為什么電子指南針能指示方向

電子指南針是現(xiàn)代的一種重要導航工具，大到飛機船舶的導航，小到個人手機導航，電子指南針可以說和咱們生活息息相關，密不可分。為什么電子指南針能指示方向？本 Demo 將為你呈現(xiàn)，其中蘊含了人類智慧及大自然的奧妙。

本項目分為數(shù)據采集端（設備端）和效果展示端（應用端）：

數(shù)據采集端（設備端）：

1、指南針數(shù)據采集端：使用的是 Geek_Lite_Board 開發(fā)板，其內置了三軸磁力計 AK8963，通過解析磁力計數(shù)據獲得指南針數(shù)據信息，操作系統(tǒng)版本為 OpenAtom OpenHarmony 3.0（以下簡稱“OpenHarmony”）；

2、指南針效果展示端：使用的是潤和 RK3568 開發(fā)板，操作系統(tǒng)版本為 OpenHarmony 3.1 release。

效果展示端則體現(xiàn)了 OpenHarmony JS UI、Canvas 組件和 NAPI 的能力：

效果展示端（應用端）

1、Canvas 組件是一個畫布組件，獲取到畫布對象后，可以自定義繪制圖形，比如圓形，線條等，本項目中應用端的指南針界面是基于 Canvas 組件開發(fā)；

2、NAPl (NativeAPI)是 OpenHarmony 標準系統(tǒng)的一種 JS API 實現(xiàn)機制，通過 NAPI 可以實現(xiàn) JS 與 C/C++ 代碼互相訪問。本項目應用端通過 NAPI 來接收設備端發(fā)出的檢測信息。

當設備應用啟動之后，運行效果如下動圖所示：

一、基本原理

地球是一個大磁體，地球的兩個極分別在接近地理南極和地理北極的地方，一般情況下地球的磁場強度在 0.5 高斯左右（高斯是磁場強度單位）。

Geek_Lite_Board 開發(fā)板帶有 AK8963 三軸磁力計。三軸磁力計能夠測出相互垂直的三個方向的磁力大小。通常我們把傳感器平放，即讓重力方向與傳感器垂直，假設重力方向為 z 軸，其余兩軸為 x 軸和 y 軸。在只受地球磁場的環(huán)境下（忽略其余弱小干擾），x 軸 y 軸檢測到的磁力數(shù)據的矢量和就等于接收到的地球磁場。

我們利用 x 軸與 y 軸的比值，就能確定目前朝向正北邊差多少角度。例如現(xiàn)測到 x 軸數(shù)據接近 0.5 高斯，y 軸數(shù)據接近 0，就認為目前的 x 軸方向就是正北方。那 x 軸方向是哪個方向？關于 x 軸方向，生產傳感器芯片的廠商會預定義好傳感器的 x 軸、y 軸及 z 軸方向（通常垂直芯片表面的為 z 軸）。

數(shù)據流程

智能指南針整體方案如上圖所示，主要由 Geek_Lite_Board 開發(fā)板和潤和 RK3568 開發(fā)板構成，它們采用局域網（路由器）TCP 協(xié)議的通信方式。

1. Geek_Lite_Board 開發(fā)板通過板載的磁力計獲取磁場數(shù)據，磁場數(shù)據經過處理后得到角度數(shù)據；

2. 角度信息通過 ESP8266 無線 Wi-Fi 模塊發(fā)送到指南針應用端；

3. 指南針應用端通過 NAPI 接口獲取底層網絡數(shù)據，并在頁面展示。

二、功能實現(xiàn)

指南針數(shù)據的獲取

Geek_Lite_Board 開發(fā)板通過 IIC 接口與 AK8963 三軸磁力計通信，讀取三軸方向的磁場數(shù)據，通過磁場數(shù)據計算后得到指南針的方位數(shù)據。

● AK8963介紹

AK8963是采用高靈敏度霍爾傳感器技術，內部集成了檢測x、y、z軸的磁傳感器、傳感器驅動電路、信號放大器和用于處理每個傳感器信號的算術電路。同時，還配備了自測功能。其緊湊的封裝，還可適用于配備gps的手機的地圖導航，實現(xiàn)行人導航等功能。

● AK8963測量數(shù)據的讀取

AK8963 和單片機通過 IIC 接口連接，單片機操作 IIC 總線按照數(shù)據手冊的操作時序操作即可讀取 AK8963 的數(shù)據，AK8963 獲取測量數(shù)據的函數(shù)實現(xiàn)如下：

uint8_t Mpu_Read_Bytes(uint8_t const regAddr, uint8_t *pData, uint8_t len){  int i = 0;  MPU_ENABLE;  while (SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI5, SPI_I2S_FLAG_TXE) == RESET);  SPI_I2S_SendData(SPI5, regAddr | 0x80);  while (SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI5, SPI_I2S_FLAG_RXNE) == RESET);  SPI_I2S_ReceiveData(SPI5);  for(i=0; i    while(SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI5, SPI_I2S_FLAG_TXE) == RESET);    SPI_I2S_SendData(SPI5, 0x00);    while(SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI5, SPI_I2S_FLAG_RXNE) == RESET);    pData[i] = SPI_I2S_ReceiveData(SPI5);  }  MPU_DISABLE;  return 0;}

● AK8963數(shù)據處理得到磁力數(shù)據

調用 Mpu_Read_Bytes 函數(shù)獲取測量數(shù)據，其中 MPU_BUFF[15] 到 MPU_BUFF[20] 這六個字節(jié)的數(shù)據就是磁力計的數(shù)據。此時的磁力計數(shù)據還不穩(wěn)定不能直接用來計算指南針的角度，還需要進行濾波處理，此處用到的濾波算法是滑動均值濾波。數(shù)據處理代碼如下:

Mpu_Read_Bytes(MPUREG_ACCEL_XOUT_H, MPU_BUFF, 28);if(MPU_BUFF[14] == 1) { // 從 MPU_BUFF[]中提取磁力數(shù)據  Mpu_Data.mag_x = (MPU_BUFF[16] << 8) | MPU_BUFF[15];  Mpu_Data.mag_y = (MPU_BUFF[18] << 8) | MPU_BUFF[17];  Mpu_Data.mag_z = (MPU_BUFF[20] << 8) | MPU_BUFF[19]; // 對x軸方向磁力計數(shù)據進行濾波，取滑動平均 for(i=0;i<14;i++) {  mag_x_buff[i] = mag_x_buff[i+1]  //滑動 }   if(Mpu_Data.mag_x > -500 && Mpu_Data.mag_x < 500) {    mag_x_buff[14] = Mpu_Data.mag_x;  }  //取平均值  Mpu_Calc.mag_x = ( mag_x_buff[0] + mag_x_buff[1] + mag_x_buff[2]   + mag_x_buff[3] + mag_x_buff[4] + mag_x_buff[5] + mag_x_buff[6]   + mag_x_buff[7] + mag_x_buff[8] + mag_x_buff[9] + mag_x_buff[10]   + mag_x_buff[11] + mag_x_buff[12] + mag_x_buff[13]  + mag_x_buff[14] )/15.0f;   // 對y軸方向磁力計數(shù)據進行濾波，取滑動平均  for(i=0;i<14;i++){   mag_y_buff[i] = mag_y_buff[i+1]; //滑動       }       if(Mpu_Data.mag_y > -500 && Mpu_Data.mag_y < 500){   mag_y_buff[14] = Mpu_Data.mag_y;  }  //取平均值  Mpu_Calc.mag_y = ( mag_y_buff[0] + mag_y_buff[1] + mag_y_buff[2]   + mag_y_buff[3] + mag_y_buff[4] + mag_y_buff[5] + mag_y_buff[6]   + mag_y_buff[7] + mag_y_buff[8] + mag_y_buff[9] + mag_y_buff[10]   + mag_y_buff[11] + mag_y_buff[12] + mag_y_buff[13]  + mag_y_buff[14] )/15.0f;  // 對磁力計z軸方向進行濾波  mag_z_buff[0] = mag_z_buff[1];  mag_z_buff[1] = Mpu_Data.mag_z;  Mpu_Calc.mag_z = (int16_t)((mag_z_buff[0] + mag_z_buff[1])/ 2.0f);}

● 角度數(shù)據計算

磁力計數(shù)據通過濾波后得到 x y z 三個軸方向的磁力分量，計算出 x 和 y軸的 tan 值，再通過反正切計算出角度，角度經過滑動平均得到最終需要顯示出來的指南針角度值，計算過程見如下代碼。

angle_buff[0] = angle_buff[1]; angle_buff[1] = angle_buff[2]; angle_buff[2] = ((uint16_t)(atan2((Mpu_Calc.mag_y - Mag_y_OffSet),   (Mpu_Calc.mag_x - Mag_x_OffSet)) *180 / PI + 180 )); angle = ((uint16_t)((angle_buff[0] + angle_buff[1] + angle_buff[2])    / 3.0 + 0.5));

指南針數(shù)據的傳輸

Geek_Lite_Board 開發(fā)板外掛 ESP8266 Wi-Fi 模組通過局域網 TCP 通信的方式將角度數(shù)據傳輸給潤和 RK3568 開發(fā)板，潤和 RK3568 開發(fā)板通過 NAPI 接口獲取底層網絡數(shù)據，從網絡數(shù)據中解析出角度數(shù)據，并在顯示屏上顯示出來。

角度數(shù)據的顯示

角度數(shù)據的顯示由潤和 RK3568 開發(fā)板實現(xiàn)，主要分為指南針顯示頁面的繪制和 NAPI 從局域網上獲取角度數(shù)據并展示到界面上。

指南針顯示頁面

指南針的顯示頁面主要通過 Canvas 組件畫圖完成，包含方位角度、指南針針盤和指示線，顯示整體效果如下圖所示。

指南針針盤由一個 Canvas 組件構成，包含了三個部分，分別為刻度盤、角度數(shù)字、方位文字，他們的效果圖分別如下：

● 刻度盤

● 角度數(shù)字

● 方位文字

Canvas組件相關知識可以參考：https://gitee.com/openharmony/do ... ts-canvas-canvas.md

NAPI

NAPI（Native API）是 OpenHarmony 標準系統(tǒng)的一種 JS API 實現(xiàn)機制，適合封裝 IO、CPU 密集型、OS 底層等能力并對外暴露 JS 接口，通過 NAPI 可以實現(xiàn) JS 與 C/C++ 代碼互相訪問。潤和 RK3568 應用端通過 NAPI 來接收設備端發(fā)出的檢測信息。

底層 NAPI 模塊封裝

● 本應用封裝的模塊名為 tcpserverapi，先下載源碼，源碼路徑為：

https://gitee.com/openharmony-sig/knowledge_demo_temp/tree/master/dev/team_x/napi_tcpservermodule/tcpservermodule

● 下載完成后放到 OpenHarmony 3.1 Release 版本源碼根目錄，并配置編譯腳本；第一次編譯完成需要燒寫整個鏡像，請參考[開發(fā)板上新 | RK3568 開發(fā)板上絲滑體驗 OpenHarmony 標準系統(tǒng)]：

https://gitee.com/openharmony-sig/knowledge_demo_smart_home/tree/master/dev/docs/rk3568_quick_start

● 后面修改模塊源碼，只需將庫send到板子里面。命令如下：

先掛載，再sendhdc_std shell mount -o remount,rw /hdc_std file send libtcpserverapi.z.so system/lib/module/libtcpserverapi.z.so應用端導入NAPI模塊import tcpserverapi from '@ohos.tcpserverapi'應用端NAPI接口調用//調用initServer接口 初始化 TCP 服務器tcpserverapi.initServer()//調用recvMsg 獲取并解析SMT32板子發(fā)送過來的角度tcpserverapi.recvMsg().then((result) => {                  var resultAngle = result.angle;                })

更多 NAPI 相關知識請參考《標準設備應用開發(fā) Native Api》視頻課程。