1.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20220316/04f36f399a4bf9cc8344ebf24f5acd24.png)

## 4.2 腾讯连连的使用

腾讯连连的无代码开发参考腾讯云文章 [交互开发](https://cloud.tencent.com/document/product/1081/40457)。创建好的腾讯连连小程序页面如下图所示。
![腾讯云2.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20220316/0b526f82a2acc5176f8067709975fb56.png.webp)

# 5 实验结果
## 5.1 消息发布实验结果
  查看开发板上电后的日志输出，日志如下图所示，可以看到首先显示 ESP8266 连接 WIFI 成功，然后连接 MQTT 服务器，最后发布了一条消息。
![image.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20220316/d29aa3cb05f13cd3c9e93f1eded5ecef.png.webp)

发布消息成功后，查看腾讯连连小程序界面，可以看到小程序界面的数值已经更新，如下图所示。
![image.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20220316/a85e00407bc29cc162a62d4936d85b04.png.webp)

## 5.2 消息订阅实验结果
  在腾讯连连界面不断的调整 LED灯 的按钮，可以看到开发板收到了服务器转发的 MQTT 消息，并且板子上的灯随着小程序的额开关也执行相应的动作，日志如下图所示，证明了小程序控制消息下发并解析成功。
![image.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20220316/b7591f8fecaee280211fdb6e9ad208b2.png.webp)

# 6 开发中遇到的问题
  开发中遇到 ESP8266 固件比较老旧的问题，错误提示如下。参考 [ESP8266-01S不支持AT+CIPDNS_CUR?](https://club.rt-thread.org/ask/question/430058.html) 和 [ESP8266 固件升级办法](https://www.icode9.com/content-4-633075.html) 得以解决。
```
[E/at.clnt] execute command (AT+CIPDNS_CUR?) failed!
[W/at.dev.esp] please check and update esp0 device firmware to support the "AT+CIPDNS_CUR?" cmd.
```

# 7 开发感想
  本项目基于 RT-Thread 和 N32G457 开发板开发了一个智能家居的小 demo，完成了感知层，传输层和显示层等多维度的开发，作为一个物联网和 DIY 的小项目，虽然项目小巧，但是也能体现出物联网开发的整个步骤，在后期的开发中将更多的优化腾讯连连小程序的显示界面，增加更多传感器数据的获取和上报，完成更加智能的物联网设备。
  在此非常感谢 RT-Thread 官方和国民技术对本次大赛的支持❤️❤️❤️，让大家能够免费获取开发板并得以开发，在开发过程中受益于 RT-Thread 强大的组件的支持，省去了很多的组件的移植时间，非常感谢 RT-Thread 操作系统的开源和 RT-Thread 论坛对开发者的支持❤️❤️❤️。
  本项目仍有一些待完善的地方，欢迎各位开发者和 DIY 爱好者下载本项目的源码进行实验，欢迎大家一起讨论使用过程中遇到的问题，一起学习交流💪。