本帖最后由 51xlf 于 2023-1-5 15:03 编辑
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该系统使用CH32V307和模块GPS北斗双模定位ATGM336H，通过MQTT协议将定位等相关的数据发给到服务器，并根据前端设备规划监控围栏判断设备是否闯入，并通知相关管理人员，推送相关告警到终端设备，设备接收到命令的时候，对车辆设备进行告警提示，该系统能够为用户提供全面的机场场面活动态势显示；对机场场面活动态势进行自动监控和告警，为系统用户提供告警提示。设备自带有温湿度、MPU6050等设备，可以实现实时监视场面温湿度数据和场面设备的加速度等相关，为场面是否存在结冰条件和事故调查提供依据。设备还预留了CH9141与其他终端设备进行交互。
硬件电路1、整体设计
2、实物图
终端设备
服务器前端
3 硬件电路分析
3.1 单片机
单片机采用CH32V307VCT6的芯片，CH32V307系列是基于32位RISC-V设计的互联型微控制器，配备了硬件堆栈区、快速中断入口，在标准RISC-V基础上大大提高了中断响应速度。最高 144MHz 系统主频/支持单周期乘法和硬件除法，支持硬件浮点运算 ( FPU )/64 KB SRAM，256 KB Flash/供电电压：2.5/3.3 V，GPIO 单元独立供电/多种低功耗模式：睡眠、停止、待机/上/下电复位、可编程电压检测器/2 组 18 路通用 DMA/4 组运放比较器/1 个随机数发生器 TRNG/2 组 12 位 DAC 转换/2 单元 16 通道 12 位 ADC 转换，16 路触摸按键 TouchKey/10 组定时器/USB2.0 全速 OTG 接口/USB2.0 高速主机/设备接口（ 480 Mbps 内置 PHY ）/3 个 USART 接口和 5 个 UART 接口/2 个 CAN 接口（ 2.0B 主动）/SDIO 接口、FSM C接口、DVP 数字图像接口
3.1 GPS北斗双模定位ATGM336H
ATGM336H-5N系列模块是小尺寸的高性能BDS/GNSS全星座定位 导航模块系列的总称。该系列模块产品都是基于中科微第四代低功耗GNSS SOC单芯片—AT6558，支持多种卫星导航，包括中国的BDS（北斗卫星 导航），美国的GPS，俄罗斯的GLONASS，欧盟的GALILEO，日本的QZSS 以及卫星增强SBAS（WAAS，EGNOS，GAGAN，MSAS）。AT6558 是一 款真正意义的六合一多模卫星导航定位芯片，包含32 个跟踪通道，可以同时接 收六个卫星导航的GNSS 信号，并且实现联合定位、导航与授时。 ATGM336H-5N本系列模块具有高灵敏度、低功耗、低成本等优势。
3.2 传感器 MPU6050和AHT10
AHT10 是一款高精度，完全校准，贴片封装的温湿度传感器。AHT10 通信方式采用标准 IIC 通信方式，支持较宽的工作电源电压范围，温湿度传感器均在高精度的恒温恒湿腔室中进行出厂校准，直接输出经温度补偿后的湿度、温度等信息，用户无需要对湿度进行温度补偿，便可得到准确的温湿度信息。
mpu6050一般指MPU-6050。 MPU-6000（6050）为全球首例整合性6轴运动处理组件，相较于多组件方案，免除了组合陀螺仪与加速器时间轴之差的问题，减少了大量的封装空间。
3.3 LCD 显示模块
ST7789是直接可以驱动LCD的原始接口，ST7789V2是一个单芯片TFT-LCD驱动器。该芯片可以直接连接到外部MCU，支持并行8080系列的8位/9位/16位/18位接口，也支持SPI串行通讯接口。 显示数据可以存储在240x320x18bits的片上显示数据RAM中。 在本设计中使用的FSMC接口对单片机进行驱动设计。
3.4 通信模块
这里的通信模块包括ESP8266和CH9131两个部分。
ESP8266是一款高性能的WIFI串口模块,内部集成MCU能实现单片机之间串口通信,是目前使用最广泛的一种WIFI模块之一。
CH9141内部集成了BLE协议栈，无需编程，即可轻松实现串口和蓝牙数据包的双向透明传输，借助CH9141蓝牙串口转换模块，客户可以快速实现串口设备的蓝牙无线通信，大大降低串口设备扩展蓝牙接口难度并缩短蓝牙产品开发周期。
4、 软件设计
4.1 总体流程图
4.2 主程序设计
主要的程序包括LCD 、GPS、MPU6050、ESP8266、AHT11的系统初始化，以及各种数据的读取。
通信使用MQTT通信协议，将数据发送到服务端，并接受服务器发送过来的 告警指令。
初始了CH9141模块，将数据发送到其他终端，实现与其他终端设备的交互。int main(void) {
char s_Str[256];
float temperature, humidity;
u32 last_time0 = 0;
u32 last_time1 = 0;
short aacx, aacy, aacz; //加速度原始数据
short gyrox, gyroy, gyroz; //陀螺仪原始数据
short temp; //温度
NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);
Delay_Init();
USART_Printf_Init(115200);
lcd_init();
lcd_set_color(WHITE, GREEN);
lcd_set_color(BLACK, WHITE);
uart6_init(115200); //ESP8266
TIM2_Init(144, 1000);
AHT10_Init(); //初始化AHT10
LED_GPIO_Init();
USART4_CFG();
DMA_INIT();
USARTx_CFG(); /* USART INIT */
USART_DMACmd(UART7, USART_DMAReq_Tx | USART_DMAReq_Rx, ENABLE);
GPIO_CFG();
GPIO_WriteBit(GPIOA, GPIO_Pin_7, RESET); //进入 AT
GPIO_WriteBit(GPIOC, GPIO_Pin_13, SET); //enable CH9141
Delay_Ms(1000);
GPIO_WriteBit(GPIOA, GPIO_Pin_7, SET); // 退出AT。可用手机或电脑连接CH9141,测试数据收发
while (SD_Init()) {
printf("SD Card Error!\r\n");
}
show_sdcard_info();
test_SD();
BMP_ShowPicture("test.bmp");
AliIoT_Parameter_Init();
init_ESP8266();
u8 led_cnt = 0;
while (1) {
if (get_tDiff(last_time0) > 5000) {
last_time0 = timer_cnt;
temperature = AHT10_Read_Temperature();
humidity = AHT10_Read_Humidity();
temp = MPU_Get_Temperature(); //获得温度
MPU_Get_Accelerometer( & aacx, & aacy, & aacz); //获得加速度原始数据
MPU_Get_Gyroscope( & gyrox, & gyroy, & gyroz); //获得陀螺仪原始数据
lcd_set_color(BLACK, GREEN);
lcd_show_string(10, 222, 16, "Temp:%2d'C", (int)(temperature));
lcd_show_string(120, 222, 16, "Humi:%2d %%", (int)(humidity));
if (Connnect_flag == 1) {
sprintf(s_Str, "{\"id\":\"No.1\",\"temp\":%0.1f,\"Humidity\":%0.1f,\"Longitude\":%0.6f,\"Latitude\":%0.6f}",
temperature, humidity, now_lon, now_lat);
MQTT_PublishData("/property/post", s_Str, 0);
}
sprintf(s_Str, "{\"t\":%d,\"h\":%d},\"Longitude\":%0.6f,\"Latitude\":%0.6f\r\n", (int)(temperature), (int)(humidity), now_lon, now_lat);
while (uartWriteBLEstr(s_Str) == RESET);
}
if (get_tDiff(last_time1) > 500) {
last_time1 = timer_cnt;
if (led_cnt > 0) {
if (led_cnt % 2 == 0) {
GPIO_ResetBits(GPIOE, GPIO_Pin_11);
GPIO_ResetBits(GPIOE, GPIO_Pin_12);
} else {
GPIO_SetBits(GPIOE, GPIO_Pin_11);
GPIO_SetBits(GPIOE, GPIO_Pin_12);
}
led_cnt--;
}
}
if (USART6_RX_OK == 1) {
USART6_RX_OK = 0;
USART6_RX_STA = 0;
if (strstr(usart6_rxbuf + 4, "\"state\":1"))
led_cnt = 10;
memset(usart6_rxbuf, 0, USART6_MAX);
}
if (GPS_RX_OK) {
GPS_RX_OK = 0;
GPS_RX_STA = 0;
GPS_Analysis( & gpsx, (u8 * ) GPS_RX_BUF); //分析字符串
now_lon=(float)gpsx.longitude/100000;
now_lat=(float)gpsx.latitude/100000;
memset(GPS_RX_BUF, 0, sizeof(GPS_RX_BUF));
printf("Lon:%f ", (float) gpsx.longitude / 100000);
printf("Lat:%f \r\n ", (float) gpsx.latitude / 100000);
}
}
}
4.3 网络通信
这里使用的ESP8266实现的 MQTT通信协议，使用的是AT指令。
MQTT(Message Queuing Telemetry Transport) 消息队列遥测传输协议，是一个基于客户端-服务器的消息发布/订阅传输协议。
主要的概念有5个：
Broker 代理：MQTT 服务器
Publish 发布者：客户端
Subscribe 订阅者：客户端，可订阅多个 topic
Topic 主题：消息的类型，订阅主题之后就可以收到该 topic 的消息内容即 payload
Payload 消息内容：具体的内容
全球下载量超千万的开源物联网 MQTT 服务器，高效可靠连接海量物联网设备，高性能实时处理消息与事件流数据，可运行在公有云、私有云和混合云上。EMQ X (Erlang/Enterprise/Elastic MQTT Broker) 是基于 Erlang/OTP 平台开发的开源物联网 MQTT 消息服务器。Erlang/OTP 是出色的软实时(Soft-Realtime)、低延时(Low-Latency)、分布式(Distributed) 的语言平台。MQTT 是轻量的(Lightweight)、发布订阅模式(PubSub) 的物联网消息协议。
访问 emqx.io (opens new window)或 Github (opens new window)下载要安装的 EMQX 的 tar.gz 包。
解压程序包
tar -zxf emqx-full-package-name.tar.gz
Copied!
启动 EMQX Broker
cd ./emqx
./bin/emqx start
./bin/emqx_ctl status
ESP8266要实现的功能为，具体功能见代码。
extern void ESP8266_ATSendBuf(uint8_t* buf,uint16_t len); //向ESP8266发送指定长度数据
extern void ESP8266_ATSendString(char* str); //向ESP8266模块发送字符串
extern void ESP8266_ExitUnvarnishedTrans(void); //ESP8266退出透传模式
extern uint8_t ESP8266_ConnectAP(char* ssid,char* pswd); //ESP8266连接热点
extern uint8_t ESP8266_ConnectServer(char* mode,char* ip,uint16_t port); //使用指定协议(TCP/UDP)连接到服务器
extern void Reset_ESP8266_RxBuffer(void);
extern uint8_t Sent2Client(char *context);
extern uint8_t ESP8266_Status(void);
uint8_t DisconnectServer(void);
这里使用定时器判断一帧数据是否接收完成。
配置串口3波特率为9600，并启动中断接收数据。
void USART3_IRQHandler(void) __attribute__((interrupt("WCH-Interrupt-fast")));
void USART3_IRQHandler(void)
{
u8 uartR=0;
uartR= USART_ReceiveData(USART3);
flag_rx1=1;
rx_cnt1=0;
if(GPS_RX_STA<GPS_MAX_RECV_LEN) //还可以接收数据
{
GPS_RX_BUF[GPS_RX_STA++]=uartR; //记录接收到的值
} else
{
GPS_RX_OK=1; //强制标记接收完成
}
USART_ClearFlag(USART3, USART_IT_RXNE); //清除标志位；
}
}
void TIM2_IRQHandler(void) __attribute__((interrupt("WCH-Interrupt-fast")));
void TIM2_IRQHandler(void)
{
if(TIM_GetITStatus(TIM2, TIM_IT_Update) != RESET) //检查TIM2中断是否发生。
{
TIM_ClearITPendingBit(TIM2,TIM_IT_Update); //清除TIM2的中断挂起位。
timer_cnt++;
if(flag_rx1>0)//说明在收数据
{
rx_cnt1++;
if(rx_cnt1>20)
{
flag_rx1=0;
rx_cnt1=0;
GPS_RX_OK=1; //强制标记接收完成
}
}
}
}
//分析GPRMC信息
//gpsx:nmea信息结构体
//buf:接收到的GPS数据缓冲区首地址
void NMEA_GPRMC_Analysis(nmea_msg *gpsx,u8 *buf)
{
u8 *p1,dx;
u8 posx;
u32 temp;
float rs;
p1=(u8*)strstr((const char *)buf,"GNRMC");//"$GPRMC",经常有&和GPRMC分开的情况,故只判断GPRMC.
posx=NMEA_Comma_Pos(p1,1); //得到UTC时间
if(posx!=0XFF)
{
temp=NMEA_Str2num(p1+posx,&dx)/NMEA_Pow(10,dx); //得到UTC时间,去掉ms
gpsx->utc.hour=temp/10000;
gpsx->utc.min=(temp/100)%100;
gpsx->utc.sec=temp%100;
}
posx=NMEA_Comma_Pos(p1,3); //得到纬度
if(posx!=0XFF)
{
temp=NMEA_Str2num(p1+posx,&dx);
gpsx->latitude=temp/NMEA_Pow(10,dx+2); //得到°
rs=temp%NMEA_Pow(10,dx+2); //得到'
gpsx->latitude=gpsx->latitude*NMEA_Pow(10,5)+(rs*NMEA_Pow(10,5-dx))/60;//转换为°
}
posx=NMEA_Comma_Pos(p1,4); //南纬还是北纬
if(posx!=0XFF)gpsx->nshemi=*(p1+posx);
posx=NMEA_Comma_Pos(p1,5); //得到经度
if(posx!=0XFF)
{
temp=NMEA_Str2num(p1+posx,&dx);
gpsx->longitude=temp/NMEA_Pow(10,dx+2); //得到°
rs=temp%NMEA_Pow(10,dx+2); //得到'
gpsx->longitude=gpsx->longitude*NMEA_Pow(10,5)+(rs*NMEA_Pow(10,5-dx))/60;//转换为°
}
posx=NMEA_Comma_Pos(p1,6); //东经还是西经
if(posx!=0XFF)gpsx->ewhemi=*(p1+posx);
posx=NMEA_Comma_Pos(p1,9); //得到UTC日期
if(posx!=0XFF)
{
temp=NMEA_Str2num(p1+posx,&dx); //得到UTC日期
gpsx->utc.date=temp/10000;
gpsx->utc.month=(temp/100)%100;
gpsx->utc.year=2000+temp%100;
}
}
这里设置的平均5s读取一次数据
if(get_tDiff(last_time0)>5000){
last_time0=timer_cnt;
temperature = AHT10_Read_Temperature();
humidity = AHT10_Read_Humidity();
temp=MPU_Get_Temperature(); //获得温度
MPU_Get_Accelerometer(&aacx,&aacy,&aacz); //获得加速度原始数据
MPU_Get_Gyroscope(&gyrox,&gyroy,&gyroz); //获得陀螺仪原始数据
lcd_set_color(BLACK,GREEN);
lcd_show_string(10, 222, 16, "Temp:%2d'C", (int)(temperature));
lcd_show_string(120, 222, 16,"Humi:%2d %%", (int)(humidity));
}
使用SD卡内部的图片加载地图并实现。参考正点原子的样式。
void BMP_ShowPicture(uint8_t *dir)
{
FRESULT res;
FIL fsrc;
UINT br;
uint8_t rgb;
BMP_HeaderTypeDef bmpHeader;
uint16_t a, x, y, color=0, width, xCount;
float xRatio, yRatio;
printf("pictest.bmp\r\n");
/* 将屏幕刷黑色 */
lcd_clear(BLACK);
/* 打开要读取的文件 */
res = f_open(&fsrc, (const TCHAR*)"test.bmp", FA_READ);
if(res == FR_OK) //打开成功
{
/* 读取BMP文件的文件信息 */
res = f_read(&fsrc, buffer, sizeof(buffer), &br);
printf("f_read res :%d\r\n",res);
/* 将数组里面的数据放入到结构数组中，并排序好 */
BMP_ReadHeader(buffer, &bmpHeader);
/* 判断图片的大小超过TFT的大小的话，进行缩小 */
if(((LCD_W) < bmpHeader.infoHeader.biWidth) ||
((LCD_H-20) < bmpHeader.infoHeader.biHeight))
{
/* 求出缩小比例 */
xRatio = (float)(LCD_W) / (float)bmpHeader.infoHeader.biWidth;
yRatio = (float)(LCD_H-20) / (float)bmpHeader.infoHeader.biHeight;
/* 如果只有一边超出TFT屏的大小的话，不超出部分不进行缩小 */
if(xRatio > 1)
{
xRatio = 1;
}
if(yRatio > 1)
{
yRatio = 1;
}
}
else //如果图片大小小于TFT屏
{
xRatio = 1;
yRatio = 1;
}
/* BMP图片的宽像素数据必须是4的倍数，如果不是那么将其补齐 */
/* 所以这里是判断BMP图片的横坐标跳转数据。 */
if(bmpHeader.infoHeader.biWidth % 4)
{
width = bmpHeader.infoHeader.biWidth * 3 / 4;
width += 1;
width *= 4;
}
else
{
width = bmpHeader.infoHeader.biWidth * 3;
}
/* 初始化应用的值 */
x = 0;
y = 0;
rgb = 0;
xCount = 0;
a = bmpHeader.fileHeader.bfOffBits; //去掉文件信息才开始是像素数据
while(1)
{
/* SD卡读取一次数据的长度 */
while(a < 1024)
{
/* 将读取到的24位色转换为16位色 */
switch (rgb)
{
case 0:
color = buffer[a] >> 3; //B
break ;
case 1:
color += ((uint16_t)buffer[a] << 3) & 0X07E0;//G
break;
case 2 :
color += ((uint16_t)buffer[a] << 8) & 0XF800;//R
break ;
default:
break;
}
a++;
rgb++;
/* 如果读取完一个像素点，就写到TFT屏上面 */
if(rgb == 3)
{
/* 设置要写入的点 */
lcd_address_set((u16)((float)x * xRatio + 0.5), LCD_H-20-(u16)((float)y * yRatio + 0.5),
(u16)((float)x * xRatio + 0.5), LCD_H-20-(u16)((float)y * yRatio + 0.5));
//LCD_WriteData_Color(color);
lcd_write_data(color >> 8);
lcd_write_data(color&0xff);
rgb =0;
x++; //X坐标+1
}
/* 计数一共读取了多少像素值 */
xCount++;
if(xCount >= width) //如果等于一行的像素了，那么换行显示
{
xCount = 0;
x = 0;
y++;
}
}
/* 继续读取图片数据 */
res = f_read(&fsrc, buffer, sizeof(buffer), &br);
a = 0;
/* 判断手否读取完结，若完结跳出循环 */
if (res || br < sizeof(buffer))
{
break; // error or eof
}
}
}
f_close(&fsrc); //不论是打开，还是新建文件，一定记得关闭
}
/*******************************************************************************
* Function Name : uartWriteBLE
* Description : send data to BLE via UART7 向蓝牙模组发送数据
* Input : char * data data to send 要发送的数据的首地址
* uint16_t num number of data 数据长度
* Return : RESET UART7 busy,failed to send 发送失败
* SET send success 发送成功
*******************************************************************************/
FlagStatus uartWriteBLE(char * data , uint16_t num)
{
//如上次发送未完成，返回
if(DMA_GetCurrDataCounter(DMA2_Channel8) != 0){
return RESET;
}
DMA_ClearFlag(DMA2_FLAG_TC8);
DMA_Cmd(DMA2_Channel8, DISABLE ); // 关 DMA 后操作
DMA2_Channel8->MADDR = (uint32_t)data; // 发送缓冲区为 data
DMA_SetCurrDataCounter(DMA2_Channel8,num); // 设置缓冲区长度
DMA_Cmd(DMA2_Channel8, ENABLE); // 开 DMA
return SET;
}
/*******************************************************************************
* Function Name : uartWriteBLEstr
* Description : send string to BLE via UART7 向蓝牙模组发送字符串
* Input : char * str string to send
* Return : RESET UART7 busy,failed to send 发送失败
* SET send success 发送成功
*******************************************************************************/
FlagStatus uartWriteBLEstr(char * str)
{
uint16_t num = 0;
while(str[num])num++; // 计算字符串长度
return uartWriteBLE(str,num);
}
加载百度地图引入paho-mqtt。参考文档地址: https://www.eclipse.org/paho/files/jsdoc/Paho.MQTT.Client.html
JavaScript应用程序使用Paho.MQTT与服务器通信。客户端对象。
大多数应用程序只创建一个Client对象，然后调用其connect（）方法，但是如果需要，应用程序可以创建多个Client对象。在这种情况下，每个客户端对象的主机、端口和clientId属性的组合必须不同。
发送、订阅和取消订阅方法被实现为异步JavaScript方法（即使底层协议交换本质上可能是同步的）。这意味着它们通过调用应用程序（通过应用程序提供的有关方法的成功或失败回调函数）来发出完成的信号。这种回调在每个方法调用中最多调用一次，并且不会持续到调用脚本的生命周期之外。
相比之下，Paho.MQTT上定义了一些回调函数，尤其是onMessageArrived。客户端对象。这些方法可能会被多次调用，并且与客户端进行的特定方法调用没有直接关系。
<script src="https://cdn.bootcss.com/paho-mqtt/1.0.2/mqttws31.min.js" type="text/javascript"></script>
<script src="http://ajax.aspnetcdn.com/ajax/jquery/jquery-1.9.0.min.js"></script>
<script type="text/javascript" src="http://api.map.baidu.com/api?v=2.0&ak=5E5EE28a7615536d1ffe2ce2a3667859"></script>
<!--加载鼠标绘制工具-->
<script type="text/javascript" src="http://api.map.baidu.com/library/DrawingManager/1.4/src/DrawingManager_min.js"></script>
<link rel="stylesheet" />
<!--加载检索信息窗口-->
<script type="text/javascript" src="http://api.map.baidu.com/library/SearchInfoWindow/1.4/src/SearchInfoWindow_min.js"></script>
<link rel="stylesheet" />
<script type="text/javascript" src="http://api.map.baidu.com/library/GeoUtils/1.2/src/GeoUtils_min.js"></script>
在百度地图中加载设备标记。
var point = new BMap.Point(lon, lat);
var marker = new BMap.Marker(point);
marker.addEventListener("click",
function(e) {
geoc.getLocation(e.point,
function(rs) {
var status;
var content = '<div>'+ '<p>' + '<b>温度:</b>' + temp + '</p>' + '<p>' + '<b>湿度:</b>' +humi + '</p>' + '</div>';//创建信息窗口
var opts = {
width: 80,// 信息窗口宽度
height: 150,// 信息窗口高度
title: '<h4 style="color: #00a65a"><strong>场面设备'+id+'监控</strong></h4>',// 信息窗口标题
}
var infoWindow = new BMap.InfoWindow(content, opts);
// 创建信息窗口对象
map.openInfoWindow(infoWindow, e.point);
// 打开信息窗口
}
);
}
);
planeMarkers[1] = marker;
map.addOverlay(marker);
for(var i = 0; i < overlays.length; i++){
if(BMapLib.GeoUtils.isPointInPolygon(point, overlays[i])) {
inrange++;
}else{
}
}
client.send("/sys/property/set", payload='{ "state":1}', qos=0);
5. 最终的显示效果
演示视频
https://www.bilibili.com/video/BV1y44y1Z7uY/?share_source=copy_web
|
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