代码收藏家技术教程 2024-02-16

RA6M3 HMI Board线下培训笔记：使用RT Thread实现温湿度监测的物联网应用

【RA6M3 HMI Board线下培训笔记】 RT Thread实现物联网应用 ETH+MQTT+LVGL+RTOS 实现温湿度监测

1. 序言

随着物联网技术的飞速发展，越来越多的生活场景变得越来越智能，网联化、智能化越来越成为主旋律。

值此之际，RT-Thread 和瑞萨电子共同举办 智能家居网络开发：RA6M3 HMI Board 以太网+GUI技术实践线下培训。

这次培训融合了很多物联网相关的知识，以太网ETH，MQTT协议，LVGL图像化界面和RTOS多任务开发，RT Thread Studio软件和生态高质量、高复用和高平台性的软件工具链将这四者综合起来，让开发者可以快速的上手物联网开发

2. 瑞萨RA6M3芯片（Cortex M4内核）

下面我们先来介绍MCU，瑞萨RA6M3属于RA6系列微控制器，这个系列是瑞萨电子推出的高性能微控制器，主要针对物联网和工业应用。你想要的详细介绍，来啦！

核心特点：RA6M3使用了Arm Cortex-M4核心，这意味着它有着高效的处理能力和低功耗的特点。其最高频率可达200 MHz，这在微控制器界就像是“跑车”的性能。
内存配置：这款芯片拥有高达1MB的闪存和256KB的SRAM。这样的内存配置，在处理复杂程序时就能像是在公园散步一样轻松。
丰富的外设接口：RA6M3支持USB Full-speed和High-speed，有CAN接口，还支持SDHI、QSPI等。这些接口就像是一座桥，让RA6M3能和各种设备“握手”。
安全功能：安全性也是这款芯片的强项。它有安全加密模块，可以保护你的数据不被“偷窥”。
低功耗设计：在物联网时代，设备通常需要长时间运行。RA6M3在这方面做得很好，它的低功耗设计可以让设备长时间运行而不“喘气”。
图形功能：RA6M3还支持2D图形引擎和Capacitive Touch Sensing Unit，让你的界面美观又好用。

如下图所示，RA系列目前主要有以下四个系列：

RA2 系列 – 低功耗：基于 Arm Cortex-M23 内核，最高频率 60 MHz，拥有高达 256 KB 的闪存和 32 KB 的 SRAM。电源电压范围为 1.6 V 到 5.5 V。外设包括全速 USB、CAN、24 位 ∑-△ 模数转换器 (ADC)、16 位数模转换器 (DAC)、电容式触摸感应以及安全功能。
RA4 系列 – 高性能和出色的功耗：基于支持 TrustZone 的 Arm Cortex-M33F 内核或 Arm Cortex-M4F 内核构建，最高频率 100 MHz。高达 1 MB 的闪存和 128 KB 的 SRAM。电压范围为 1.6 V 到 5.5 V。外设包括电容式触摸感应、段码式 LCD 控制器、全速 USB、CAN、安全功能以及数据转换器和定时器。RA4W1 系列器件还额外配备了 Bluetooth® 低功耗 (BLE) 5.0。
RA6 系列 – 高性能：基于支持 TrustZone 的 Arm Cortex-M33F 内核或 Arm Cortex-M4F 内核。最高频率 240 MHz。高达 2 MB 的闪存和 640 KB 的 SRAM。电压范围为 2.7 V 到 3.6 V。外设包括数据转换器、定时器、外部存储总线、以太网、全速和高速 USB、CAN、安全功能、电容式触摸感应和用于 TFT 显示的图形 LCD 控制器，以及一个 2D 图形引擎。RA6T1 和 RA6T2 系列器件带有用于电机控制的增强型外设，如高分辨率 PWM 定时器或高级模拟模块。

3. 开发板介绍

本次使用的开发板是RT-Thread联合瑞萨推出的高性价比图形评估套件，取代传统的HMI+主控板硬件，一套硬件即可实现HMI+IOT+控制的全套能力。依托于瑞萨高性能芯片和RT-Thread软件生态，HMI Board不仅硬件性能强劲，同时软件生态丰富，主力开发者快速开发出GUI硬件产品。

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开发板硬件配置如下图所示：

4. RT Thread Studio介绍

RT-Thread Studio是一个基于RT-Thread操作系统的一站式开发环境。RT-Thread，作为一个开源的实时操作系统（RTOS），在嵌入式领域非常受欢迎。那么RT-Thread Studio具体是什么样的，我们一探究竟：

一体化的开发环境：RT-Thread Studio集成了代码编辑、编译、下载、调试等功能。它就像是嵌入式开发者的“瑞士军刀”，应有尽有，用起来方便极了。
图形化配置：这个特点非常吸引人。你可以通过图形化界面来配置你的RT-Thread系统，不需要手动去修改复杂的配置文件。这就像是在用积木搭建房子，直观又好玩。
丰富的软件包支持：RT-Thread Studio提供了大量的软件包，涵盖了网络、文件系统、图形界面等多个领域。这些软件包就像是加油站，为你的项目提供强大的动力。
跨平台兼容：支持多种操作系统，无论你是Windows、Linux还是macOS用户，都能使用RT-Thread Studio。这种兼容性就像是“通用翻译器”，让不同系统的用户都能愉快交流。
仿真和调试功能：RT-Thread Studio提供了仿真和调试工具，可以让你在还没拿到实际硬件之前就开始软件开发。这就像是先有了“试衣间”，再去定制你的“高级定制服装”。
开源社区支持：由于RT-Thread本身就是开源的，RT-Thread Studio也享受着强大的社区支持。这意味着你可以获取丰富的学习资料和社区的帮助，就像有一个“智囊团”在身边。

5. 前期准备

上面我们介绍了本次培训的主要应用的软件和硬件，下面是我们本次培训所需要的软件按照和参考资料：

RT-Thread Studio下载链接：https://download_redirect.rt-thread.org/download/studio/RT-Thread_Studio_2.2.7-setup-x86_64.exe
SquareLine Studio下载链接：https://static.squareline.io/downloads/SquareLine_Studio_Windows_v1_3_2.zip
MQTTX 下载链接：https://packages.emqx.net/MQTTX/v1.9.6/MQTTX-Setup-1.9.6-x64.exe
项目代码链接：hmi-board-eth-monitor
**项目参考教程：**https://docs.qq.com/doc/DY0FIWFVuTEpORlNn?login_t=1705968438854
**开发工具：**RT-Thread Studio/Keil MDK5（固件开发、编译），SquareLine Studio（LVGL UI设计工具）
**Demo代码：**链接：https://pan.baidu.com/s/1XdJvCTmsO8IjTumSQm_R-g 提取码：gxlj

6. 实践环节一：以太网外设的使用

6.1 安装SDK 软件包，瑞萨开发板支持包，DAP调试包

6.2 打开RT-Thread Studio创建新的RT-Thread项目

6.3 选择基于开发板，选择HMI-Board开发板，类型选择模板工程，调试器选择板载DAP调试

6.4 在 RT-Thread Setting 中的Hardware中使能 Ethernet （以太网）外设：

6.5 编译程序和下载

编译成功

下载代码：

6.6 设置共享网络

6.7 烧录好固件后，打开串口终端，可以输入 ifconfig 命令查看是否获取到IP地址。

6.8 获取到IP地址后，可以输入 ping www.baidu.com 测试网络是否可以用。

7. 实践环节二：MQTT 软件包的使用

7.1 MQTT 简介

要理解MQTT协议，首先让我们了解为什么会开发MQTT。在1999年之前，石油和天然气行业面临着从油气管道到SCADA系统的数据交换的大问题。石油和天然气行业，尤其是油井和管道，通常位于非常偏远的地方，要从仪器和RTU获取数据到SCADA系统非常困难。为了获取数据，我们有诸如串行通信、卫星、低带宽无线电波系统等选项。但由于偏远的位置和网络带宽问题，我们无法及时获取数据，即使能获取到，响应也非常糟糕。因此，工程师Andy Stanford-Clerk和Allen Nipper在1999年开发并发明了MQTT，以解决所有这些问题。MQTT是一种适用于低成本、低带宽或不稳定连接的协议。现在，通过MQTT协议，你可以快速有效地从所有偏远地点使用低带宽获取数据。

让我们借助一个简单的日常生活例子来理解MQTT协议。以YouTube为例，YouTube的工作原理与MQTT协议类似。比如说，它自动化学院的YouTube频道，有超过3700万个YouTube频道。因为你订阅了我的YouTube频道，所以每当我发布视频时，你肯定会在YouTube首页上得到更新。你还会看到更多来自你已订阅频道的视频推荐。因此，YouTube是基于发布和订阅机制工作的。我们将通过这个例子来简单理解MQTT概念。MQTT协议或消息队列遥测协议是基于发布和订阅机制工作的。MQTT有一个我们称之为MQTT代理或服务器的东西。MQTT代理是MQTT协议的核心，它负责接收所有消息，过滤这些消息，决定谁对它们感兴趣，然后将这些消息发布给所有订阅的客户端。因此，你现在看到的是我们的MQTT代理或服务器。

让我们理解使用MQTT协议的好处。MQTT协议的美妙之处在于它支持不可靠的网络，它有可靠的消息传递，你可以将这些协议扩展到数百万个设备，并启用安全功能，它轻巧且高效。

7.2 基于实践一的工程，在 RT-Thread Setting 中搜索 Kawaii-mqtt 软件包，并使能mqtt test功能，然后ctrl+s 拉取软件包到工程内：

7.2 将下面代码粘贴覆盖 packages/kawaii-mqtt-latest/test/test.c

#include <stdio.h>
#include <stdint.h>
#include <rtthread.h>
#include <rtdevice.h>
#include <board.h>
#include "mqttclient.h"

static void sub_topic_handle1(void* client, message_data_t* msg)
{
    (void) client;
    KAWAII_MQTT_LOG_I("-----------------------------------------------------------------------------------");
    KAWAII_MQTT_LOG_I("%s:%d %s()...\ntopic: %s\nmessage:%s", __FILE__, __LINE__, __FUNCTION__, msg->topic_name, (char*)msg->message->payload);
    KAWAII_MQTT_LOG_I("-----------------------------------------------------------------------------------");
}

static int mqtt_publish_handle1(mqtt_client_t *client)
{
    mqtt_message_t msg;
    memset(&msg, 0, sizeof(msg));

    msg.qos = QOS0;
    msg.payload = (void *)"this is a kawaii mqtt test ...";

    return mqtt_publish(client, "pub5323", &msg);
}

static char cid[64] = { 0 };
static void kawaii_mqtt_demo(void *parameter)
{
    mqtt_client_t *client = NULL;
    
    rt_thread_delay(6000);
    
    mqtt_log_init();

    client = mqtt_lease();

    rt_snprintf(cid, sizeof(cid), "rtthread-5323", rt_tick_get());

    mqtt_set_host(client, "broker.emqx.io");
    mqtt_set_port(client, "1883");
    mqtt_set_user_name(client, "RT-Thread");
    mqtt_set_password(client, "012345678");
    mqtt_set_client_id(client, cid);
    mqtt_set_clean_session(client, 1);

    KAWAII_MQTT_LOG_I("The ID of the Kawaii client is: %s ",cid);

    mqtt_connect(client);
    
    mqtt_subscribe(client, "sub5323", QOS0, sub_topic_handle1);
    
    while (1) {
        mqtt_publish_handle1(client);
                               
        mqtt_sleep_ms(4 * 1000);
    }
}

int ka_mqtt(void)
{
    rt_thread_t tid_mqtt;

    tid_mqtt = rt_thread_create("kawaii_demo", kawaii_mqtt_demo, RT_NULL, 2048, 17, 10);
    if (tid_mqtt == RT_NULL) {
        return -RT_ERROR;
    }

    rt_thread_startup(tid_mqtt);

    return RT_EOK;
}
MSH_CMD_EXPORT(ka_mqtt, Kawaii MQTT client test program);

7.3 编译，烧录固件到开发板中，使用 ifconfig 命令查看是否获取到IP地址：

7.4 输入 ka_mqtt 命令，等待连接MQTT服务器成功：

7.5 上位机软件配置：安装MQTTX-Setup-1.9.6-x64.exe 软件，新建配置，按下图进行配置

**注意：**订阅和发布的topic需要和开发板上的topic保持一致（sub/pub+手机号后四位）

7.6 更改test.c中的mqtt_subscribe()中的命名，和客户端保持一致

7.7 在MQTT中向订阅的topic发送信息

{
    "temp": 23,
    "humi": 20,
    "lux": 120
}

7.8 使用MQTT工具向开发板订阅的Topic发送数据：

开发板串口终端接收到此消息，并打印：

8. 实践环节三：LVGL 以太网数据监视器

8.1 LVGL介绍

LVGL在2016年左右诞生了。它最初是作为一个简单的GUI库开始的，目标是提供轻量级、易于使用的界面解决方案。随着时间的推移，LVGL逐渐发展成为一个功能丰富、高度可定制的图形库，支持各种显示和输入设备，变得越来越流行。

优点:

轻量级: 正如其名，LVGL非常适合资源有限的嵌入式系统。
易于使用: 它提供了丰富的控件和简单的API，让开发者容易上手。
高度可定制: 你可以根据自己的需求定制各种界面。
跨平台兼容: 支持多种操作系统和硬件平台，非常灵活。

8.2 使用Demo代码导入到RT Thread中

1、打开RT-Thread Studio 选择导入：

8.3 点击编译按钮，等待编译完成，下载

8.4 当程序下载到开发板中，LVGL设计的UI界面显示在下面的图中，按下属的操作即可通过MQTT发送相应的信息到开发板中

9. 实践环节四：使用Squareline Studio开发UI

Squareline Studio是一个专门为嵌入式设备设计的用户界面开发工具。它旨在简化嵌入式UI的设计和开发流程。如果你是一名嵌入式开发新手，那么使用Squareline Studio来开发UI就像是找到了一把开启嵌入式界面大门的钥匙。下面是一些关于使用Squareline Studio的要点：

直观的图形设计界面：
Squareline Studio提供了一个直观易用的图形界面，你可以通过拖放组件来设计UI，就像是在玩拼图一样简单有趣。
组件丰富：
它拥有丰富的UI组件，比如按钮、滑块、文本框等，这就像是你的设计工具箱，里面应有尽有。
预览功能：
Squareline Studio支持实时预览功能，你可以即时看到UI更改的效果。这就像是拥有了一个“魔镜”，让你立刻看到变化。
代码生成：
设计完成后，Squareline Studio可以自动生成C代码，这就省去了手动编写代码的麻烦，对于新手来说，这无疑是一大利好。
自定义样式：
它允许你自定义组件的样式，包括颜色、字体等，这让你的界面不仅功能强大，而且美观大方。
跨平台兼容：
Squareline Studio生成的代码可以在多种平台上运行，无论是ARM、x86还是其他，这就像是通用的“翻译器”，让你的UI在不同的设备上都能“说同一种语言”。
易于学习：
对于新手来说，Squareline Studio相对易于学习和上手。它的用户界面直观，功能划分清晰，就像是有了一位耐心的老师，指导你一步步完成设计。

使用Squareline Studio开发UI，对于嵌入式开发新手来说，是一个既省时又高效的选择。它不仅让UI设计变得简单，而且通过自动生成代码，大大降低了开发的复杂度。简而言之，Squareline Studio就像是嵌入式UI设计的“魔法棒”，让原本复杂的过程变得简单有趣！

**实践指导可以参考：**https://docs.qq.com/doc/DY0FIWFVuTEpORlNn?login_t=1705968438854

下图是我在培训时自己的做的UI界面，做好的样式可以直接下载到开发板上面

10. 总结

通过上述的动手编程，体会到RT-Thread作为一个开源实时操作系统，在物联网、MQTT、以太网以及LVGL这些领域的表现可以说是既专业又用户友好。

物联网方面：
集成度高：RT-Thread提供了完整的物联网协议栈支持，包括但不限于M2M、CoAP等。这些协议已经被集成在RT-Thread中，对于新手来说，这意味着可以直接使用，而不需要从头开始开发。
文档和社区支持：RT-Thread有着详尽的文档和活跃的社区支持，对于遇到问题的新手来说，这是学习和解决问题的宝贵资源。
MQTT方面：
简单的客户端实现：RT-Thread内置了MQTT客户端实现，对于初学者而言，这降低了实现MQTT通信的复杂度。通过简单的API调用，新手可以快速搭建起MQTT通信。
示例和教程：RT-Thread提供了MQTT使用的示例和教程，这对于刚接触MQTT的新手非常有帮助，可以快速理解并上手。
以太网方面：
驱动和网络栈支持：RT-Thread为常用的以太网芯片提供了驱动支持，并且集成了LwIP网络栈，这让新手能够更容易地实现以太网通信。
配置简便：通过RT-Thread的图形化配置工具，新手可以很容易地完成以太网相关的设置，无需深入了解复杂的网络配置。
LVGL图形库方面：
高度集成：RT-Thread对LVGL图形库有很好的支持和集成。LVGL是一个轻量级的图形库，非常适合用在资源有限的嵌入式设备上。
易于使用的API：LVGL提供了易于理解和使用的API，对于新手来说，这意味着可以更快地开发出漂亮的用户界面。
丰富的文档和例程：LVGL有着详尽的文档和丰富的示例，这对于初学者来说非常重要，可以帮助他们快速上手和理解图形界面的开发。

总体来说，RT-Thread在物联网、MQTT、以太网和LVGL图形库方面对新手非常友好。它通过提供集成的解决方案、丰富的文档、社区支持以及简单易用的API，大大降低了新手入门的门槛。对于刚入门的嵌入式开发者来说，使用RT-Thread就像是有了一个全面且易懂的导师，让整个学习过程变得更加轻松和愉快。