【Nordic nRF7002开发板试用体验】微信蓝牙联网+MQTT控制

只看该作者 · 2023-9-25 23:50

本帖最后由 HonestQiao 于 2023-9-26 00:12 编辑

nRF7002DK开发板综合评测：微信蓝牙联网+MQTT控制

作者：乔楚|HonestQiao
日期：2023-09-24

一、前言

Nordic(北欧)半导体出的nRF7002-DK是一款相当不错的开发板，官方提供了基于Zephyr RTOS的nRF Connect SDK。

经过学习，发现nRF Connect SDK中，包含了蓝牙、蜂窝网络、加成、边缘计算、多核、网络、NFC、无线网络等17个分类180多个实例，每个实例包含源码以及详细的说明，可以让开发者快速了解各项功能的具体开发，真的是一个大宝库。

localfile://path?assets/16932438396589.jpg

另外，nRF Connect SDK基于Zephyr，而Zephyr本身也提供21个大类了400多个实例：

localfile://path?assets/16955503410208.jpg

通过对这些实例的研究学习，对于nRF7002-DK的各项功能的基本应用，有了快速的了解和入手。

二、测试计划

基础功能评测：
- WiFi连接测试
- TCP/UDP客户端和服务端测试
微信一键配网：
- 启动nRF7002-DK进入无线配网模式
- 手机微信扫码进入配网小程序
- 通过小程序，给nRF7002-DK提供网络连接配置信息
- nRF7002-DK通过小程序提供的配置信息，进行联网
MQTT远程控制：
- 在微信一键配网的基础上，nRF7002-DK通过WiFi网络连接MQTT服务器
- nRF7002-DK通过MQTT服务，发布板载LED状态的信息
- 手机App设计图形化控制界面，通过MQTT服务，发布控制指令，控制板载LED的亮度
- nRF7002-DK根据控制指令，控制板载LED

三、环境搭建

为了快速开展学习和研究，我使用了基于Docker的开发环境，基本操作步骤如下：

复制

# 1. 环境参数设置

echo 'export PATH=~/.local/bin:"$PATH"' >> ~/.bashrc

echo 'export sdk_nrf_revision=v2.4.1' >> ~/.bashrc

echo 'export docker_nrf_revision=v2.4-branch' >> ~/.bashrc

source ~/.bashrc



# 2. 源码下载：

# 建立工作目录

mkdir workdir && cd workdir



# 安装west

pip3 install --user west

west --version

# 此时应正确显示版本号



# 下载完整库，需下载 3G 以上大小数据

west init -m https://github.com/nrfconnect/sdk-nrf --mr $sdk_nrf_revision

west update



# 3. docker编译，省去环境构建步骤【难度：⭐️⭐️】

# 预拉取镜像【执行一次即可】

docker pull nordicplayground/nrfconnect-sdk:$docker_nrf_revision



# 4. 编译烧录测试

# 编译点灯源码：zephyr/samples/basic/blinky

docker run -it --rm \

-v ${PWD}:/workdir/project nordicplayground/nrfconnect-sdk:$docker_nrf_revision \

west build -b nrf7002dk_nrf5340_cpuapp zephyr/samples/basic/blinky



# 编译最终结果：

[168/168] Linking C executable zephyr/zephyr.elf

Memory region         Used Size  Region Size  %age Used

           FLASH:       23676 B         1 MB      2.26%

             RAM:        6256 B       448 KB      1.36%

        IDT_LIST:          0 GB         2 KB      0.00%



# 烧录工具使用nrfjprog

nrfjprog --verify --program ./build/zephyr/zephyr.hex –-chiperase -r

烧录成功后，开发板上额LED，就会欢快的闪动起来了。

四、基础功能评测
4.1 WiFi测试

nRF7002-DK作为一款支持2.4G和5G的开发板，环境调通了，上手第一件事情，就是测试WiFi连接。

在 nrf/samples/wifi/sta 目录中，就提供了一个用于测试的实例。

在使用该实例前，需要先进行SSID的配置，打开其中的项目配置文件prj.conf，修改如下的部分：

复制

# file: nrf/samples/wifi/sta/prj.conf

# Below configs need to be modified based on security

# CONFIG_STA_KEY_MGMT_NONE=y

CONFIG_STA_KEY_MGMT_WPA2=y

# CONFIG_STA_KEY_MGMT_WPA2_256=y

# CONFIG_STA_KEY_MGMT_WPA3=y

CONFIG_STA_SAMPLE_SSID="WiFi名称"

CONFIG_STA_SAMPLE_PASSWORD="WiFi密码"

具体修改：

CONFIG_STA_KEY_MGMT_WPA2：WiFi连接认证方式
CONFIG_STA_SAMPLE_SSID: WiFi的SSID
CONFIG_STA_SAMPLE_PASSWORD: WiFi的密码

也可以使用 west build -b menuconfig 在配置界面进行修改。

修改完成后，基于以上的docker编译环境，使用如下的命令进行编译：

复制

docker run -it --rm \

-v ${PWD}:/workdir/project nordicplayground/nrfconnect-sdk:$docker_nrf_revision \

west build -b nrf7002dk_nrf5340_cpuapp nrf/samples/wifi/sta

将生成的固件 build/zephyr/zephyr.hex 烧录到开发板以后，开发板重新启动，然后输出如下：

localfile://path?assets/16955520325683.jpg

片刻之后，成功连接到设置的无线网络：

localfile://path?assets/16955520720641.jpg

在无线路由器的管理界面，也可以看到新的设备连接信息：

localfile://path?assets/16955522956411.jpg

在 nrf/samples/wifi/sta 实例中，默认使用的是2.4G的无线网络连接，如果要连接到5G无线网络，则需要进一步做如下的修改：

项目配置文件修改：

复制

# file: nrf/samples/wifi/sta/prj.conf



CONFIG_STA_SAMPLE_SSID="此处应为支持5G网络的WiFi名称"

源码文件添加配置：

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# file: nrf/samples/wifi/sta/src/main.c



        params->channel = WIFI_CHANNEL_ANY;



    # 此处根据连接到的WiFi，添加对应的网络连接频率设置

        // params->band = WIFI_FREQ_BAND_2_4_GHZ;

        params->band = WIFI_FREQ_BAND_5_GHZ;



        /* MFP (optional) */

        params->mfp = WIFI_MFP_OPTIONAL;

在上述代码中，params->band 就表示要连接2.4G还是5G。

修改设置完成以后，重新编译烧录，开发板重启后，最终就会连接到5G网络了：

localfile://path?assets/16955526599576.jpg

4.2 TCP/UDP客户端和服务端测试

在zephyr/samples/net/socket中，提供了 tcp、udp等多种测试的实例，简单配置即可运行，所以这里就不详细写了，重点放在第二部分和第三部分的评测中。

TCP/UDP客户端测试：zephyr/samples/net/socket/echo_client，其中包含了开发板作为tcp和udp连接到服务端进行数据读取读写的演示
TCP/UDP服务端测试：zephyr/samples/net/socket/echo_server，其中包含了开发板作为tcp和udp服务端，启动服务供其他客户端连接进行数据读取读写的演示

其他还有coap、http、websocket等的演示，感兴趣的同学，可以仔细研究。

五、微信一键配网

要实现微信一键配网，需要以下的条件：

专用的微信小程序，用于连接到开发，然后进行配网信息的发送
开发板上，运行蓝牙服务，切提供数据写入的权限；一旦受到了正确的配置信息，则自动进行WiFi的连接。

WiFi连接的部分，在 WiFi连接测试中已经进行。

经过研究提供的实例和阅读资料，数据写入的部分，参考 nrf/samples/bluetooth/peripheral_uart 来实现。

5.1 NUS服务

peripheral_uart 这个实例，使用了 Nordic UART Service (NUS) 服务，通过低功耗 Bluetooth® LE的GATT，来提供蓝牙串口服务。

需要注意的是，BLE默认限制数据传输长度为20个字节，因为ATT的默认MTU为23个bytes，除去ATT的opcode一个字节以及ATT的handle 2个字节之后，剩下的20个字节便是留给GATT的了。可以通过对外提供接口，在连接后，修改这个值的大小。

5.2 配置信息规定

为了方便微信小程序发送配网信息到NUS服务，提前做了如下的规定：

发送SSID信息：ssid:SSID名称
发送passwd信息：passwd:密码
发送type信息：type:连接类型，0表示2.4G网络，1表示5G网络
发送action信息：action:connect，表示启动无线联网

根据上面的规划，微信小程序使用蓝牙连接到开发板以后，将依次发送上面的信息给开发板，开发板接收到action切为connect后，就会使用接收到的信息，进行无线联网。

5.3 配置数据存储

在代码中，添加了一个变量，用于存储配置信息：

复制

typedef struct {

    char ssid[21];  // 定义一个长度为20的字符数组用于存储ssid

    char passwd[21];  // 定义一个长度为20的字符数组用于存储passwd

        int type;                //  定义一个int用于存2.4/5G

} wifi_config_t;  // 定义一个结构体类型，名为wifi_config_t



wifi_config_t wifi_config;

在代码中，在 main 函数石，启动 NUS 服务：

复制

 err = bt_nus_init(&nus_cb);

        if (err) {

                LOG_ERR("Failed to initialize UART service (err: %d)", err);

                return 0;

        }

        printk("Starting Nordic BLE WiFi-Pairing service\r\n");

5.4 蓝牙回调解析配置

然后，在蓝牙接收数据的回调 bt_receive_cb 中，进行配置信息解析处理：

复制

static void bt_receive_cb(struct bt_conn *conn, const uint8_t *const data,

                          uint16_t len)

{

        // int err;

        char addr[BT_ADDR_LE_STR_LEN] = {0};

        uint8_t buf[CONFIG_BT_NUS_UART_BUFFER_SIZE] = {0};



        bt_addr_le_to_str(bt_conn_get_dst(conn), addr, ARRAY_SIZE(addr));

        strncpy(buf, data, len);

        printk("Received data[len=%d]:%s from: %s\n", len, buf, addr);



    char *cfg_name, *cfg_value, *ptr;

    cfg_name = strtok_r(buf, ":", &ptr);

    cfg_value = strtok_r(NULL, ":", &ptr);



        if(cfg_name         == NULL || cfg_value == NULL) {

                printk("parse fail\n");

        } else {

                printk("parse ok: name=%s value=%s\n", cfg_name, cfg_value);

                if(strcmp(cfg_name, "ssid")==0) {

                        strcpy(wifi_config.ssid, cfg_value);

                } else if(strcmp(cfg_name, "passwd")==0) {

                        strcpy(wifi_config.passwd, cfg_value);

                } else if(strcmp(cfg_name, "type")==0) {

                        wifi_config.type = (cfg_value[0] - '0') >0 ? 1 :0;

                } else if(strcmp(cfg_name, "action")==0 && strcmp(cfg_value, "connect")==0) {

                        printk("connect to ssid=%s passwd=%s type=%d\n", wifi_config.ssid, wifi_config.passwd, wifi_config.type);

                        wifi_connect();

                } else {

                        printk("unknown config name\n");

                }

        }

}



static struct bt_nus_cb nus_cb = {

        .received = bt_receive_cb,

};

5.5 联网处理

收到了配置信息，就可以进行联网的处理了，具体逻辑如下：

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static void set_wifi_credential(void *cb_arg)

{

        struct wifi_credentials_personal config;



        memcpy(config.header.ssid, wifi_config.ssid, sizeof(wifi_config.ssid));

        config.header.ssid_len = strlen(config.header.ssid);

        config.header.type = WIFI_SECURITY_TYPE_PSK;

        memcpy(config.password, wifi_config.passwd, sizeof(wifi_config.passwd));

        config.password_len = strlen(config.password);



        if(!wifi_config.type) {

                config.header.flags |= WIFI_CREDENTIALS_FLAG_2_4GHz;

        } else {

                config.header.flags |= WIFI_CREDENTIALS_FLAG_5GHz;

        }



        memcpy((struct wifi_credentials_personal *)cb_arg, &config, sizeof(config));

}



static void wifi_connect(void)

{

        int rc;

        struct wifi_credentials_personal config = { 0 };

        struct net_if *iface = net_if_get_default();

        struct wifi_connect_req_params cnx_params = { 0 };



        set_wifi_credential(&config);

        if (config.header.ssid_len > 0) {

                LOG_INF("Configuration found. Try to apply.\n");



                cnx_params.ssid = config.header.ssid;

                cnx_params.ssid_length = config.header.ssid_len;

                cnx_params.security = config.header.type;



                cnx_params.psk = NULL;

                cnx_params.psk_length = 0;

                cnx_params.sae_password = NULL;

                cnx_params.sae_password_length = 0;



                if (config.header.type != WIFI_SECURITY_TYPE_NONE) {

                        cnx_params.psk = config.password;

                        cnx_params.psk_length = config.password_len;

                }



                cnx_params.channel = WIFI_CHANNEL_ANY;

                cnx_params.band = config.header.flags & WIFI_CREDENTIALS_FLAG_5GHz ?

                                WIFI_FREQ_BAND_5_GHZ : WIFI_FREQ_BAND_2_4_GHZ;

                cnx_params.mfp = WIFI_MFP_OPTIONAL;

                rc = net_mgmt(NET_REQUEST_WIFI_CONNECT, iface,

                        &cnx_params, sizeof(struct wifi_connect_req_params));

                if (rc < 0) {

                        LOG_ERR("Cannot apply saved Wi-Fi configuration, err = %d.\n", rc);

                } else {

                        LOG_INF("Configuration applied.\n");

                }

        }

}

最后，在代码中，检测网络连接是否完成：

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static int get_wifi_status(void)

{

        struct net_if *iface = net_if_get_default();

        struct wifi_iface_status status = { 0 };



        if (net_mgmt(NET_REQUEST_WIFI_IFACE_STATUS, iface, &status,

                                sizeof(struct wifi_iface_status))) {

                LOG_INF("Status request failed");



                return -ENOEXEC;

        }



        LOG_INF("==================");

        LOG_INF("State: %s", wifi_state_txt(status.state));



        if (status.state >= WIFI_STATE_COMPLETED) {

                return 1;

        }

        return 0;

}



void main(void)

{

    // ...

        while(!get_wifi_status()) {

                printk("Wait for wifi connected\n");

                k_sleep(K_SECONDS(3));

        }

        // ...

}

5.6 功能测试
5.6.1 开发板启动，进入BLE配网状态

对应的代码编译烧录后，开发板重新启动输出如下：

localfile://path?assets/16955553047698.jpg
提示信息为等待通过BLE进行蓝牙配对。

5.6.2 微信小程序连接

此时，启动微信蓝牙调试小程序，扫描蓝牙设备：

localfile://path?assets/16955556722984.jpg

5.6.3 微信小程序发送配网信息

点击上图中的Nordic_BLE_WiFi_Pairing，即可进入进入配网界面：

localfile://path?assets/16955557102058.jpg
在界面中，输入要连接的SSID和密码，并勾选是否5G网络，然后点蓝牙配网，将自动通过BLE给开发板发送配置信息：

localfile://path?assets/16955557451185.jpg

5.6.4 开发板接受并完成网络连接

发送完成后，开发板收到发送的配网信息，会自动进行WiFi连接：

localfile://path?assets/16955557912133.jpg

连接成功后，将通过DHCP，自动获取IP地址等信息。

补充：
上述使用的蓝牙配网程序，参考 https://github.com/wyx-dev/bluetooth-serial 实现。

六、MQTT远程控制

在官方的实例中，也提供了MQTT的实例可以学习，具体可以查看 nrf/samples/net/mqtt。

另外，在Nordic的技术博客上，有一篇文章Implementing MQTT over Wi-Fi on the nRF7002 Development Kit，提供了一个实例： mqtt_over_wifi_nrf7002DK，该实例使用了Wi-Fi: Provisioning Service服务，通过 Nordic官方提供的 nRF Wi-Fi Provisioner 手机App，来完成网络配置，然后进行MQTT连接的处理。

经过一番研究，将MQTT的实例和微信一键配网的程序，最终整合到一起，实现通过微信一键配网，配网成功后，开发板连接到MQTT，然后在手机App上，通过MQTT发送信息，来控制开发板上的LED。

6.1 配置处理

需要注意的是，mqtt_over_wifi_nrf7002DK 实例是的 sdk-nrf-2.3 版本上开发的，在 sdk-nrf-2.4.x版本中，不能直接使用，经过测试，修改如下配置即可：

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# file: child_image/hci_rpmsg.conf



CONFIG_BT_BUF_ACL_TX_SIZE=151

CONFIG_BT_BUF_ACL_RX_SIZE=151

CONFIG_BT_CTLR_DATA_LENGTH_MAX=151

# CONFIG_BT_MAX_CONN=2

实际使用时，还需要进行MQTT服务器的配置，具体配置如下：

复制

# file: prj.conf



# Application

CONFIG_MQTT_PUB_TOPIC="hq/nrf7002/pub"

CONFIG_MQTT_SUB_TOPIC="hq/nrf7002/sub"

#Note If you notice that the test.mosquitto.org is unresponsive,

#there are several other public MQTT brokers that you can use (Ex: broker.hivemq.com at port 1883)

CONFIG_MQTT_BROKER_HOSTNAME="192.168.1.15"



CONFIG_MQTT_CLIENT_ID="nRF7002DK_Test_Client"

CONFIG_MQTT_BROKER_PORT=1883

为了更好的进行测试，我在本地假设了MQTT服务，使用的是 EMQX，可以从如下地址下载安装 https://www.emqx.io/zh/downloads

在上述配置中，对应的MQTT 主题如下：

消息订阅：hq/nrf7002/sub
消息发布：hq/nrf7002/pub

为了更好的对LED进行控制，还对配置文件做了修改添加：

复制

# file: Kconfig



config TURN_LED2_ON_CMD

        string "Command to turn on LED"

        default "LED2ON"



config TURN_LED2_OFF_CMD

        string "Command to turn off LED"

        default "LED2OFF"



config TURN_LEDALL_ON_CMD

        string "Command to turn on all LED"

        default "LEDALLON"



config TURN_LEDALL_OFF_CMD

        string "Command to turn off a;; LED"

        default "LEDALLOFF"

添加了打开所有灯和熄灭所有灯的配置。

6.2 代码处理

然后，将之前的微信配网部分的代码，和mqtt_over_wifi_nrf7002DK的代码进行整合，主要修改如下：

把 Wi-Fi: Provisioning Service 相关的代码删除或者注释掉
将NUS服务相关的代码拷贝过来，并在main函数中，检测到网络连接后，再连接MQTT

复制

while(!get_wifi_status()) {

        printk("Wait for wifi connected\n");

        k_sleep(K_SECONDS(3));

}



LOG_INF("Connecting to MQTT Broker...");

/* Connect to MQTT Broker */



timer_init();  //初始化定时器



connect_mqtt();

同时，因为之前添加了同时控制所有灯的配置，所以代码方面，也需要做一些修改：

复制

# file: src/mqtt_connection.c



                        // Control LED1 and LED2

                        if(strncmp(payload_buf,CONFIG_TURN_LED1_ON_CMD,sizeof(CONFIG_TURN_LED1_ON_CMD)-1) == 0){

                                status1 = 1;

                                dk_set_led_on(DK_LED1);

                        }

                        else if(strncmp(payload_buf,CONFIG_TURN_LED1_OFF_CMD,sizeof(CONFIG_TURN_LED1_OFF_CMD)-1) == 0){

                                status1 = 0;

                                dk_set_led_off(DK_LED1);

                        }

                        else if(strncmp(payload_buf,CONFIG_TURN_LED2_ON_CMD,sizeof(CONFIG_TURN_LED2_ON_CMD)-1) == 0){

                                status2 = 1;

                                dk_set_led_on(DK_LED2);

                        }

                        else if(strncmp(payload_buf,CONFIG_TURN_LED2_OFF_CMD,sizeof(CONFIG_TURN_LED2_OFF_CMD)-1) == 0){

                                status2 = 0;

                                dk_set_led_off(DK_LED2);

                        }

                        else if(strncmp(payload_buf,CONFIG_TURN_LEDALL_ON_CMD,sizeof(CONFIG_TURN_LEDALL_ON_CMD)-1) == 0){

                                status1 = 1;

                                status2 = 1;

                                dk_set_led_on(DK_LED1);

                                dk_set_led_on(DK_LED2);

                        }

                        else if(strncmp(payload_buf,CONFIG_TURN_LEDALL_OFF_CMD,sizeof(CONFIG_TURN_LEDALL_OFF_CMD)-1) == 0){

                                status1 = 0;

                                status2 = 0;

                                dk_set_led_off(DK_LED1);

                                dk_set_led_off(DK_LED2);

                        }

6.3 功能测试

将修改后的代码编译烧录后，开发板重启运行。

6.3.1 BLE配网

首先进入BLE配网模式：

localfile://path?assets/16955577359759.jpg

使用微信小程序配网以后，自动连接网络，然后启动MQTT连接：

localfile://path?assets/16955577112991.jpg

在上述信息中，开发板已经成功连接到了本地的MQTT服务。

6.3.2 手机App控制

下面，就可以使用手机端的App进行测试了。
在手机端，有多种App可以连接MQTT进行测试，其中较为好用的是 Mqtt Dashboard，可以从如下地址下载：https://play.google.com/store/apps/details?id=com.app.vetru.mqttdashboard

下载安装以后，首先进行MQTT服务器设置：

localfile://path?assets/16955595796566.jpg

然后，添加标签，进行控制设置：

localfile://path?assets/16955595967263.jpg

具体的配置如下：