基于N32G4FR和小度音响的智能家庭中枢控制系统

概要

 

本文给大家介绍一个基于N32G4FR和小度音响的智能家庭中枢控制系统项目，该项目是博主架构师李肯参加由国民技术与电子发烧友联合举办的N32 MCU移植挑战赛的参赛项目，旨在解决智能家庭中的中枢控制问题，希望能给大家带来帮助和启发。

 

1 前言

 

如今，智能化的设备慢慢走进了千家万户，大大提升了人民生活的智能化，但是随之而来的是各种智能设备无法互联互通，形成了一片片信息孤岛，这就迫切需要一个中枢控制系统来接管这些零散的智能设备。

 

众观市场上的各种智能音响，小度音响凭借其优异的市场表现，占据了很大一块市场份额，使得“小度小度，现在几度”成为了家庭中很常见的交互问候语。

 

有这么一个设想，如果能把零散的智能设备，通过某种智能的方式接入一个中枢控制系统，而这个系统与小度音响直接打通，这样跟小度直接对话就能操作这些智能设备，这应该是一件很有市场前景的事，而本项目就是着力于实现这样的一个解决方案。

 

2 项目简介

 

2.1 项目名称

基于N32G4FR和小度音响的智能家庭中枢控制系统

 

2.2 设计思路

本项目主要使用N32G4FR作为端侧的核心控制器，外加一个传感器器件、控制器件，实现与云端互通；同时集成对接小度智能音响，实现通过语音调度和控制家庭环境是智能设备。这里的智能设备包含有智能灯、智能空调、温湿度传感器等等。

 

2.3 主要解决的问题

家庭中的智能设备越来越多，一个集中式的智能家庭中枢控制系统迫在眉睫，旨在解决所有智能设备的调度和控制问题，为智能生活提供便利。

 

2.4 项目创新点

主要是设备端各项传感器器件和控制器件的集成，以及与小度音响的直连互通。

 

2.5 N32移植的初衷

本项目初期是想在ESP32上实现的，后来看到本开源大赛，想着把此方案移植过来，也借此机会再次学习学习国民技术的N32系列芯片。

 

3 系统架构介绍

 

3.1 系统核心架构图

整个系统的核心架构图如下所示：

 

 

从上面这个核心架构图中，我们可以看到整个IoT系统组成，包括智能设备终端侧、巴法云物联网平台、小度云平台、小度音箱等等。下面就整个系统的几大重要组件，我会一一进行简要讲解。

 

3.2 终端侧

终端侧主要承载的是对巴法云平台的对接，接收云平台下发的控制指令，同时做一些边缘侧的应用逻辑处理，还需要具备对外网络的通讯能力，保持与巴法云平台的MQTT长链接。

 

终端侧包括的核心组件有：国民技术的N32G4FR，搭载的是国产实时操作系统 RT-Thread，同时外设板载有 ESP8266 Wi-Fi通讯模组、红外发射器、继电器（GPIO模拟）等等。

 

终端侧不仅包含设备硬件，还需要对应的固件软件，两者相辅相成，共同完成终端侧的功能逻辑。

 

 

3.3 后端侧

后端侧，其实没有真正的开发工作，仅仅是登录巴法云平台后台，配置MQTT板块，然后生成【智能空调】和【智能灯】两个设备，以便于终端侧和小度音响识别。

 

 

3.4 移动端

这里说的移动端，特指小度APP；其实这里面也没有开发工作，当你的小度APP账号登录之后，它有一个操作步骤可以加入基于巴法云平台的【智能设备】，按照说明添加成功后，就可以在小度APP上看到巴法云平台对应的设备列表了。

 

详细的绑定操作步骤，见 此文的第二部分 。

 

 

4 系统设计说明

 

4.1 硬件部分

MCU主控：国民技术的N32G4FR主控

 

这块芯片整体的资源还是比较丰富的，它是N32G4FR系列（指纹专用型），采用32 bit Arm Cortex-M4F内核，内置10余种密码算法硬件加速引擎，集成大容 量加密Flash存储器，支持指纹信息安全存储，支持市场主流半导体指纹及光学传指纹感器，集成多达18个数字 通讯接口及4个模拟接口。

 

它的具体接口资源展示如下：

 

 

在我的项目中，我主要使用它的以下几个外设资源：

1. UART1：RT-Thread的终端调试串口；

2. UART2：用于连接串口WI-Fi模块ESP8266，实现网络通讯能力；

3. UART4：用于连接红外收发器，本次项目中主要使用其红外发射功能；红外发射主要用于控制外部的空调；

4. GPIO：PB4用作系统工作状态显示灯，PA8用于控制智能灯开关。

 

以下是我的实物连接示意图：

 

 

Wi-Fi模组：ESP8266

本次参赛，我采用了我惯用的Wi-Fi通讯模组ESP8266，非常的便捷，借助RT-Thread的软件包，基本无需编写任何代码，就可以实现网络能力；当然串口通讯还是需要配置一下，只不过不用谢代码而已。

 

我这里使用的搭建ESP8266 Wi-Fi芯片的模组ESP-12F，它是由安信可科技开发的，该模块核心处理器 ESP8266 在较小尺寸封装中集成了 业界领先的 Tensilica L106 超低功耗 32 位微型 MCU，带有 16 位精简模式，主频支持 80 MHz 和 160 MHz，支持 RTOS，集成 Wi-Fi MAC/ BB/RF/PA/LNA，板载天线。

 

红外编解码模块（YS-IRTM）

 

本模块集成了以下几部分：

• 红外发射头：用于发射红外信号， 波长为940nm 38k NEC编码信号的发射；

• 红外接收头：用于接收 NEC 红外信号， 进而单片机进行分析解码操作；

• 红外头扩展: 该接口为红外发射头的扩展， 可以连接多个红外发射头（ 常称红外发射模块） ， 用于安放到不同的位置实现多方位控制；

• UART 单片机串口通信接口：该端口为单片机串口（ TTL） ， 作为与外界单片机的通信桥梁， 其默认设置的波特率为9600bps；

 

使用单片机的串口就可以与之对接，非常的方便。

 

 

GPIO控制 ：

目前这一块的接入，采用的是GPIO做模拟，并没有实际接入继电器，但已经完全可以实现其操作原理。

 

其中，PB4用作系统工作状态显示灯，PA8用于控制智能灯开关。

 

4.2 软件部分

整个软件部分的开发主要就是终端固件开发，主要包括四大部分：N32G4FR的原厂BSP、RT-Thread实时操作系统、ESP8266相关的配置代码使能、个性化的应用逻辑代码。

 

其中N32G4FR的原厂BSP基本不动，原厂和相关开发者已经适配好了；通用的RT-Thread操作系统的代码也不在此处的修改中，直接复用已有的代码，这里使用的版本是 4.1.1 。

 

ESP8266相关的AT、网络组件代码也是现成的，使能配置之后就可以直接用了，还是非常的方便。

 

除了AT相关的软件包代码外，我还使用了 paho-mqtt 这个软件包，这个软件包主要封装了MQTT协议的实现技术细节，开放了一些灵活好用的API给到应用层，以便于提供MQTT的通讯能力。

 

还有一个cJSON的软件包，这里也使用到了，它用于做一些上下行数据包的解析和封装，主要原因是需要解析一些与云平台对接的数据协议，这就要求终端必须具备解析JSON数据的能力。

 

所以这里重点讲一下，应用逻辑的代码：主要包括红外收发器的控制、GPIO的控制等，而这些控制信号的输入，都是来源于巴法云平台的下发，而巴法云平台的联动下发则来源于用户对小度音响的语音控制输入。

 

以下是终端软件应用逻辑部分的层次图：

 

 

其中：

Wi-Fi线程 ：由于在RT-Thread中AT组件是开启后，默认就跑起来了，而在应用层暂时没有一个比较好的方式感知网络能力的建立，所以这里新建了一个线程，用于实时检查网络通讯能力；当网络通讯能力已建立时，通过信号量的方式，通知其他模块。

 

Smart Home MQTT线程 ：主要负责跟巴法云物联网平台进行对接，采用的MQTT通讯协议，它的运行，依赖于基础网络能力的建立；当它与巴法云物联网平台建立联系时，它就可以接收平台的控制指令下发，比如开关空调或开关照明灯等；

 

红外接收处理线程 ：该线程主要用于接收外部的标准NEC红外信号，此功能本项目暂时未实际使用，仅用于学习若干红外遥控器的键值；

 

系统运行展示线程 ：此线程并没有参与过多的应用逻辑，仅仅是每一秒钟闪烁一下运行指示灯，表示系统正在运行中。

 

以上各个线程各司其职，相辅相成，共同完成智能家庭中枢控制系统的逻辑功能。

 

下面展示的是工程项目中的代码结构，里面的代码结构一本与上面的代码逻辑示意图保持一致。

 

 

5 项目实施过程

 

1）熟悉国民技术N32系列MCU的基本开发资料

这一步主要是熟悉开发板的基本资源，对外设等信息有一定的概念，以便于方便后续的开发调试；同时，还需要把相关的一些官方软件给安装好，熟练使用配置工具和下载工具。

 

文末有好几份我当时参考的教程，基本根据上面的步骤来，很快就可以完成初始的上手操作。

 

这里其实就是踩坑的开始，详细的可以参见下文对踩坑的各种总结，只有第一步踩坑踩好了，才能逐步进行下面的研发活动。

 

2）移植RT-Thread操作系统

本次参赛，其实并不要求去移植RT-Thread，其实也要多感谢RT-Thread官方和社区的小伙伴，其实他们都已经做好了基本的移植了，只需要对照着自己的开发板资源跳调整一下即可。

 

有了上面的踩坑经验，直接上手RT-Thread的DEMO教程，很快就可以把操作系统跑起来了，一切都回归到熟悉的地方，研发进度再次提速。

 

下面就是基于RT-Thread操作系统进行编程了。

 

3）配置RT-Thread的软件包

由于我是采用RT-Thread Studio开发环境，而它本身就集成了配置界面，所以我直接在上面就可以做各种配置，需要再次吐槽的就是，配置完了之后生成对应的文件，实在是太慢了。

 

这个项目中，我使用了paho-matt软件包、AT-device软件包、CJSON软件包；的确让我的项目开发提速了不少。

 

4）配置巴法云物联网平台

我是参考这个 esp8266接入小度语音，小度音箱控制 来创建自己的自定义产品的，并实现与小度音箱的绑定的。

 

基本上以上4步完成后，终端就可以很顺利地连上巴法云物联网平台了，而这期间基本就是零代码，全部都归功于RT-Thread灵活的代码配置工具，非常地赞。

 

 

5）调试外设驱动

这里主要是调试各种驱动接口，包括红外发射器的UART接口、照明灯开关的GPIO控制。

 

在调试过程中，一般一个个模块来，避免模块直接的干扰，这样可以有效地加快开发速度。

 

需要注意的是，N32系列的BSP在适配RT-Thread的时候，采用的都是V1版本的串口驱动，所以大家在使用串口接口的时候，一定要记得使用V1接口。

 

等到各个功能模块完成后，统一串起来跑一跑，确保没有问题。

 

6）全功能自测

到了这一步，基本功能开发就已经完成了，需要将终端设备的功能与云端能力联系起来调试，比如对小度音箱进行控制语音输入，看一下巴法云平台能否推送对应的控制消息下来，同时看下终端能否对控制消息进行合理的处理，比如控制空调开关或者控制照明开关等。

 

7）准备结项资料

项目收尾的最后，需要准备各种结项资料，包括项目稳定、演示视频、各种实物图片等等。

 

6 项目效果显示

 

6.1 功能描述

本期项目中，已实现以下功能：

 

在巴法云后台配置智能设备：智能空调和智能灯，在小度APP是可以看到设备情况；

 

基于N32G4FR的终端，实现智能家庭中枢控制系统的功能；

 

跟小度音响语音对话，比如【打开空调】或【关闭空调】，即可实现控制指令下发，终端通过红外发射头控制空调开关；

 

跟小度音响语音对话，比如【打开灯】或【关闭灯】，即可实现控制指令下发，终端通过GPIO控制LED（模拟真实场景的智能灯）

 

打通本地空调状态和智能灯状态与巴法云、小度平台的联系，实现实时控制联动。

 

6.2 图片展示

以下是项目的部分图片展示：

 

固件正常被识别且烧录成功

 

 

调试固件DEMO时，RT-Thread系统上电hello wolrd

 

 

查看并确认UART4的真实引脚分布

 

 

小度APP使用界面

 

 

通过巴法云添加的智能设备在小度APP的展示

 

 

一个带红外控制的灯具（模拟家庭使用的空调）

 

 

 

6.3 视频展示

视频中基本演示了，通过小度音箱输入控制指令，进而达到控制终端器件（空调或智能灯）的目的。

 

 

 

6.4 代码开源

本参赛项目的源代码已全面开源在 这里

其中应用部分的代码在：n32-iot-xiaodu-smart-home/tree/master/applications

有关项目源代码的事情，也可与我讨论。

 

7 项目复盘

 

项目虽然即便完成了，但是有些东西还是需要好好复盘总结的。

 

7.1 项目踩的那些坑

这一块还是比较多，我特意开了一个帖子来总结，参加这里：https://bbs.elecfans.com/jishu_2337568_1_1.html

 

 

7.2 项目带来的启发

多留意一下同一厂商同一系列不同型号的型号差异，对比出异同点，方便灵活选型，甚至有些时候固件程序都是可以通用的；

 

巴法云对接小度音响只是它其中的一个功能，它还可以对接天猫精灵、小爱同学、Amazon Alexa、Google音响等等，可以说，把它玩熟练了，智能化的产品思路可能可以有更大的边界；

 

项目中遇到难题光吐槽是没有用的，还是自己去想办法解决；比如下载方法不清晰，就自己多摸索几遍，熟练掌握它；比如各种开发环境搞不通，尝试想想原来是怎么开发的，或许能找到方法；比如吐槽好些工具不好使，但这个是外部因素，你得去适应它，不然你可能就没法完成任务；

 

多接触几种物联网云平台有助于开拓技术视野，说不定还能对你的本质工作开展有所帮助和提升。

 

8 致谢

 

本次大赛，基本还算是完全独立完成的，技术上没有请教太多小伙伴，就是在FTP资料下载的时候，请教了一个群友，感谢他提供的FTP工具，帮忙我得到了第一手官方权威资料，也使得我的参赛项目得以加速进行，再次表示感谢。

 

 

9 参考链接

 

• 国民技术N32G4FR简介

• 国民技术官方FTP资料下载地址 ftp://58.250.18.138

• 【答疑帖】国民技术开源移植挑战赛答疑汇总

• [经验] 【 国民技术N32G4FR开发板试用体验】基于RT-Thread制作N32G4FR BSP

• N32G4FR系列通用MCU RT_Thread使用指南

• esp8266接入小度语音，小度音箱控制，附开源app控制

• 巴法云接入文档

• 巴法云开发者论坛

（参考链接点击阅读原文查看）

 

10 更多分享

 

本次项目介绍后，我还继续探索RT-Thread在各种嵌入式平台开发的可能性，并以此来要求自己输出各种关于RT-Thread、嵌入式、物联网等等热门技术话题的原创内容，欢迎大家持续关注我。

 

我是 架构师李肯 （ 全网同名 ）， 2022年电子发烧友论坛优秀开发者、2022年RT-Thread技术社区优秀布道者 ，欢迎大家来交流。

 

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原文标题：基于N32G4FR和小度音响的智能家庭中枢控制系统

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