ARM开发嵌入式物联网产品示例

1. 嵌入式产品概述

最近做智能语音交互产品，顺便调研、学习了嵌入式产品及相关的知识。

原来对嵌入式产品了解不多，总觉得不好入手。通过学习才知道，嵌入式产品无处不在，且价格低廉(几元到几十元)、功能强大，开发也不难。

目前主流的嵌入式芯片，主要指单片机SOC（System on a Chip），即系统级芯片或片上系统，SoC中包含一个或多个处理器、存储器、模拟电路模块、数模混合信号模块以及片上可编程逻辑。单片机芯片一般很小，一般也就1x1厘米左右，价格一般几元到几美元，单一芯片集成了CPU、存储等，可以将设计好的程序烧录到存储中，开机就可以运行。

一般嵌入式产品，由嵌入式芯片配上相关的模块组成一个完整的电路版，是产品的核心。比如智能音箱产品，就是由电路板（嵌入芯片、WIFI、蓝牙、功放、模数转换、数模转换、PIO（可编程输入输出））、远场麦克风、喇叭、提示灯、按钮、外壳等组成。所有的交互都是嵌入芯片中的程序控制的，如声音采集，一般是模数采集芯片进行采样为数字值，存于指定的区域，再由程序进行读取。开关灯控制就是设置对应PIO的值（开/关），环形灯或渐变灯效果，就是采用PMW（脉冲宽度调制）将数字值输出为模拟值给到灯就行。按钮对应一个PIO，也会在嵌入芯片中产生中断，然后由中断处理程序进行相应的处理。

嵌入式产品的硬件开发涉及的范围广，更专业一些，如ID设计（工业设计 - Industrial Design，包括场景交互、造型、材质、表面处理）、MD设计（结构设计 - Mechanic Design，拆件处理、结构合理性、元器件匹配度、防护设计）、模具加工等。

嵌入式产品的软件开发相对就简单一些，目前一般是采用C或C++语言，也有一些支持Python、Rust或图形组件方式开发。C或C++开发一般集成开发环境用uVision，开发时，要选择嵌入芯片型号，开发时，不用接入实际设备，可以模拟执行，调试。实际接入硬件调试时，一般采用USB线连接硬件与电脑(通过USB-UART电路，将USB模拟为一个串口)，电脑会自动识别该硬件为串口设备如COM3，再采用串口调试工具如Windows sscom、Mac minicom，打开相应的端口就可以查看到调试信息（一般在代码中采用prinft函数输出，内容会重定向到串口输出中，从而方便调试），也可以采用在线串口调试硬件调试。uVision支持8051系列、ARM系列等。

常用的单片机有8051系列，ARM系列。

• MCS-51单片机
  是美国INTEL公司于1980年推出的产品，8051是早期的最典型的代表作，由于MCS-51单片机影响极深远，许多公司都推出了兼容系列单片机，就是说MCS-51内核实际上已经成为一个8位单片机的标准。国内比较有名的有STC公司(宏晶科技)的单片机产品，如支持语音识别的模组就采用STC11L56XE单片机、IC Route公司的LD3320A语音识别芯片、SYN6288语音合成芯片。
  
• ARM
  英国ARM公司是全球领先的半导体知识产权（IP - Intellectual Property）提供商，全世界超过95%的智能手机和平板电脑都采用ARM架构。ARM公司不生产芯片，只做芯片的设计，然后将设计授权给其它公司，收取授权费用，其它公司据此或在此基础上定制修改进行芯片生产、销售。

ARM v7架构后的处理器命名，冠以Contex的代称，如Contex-A系列、
Contex-R系列
、Contex-M系列。

• Contex-A系列
  面向高端的应用处理器，一般可安装操作系统，如嵌入式Linux, Android, Windows。
• Contex-R系列
  主要面向实时系统，适用于需要快速处理的系统，如汽车油门、刹车控制等。
• Contex-M系列
  适用于要求性价比高、能耗低的产品，一般没有操作系统，也可安装free rtos或ucos操作系统。

常用的开发芯片为Contex-A/M系列，如树莓派采用的Context A72内核，意法半导体的ARM芯片STM32F103C8T6可采用裸机系统或安装free rtos。

ARM芯片中，意法半导体STM的ARM芯片使用较多，如STM32F103C8T6，其命名方式为STM32代表32位芯片，F103代表增强型，C代表引脚数为48，8代表Flash大小为64K，T代表封装为LQFP方式，6代表工作温度范围为-40 ~ +85 摄氏度。

STM芯片种类很多，可以下载STMCUFinder进行选择，如选择支持摄像头接口的芯片，就可以列出许多，选择STM32F407ZG，则其参数定义及描述如下所示：

2. 本次开发过程概述

本次开发基于机芯智能的开发板XR-51A_EVB，基于ARM Contex-M4F，支持WIFI、声音、摄像头等，该开发板特性为：
◼ IEEE 802.11b/g/n, 1x1 SISO 2.4GHz
◼ 内置 ARM Cortex-M4F 的 32 位微型 MCU，主频高达 384MHZ
◼ 内置 416KB 的 SRAM，160KB 的 ROM 和 4M 的 PSRAM
◼ 内置 1024 bits 的 efuse
◼ 支持 DVP 接口摄像头，最大支持 1920*1088 分辨率，板载闪光灯
◼ 支持 UART/GPIO/PWM/CSI/MIC/Line-in/Speaker 接口
◼ 支持 AES/DES/3DES/SHA/MD5/CRC 加密引擎
◼ 支持 STA/AP/ STA+AP 工作模式
◼ 支持 Smart Config/AirKiss（微信）一键配网
◼ 支持串口本地升级和远程固件升级（FOTA）功能
◼ 支持二次开发，集成了 Windows、Linux 开发环境
◼ 集成音频子系统（Audio Subsystem），包括 1 个带有左右声道语音输入的数字麦克风控制器，1 个 24 位音频数模（DAC）通道，支持 8KHz至 192KHz 的采样率，1 个用于麦克风输入的 24 位音频模数（ADC）通道，支持 8KHz 至 48KHz 的采样率，1 个用于线路输入的 24 位音频数字（ADC）通道，支持 8KHz 至 48KHz 的采样率。
◼ 集成视频子系统（Video Subsystem），支持 JPEG、YUV 编码模式，在离线编码模式下支持 nv12 输入格式，支持可配置的图片分辨率，最低图片分辨率：32x32，最大图片分辨率：1920x1088

SRAM是CPU运行的存储器，用于存储指令或数据，断电后信息丢失，ROM（类似于U盘）一般存储编译后烧录的代码或数据，断电不会丢失，PSRAM一般用于缓存，如图像、声音缓存等，断电后会丢失。

3. 试验过程

3.1 编译示例代码

软件开发的第一步是运行Hello world示例程序，嵌入式开发也不例外，按照开发手册，一步一步来，首先下载源代码

cd xr-50a        # 建立开发根目录
wget https://github.com/XradioTech/xradio-skylark-sdk    # 下载开发板SDK
wget https://launchpad.net/gcc-arm-embedded/4.9/4.9-2015-q2-update/+download/gcc-arm-none-eabi-4_9-2015q2-20150609-linux.tar.bz2 # 下载arm交叉编译工具
tar -xvf gcc-arm-none-eabi-4_9-2015q2-20150609-linux.tar.bz2
cd xradio-skylark-sdk     # 进入sdk根目录
vim gcc.mk                 # 修改全局gcc编译参数，将arm交叉编译环境加入

# -----------------------------------------------------------------# cross compiler
# -----------------------------------------------------------------CC_DIR := /home/xr-50a/gcc-arm-none-eabi-4_9-2015q2/bin
CC_PREFIX := $(CC_DIR)/arm-none-eabi-

cd project/demo/hello_demo/gcc     # 进入hello工程下的编译目录gcc
make config                # 配置开发板类型（XR872, 40M）
make lib                 # 编译库文件（包括声音驱动、图像显示、网络等，编译成相应模块的库文件.so）
                        # 具体模块如atcmd,audio,cjson,console,driver,efpg,fs/fatfs,image,jpeg,kernel,libc,net,ota,pm,rom,smartlink,sys,util,xz
make                    # 编译hello工程，形成执行文件.axf
make image                 # 将执行文件打包成烧录镜像文件.bin

开发板通过Type C连线连接到Windows电脑，运行烧录程序PhoenixMC.exe，选择上述镜像文件，烧录，电脑运行sscom串口通讯软件，选择端口一般是Com3，打开端口，按开发板reset按键重启，开发板烧录程序自动运行，电脑端sscom中即可显示出相应的调试信息。

开发编译环境可以是Windows，也可以是Linux，操作方法基本一样。Windows下是安装Cygwin+GCC，安装完成后，在cygwin类Linux环境下操作，操作的命令都是一样的。

3.2 获取物联网接入代码

要开发物联网应用，有很多物联网平台可以接入，也可以选择开源的物联网平台，商用的平台如腾讯连连IoT Explorer、阿里云IoT、中国移动OneNET、华为云IoT、机智云等，商用平台对小批量产品接入一般均免费，如小于10台。

本开发板自带的镜像可以接入腾讯连连，按reset按键三次，即可进入配网模式，用手机扫描一下厂家提供的二维码，即可打开微信小程序，进行联网（要求手机连接WIFI），联网成功后，小程序中即可查看到设备情况，可以开灯、关灯，也可与开发板直接对话，如“小智小智，今天的天气怎么样？”，“小智小智，播放歌曲”，“小智小智，打开台灯”等。

经过比较，还是机智云的物联网接入比较简单一些，

物联网接入一般流程：注册开发者帐号、定义物联网产品、数据点、虚拟设备测试、代码移植、实际设备调试、上线。

• 定义物联网产品
  即定义本物联网产品的基本信息，包括名称、类型、通讯方式、ProductKey、ProductSecret等，直接在控制面板进行定义即可。
• 数据点
  即设备产品的功能的抽象，采用Json格式表达，用于描述产品功能及其参数。比如智能灯，我们可以定义一个OnOff的布尔型数据，用于控制灯的开关，另外定义一个brightness的整数型数据，范围0-100，用于定义灯的亮度。创建数据点后，设备与云端通讯的数据格式即可确定，设备、机智云可以相互识别设备与机智云互联互通的数据。
• 虚拟设备测试
  产品定义及数据点确定后，我们可以认为系统已经为我们产生了一个虚拟的物联网设备了，该设备按我们的要求进行定义，可以进行虚拟测试了。系统提供了控制台直接测试及手机APP控制测试，在测试界面或手机APP上，即可看到我们的设备了，也可以方便地对设备进行控制，发出控制指令后，虚拟设备的状态会发生相应的改变，这与我们最终完成的情况是类似的，通过这个方式，可以对我们的产品有个直接的了解、认识。控制台操作界面如下：
  

手机APP控制界面如下：

• 代码移植
  接下来就要实现我们的代码了，机智云可以自动生成MCU SDK，即根据上述定义的产品属性、数据点自动生成物联网接入代码，将这个代码根据嵌入设备的代码进行相应的修改编译即可。

  cd xr-50a/xradio-skylark-sdk/project/demo     # 进入demo目录
  cp -r hello_demo gz-iot                     # 从hello_demo拷贝为物联网工程目录gz-iot
  rm *.h, *.c, *.d, *.o                         # 删除其它文件，保留gcc、image目录及prj_config.h
  mv xxx/Gizwits gz-iot                         # 将机智云生成的接入代码移动过来，主要包括Gizwits、User、Utils目录
  cd gz-iot/gcc                                 # 进入工程gcc编译目录
  vim Makefile                                 # 修改本工程编译参数，主要是加入本工程的包含文件路径
    INCLUDE_PATHS += -I$(PRJ_ROOT_PATH)
    INCLUDE_PATHS += -I$(PRJ_ROOT_PATH)/Gizwits
    INCLUDE_PATHS += -I$(PRJ_ROOT_PATH)/Utils
  make config                # 配置开发板类型（XR872, 40M）
  make lib                 # 编译库文件（包括声音驱动、图像显示、网络等，编译成相应模块的库文件.so）
  make                    # 编译hello工程，形成执行文件.axf
  make image                 # 将执行文件打包成烧录镜像文件.bin，生成文件../image/xr872/xr_system.img
  Windows电脑运行烧录软件，烧录到开发板。

机智云的接入代码，包括了完整的业务逻辑，如PRODUCT_KEY、dataPoint_t、gizwitsProtocol_t等，只需要参考生成的代码目录下的MCU_COMMON_User_Guide _V0.4.pdf文档，移植主要是4个方面的内容，代码量不大。

• 实现串口打印驱动
  这个xr50模块已经实现，故程序中可用GIZWITS_LOG或printf打印调试信息。
• 实现芯片复位函数
  这个根据芯片的指令来实现，若不需要从界面控制设备复位，也可以不实现。
• 实现定时器
  需要根据xr50实现毫秒定时器，并设置回调函数为TIMER_IRQ_FUN。
• 实现串口A驱动
  主要是实现WIFI数据收发的接口，可参考at_demo, wlan_demo示例工程的内容修改。

3.3 其它常用物联网模组

最简单的物联网控制芯片是乐鑫ESP WiFi芯片/模组，如ESP8266，该模组其实是一个WIFI模块，但集成了Tensilica L106 超低功耗32位微型MCU，该MCU除了用于控制WIFI功能外，对外开放该MCU剩余能力，所以支持编程开发，还带外围PIO，这样一个模组就是一个相对完整的开发板（一般同时购买带烧录器，整体约10多元），支持物联网开发，且各物联网平台对此模组都支持很好。

其它常用的物联网模组如下：

4. 展望

嵌入式芯片便宜、有方便调试的集成开发环境、可在线烧录，因此嵌入式或物联网开发目前还是很容易上手的。采用嵌入式开发，可以针对我们日常生活中情形开发智能设备，如自动浇花器、音乐门童等，充分展开你的想像力吧 :)

后续可关注RISC-V，是一个基于精简指令集（RISC）原则的开源指令集架构（ISA），但还没有成熟，喜欢DIY的可以多了解一下。近几年内应当都还是ARM的天下，ARM芯片不贵，还好用，资料全。

后续可关注Toit，是由 Google Chrome V8 团队开发的，创立于 2018 年，旨在为物联网
设备构建一个通用固件，以取代传统的开发流程。它们提供了一套全新的功能，甚至是一种专为物联网开发的类似 Python 的新编程语言。

BTW，目前商品化的物联网产品很多，建议大家可以直接从淘宝搜索购买使用哈，若实在没有的再考虑自己研发。我是米粉，喜欢用小米的产品，比如用小米智能插座(<50元)、小米温度计(<20元)、门窗检测器(<50元)来控制电脑运行，又便宜又好，插上小米插座，再将电脑电源插入，可以用手机APP远程控制电脑开关，也能查看房间温度，若温度高了，可以自动打开电扇降温，房间开门了，远程APP中也能查看到。电脑的用电量也是随时可以APP查看。