基于啟明RA6M5的物聯(lián)網(wǎng)居家環(huán)境健康監(jiān)控設(shè)備設(shè)計

01項目簡介

本項目實現(xiàn)了基于啟明RA6M5的《物聯(lián)網(wǎng)居家環(huán)境健康監(jiān)控設(shè)備》。項目以啟明RA6M5為主控，OLED為顯示設(shè)備用于顯示信息，HS3003傳感器用于采集環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)，MQ-5可燃氣體傳感器采集空氣中可燃氣體濃度，Max30102傳感器采集人體心率以及血氧值，遙感模塊為設(shè)備的本地控制端，內(nèi)部RTC用于實時時鐘，ESP8266模塊用于連接物聯(lián)網(wǎng)平臺以及更新實時時鐘時間，并且實現(xiàn)阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺的連接，用于數(shù)據(jù)上傳與下發(fā)，蜂鳴器用于環(huán)境危險報警。本項目實現(xiàn)了集環(huán)境監(jiān)控，健康監(jiān)控以及物聯(lián)網(wǎng)為一體的多功能監(jiān)控裝置。

02系統(tǒng)架構(gòu)

使用到的外設(shè)模塊有：

LED：紅色用于模擬燈，可以被遠程控制打開與關(guān)閉。綠色LED周期性呼吸，指示系統(tǒng)是否正常運行。

蜂鳴器：用于可燃氣體超閾值報警。

搖桿模塊：用于搖桿控制顯示界面切換以及報警關(guān)閉。

MQ-5可燃氣體傳感器：用于檢測空氣中可燃氣體濃度值。

EEPROM：用于保存MQ-5可燃氣體濃度閾值。

ESP8266 WIFI模塊：用于更新網(wǎng)絡時間以及連接物聯(lián)網(wǎng)平臺。

MAX30102：用于采集人體的心率以及血氧值。

HS3003：用于采集環(huán)境溫濕度信息。

OLED：用于顯示時間，溫濕度信息，可燃氣體濃度，心率，血氧數(shù)值，物聯(lián)網(wǎng)平臺鏈接狀態(tài)等信息。

詳細結(jié)構(gòu)描述見下圖：

所使用的板載資源以及OS資源見下圖所示：

03硬件資源說明

3.1 線路連接

板載資源不做說明(連線參考開發(fā)板原理圖)，只說外接模塊的連線。

3.1.1 OLED

使用了SCI I2C6:

SCL - P505

SDA - P506

VCC - 3.3V

GND - GND

3.1.2 HS3003
同OLED，使用了SCI6 I2C:

SCL - P505

SDA - P506

VCC - 3.3V

GND - GND

3.1.3 MQ-5

使用了ADC0 AN003:

ADC- P003（AN003）

3.1.4 MAX30102
使用了SCI3 I2C：

SCL - P408

SDA - P409

VCC - 3.3V

GND - GND

INT引腳使用了外部中斷：

INT - P804

3.1.5 搖桿模塊
使用了ADC0 AN001，AN002，AN010：

X軸 - P001（AN001）

Y軸 - P002（AN002）

Z軸（按鈕） - P010（AN010）

+5V - 3.3V

GND - GND

04軟件實現(xiàn)

4.1 OS資源說明

軟件使用了FreeRTOS實時操作系統(tǒng)，創(chuàng)建了7個任務，功能如下：

Os_Display：用于控制OLED顯示信息。

Os_LedCtrl：用于控制LED功能。

Os_HwInit：用于初始化公共資源，并且該任務是首先執(zhí)行的，執(zhí)行完畢之后其他任務才允許執(zhí)行，避免資源在未初始化之前使用。

Os_WifiCtrl：用于控制ESP8266模塊，進行聯(lián)網(wǎng)控制以及網(wǎng)絡資源管理。

Os_Sensor：用于采集傳感器信息，包括HS3003，MQ-5。

Os_JoystickCtrl：用于采集搖桿模塊信息，并且判斷搖桿模塊的動作。

Os_Max30102Ctrl：用于采集人體的心率以及血樣數(shù)值。

下圖簡單描述了各個任務的工作，由于各個部分的關(guān)系型較為復雜，下面以文字和示例圖詳細說明。

4.2 功能說明

首先上一張全家福：

4.2.1 HS3003溫濕度采集

通信方式：

HS3003通過I2C通信，與OLED控制使用了同一路SCI的I2C，通過互斥量相互隔離，實現(xiàn)一路I2C控制兩個從設(shè)備的目的。功能：

HS3003可以測量環(huán)境的溫度以及濕度信息，通過計算公式進行轉(zhuǎn)換成攝氏度以及百分比值。

周期性采集，每一秒鐘采集一次。供其他模塊使用。

4.2.2 MQ-5 可燃氣體濃度采集

通信方式：

MQ-5通過將采集到的可燃氣體濃度值轉(zhuǎn)換為ADC值輸出，單片機周期性采集ADC信號用于計算空氣中可燃氣體濃度。

功能：

MQ-5可燃氣體濃度傳感器可以采集空氣中的可燃氣體濃度，單位為ppm（百萬分之一），每一秒鐘更新一次數(shù)據(jù)。供其他模塊使用。

4.2.3 MAX30102心率血樣采集

通信方式：

MAX30102使用I2C通信，為了精度以及采集速率，使用了單獨的一路I2C來工作（其實和OLED使用同一路也是可以的）

功能：

MAX30102上面的INT中斷引腳用于判斷數(shù)據(jù)是否更新，當有更新數(shù)據(jù)時，中斷會拉高，數(shù)據(jù)被讀取之后拉低。

MAX30102會一直處于通信狀態(tài)，當中斷引腳變高之后，開始采集數(shù)據(jù)。當沒有手指放上去的時候，采集到的傳感器輸出值RED以及IR數(shù)值，輸出值大概在2000以內(nèi)，但是當手指放上去之后，輸出值會突變?yōu)?00000以上，以此來判斷是否有手指放在傳感器上做數(shù)據(jù)采集。

采集到的RED以及IR值會周期性變化，以此來計算心率以及血樣數(shù)值。

手指剛放上去的時候采集到的數(shù)值是不穩(wěn)定的，需要等待一段時間才會采集到穩(wěn)定的數(shù)值，血氧值大于95%，心率在60到120之前是較為正常的值。

4.2.4 搖桿模塊控制功能
通信方式：

搖桿模塊有兩個方向（X軸和Y軸）以及一個按鈕（Z軸），都是通過ADC進行采樣。

功能：

對搖桿模塊的控制，在X軸，Y軸和Z軸上都會輸出一個ADC值，通過對采樣值進行分析判斷可以直到當前搖桿處于什么位置，以此來實現(xiàn)控制的功能。

搖桿模塊用于對現(xiàn)實界面進行切換，當搖桿模塊滑向右和上方時（即X軸以及Y軸的正方向），則會切換到傳感器顯示界面；當搖桿模塊滑向左或者下方時（即X軸和Y軸的負方向）則切換到時間顯示界面。

4.2.5 報警功能

報警使用了板載的蜂鳴器，當MQ-5采集到的空氣中可燃氣體濃度大于設(shè)定閾值的時候就會打開蜂鳴器報警，報警閾值可以通過物聯(lián)網(wǎng)設(shè)置。也可以通過物聯(lián)網(wǎng)控制報警功能打開/關(guān)閉。

當設(shè)定閾值更新時，會判斷更新的閾值是否和當前閾值相等，不等則寫入EEPROM，下次系統(tǒng)上電的時候會自動從EEPROM中讀取閾值

4.2.6 ESP8266 網(wǎng)絡通信

板載的ESP8266 WIFI模塊用于物聯(lián)網(wǎng)通信，通信平臺為阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺，通信方式為MQTT。

ESP8266上電工作流程：

復位ESP8266

關(guān)閉回顯，連接AP

連接AP完成之后更新SNTP時間，并將時間寫入到RTC

時間更新完成之后MQTT通信連接阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺

數(shù)據(jù)通信（上載和下發(fā)），上載一秒鐘更新一次

使用了一個定時器用來判斷ESP8266 AT指令是否響應超時，如果超時，會重新發(fā)送。

連接了物聯(lián)網(wǎng)平臺之后，會將溫度、濕度、可燃氣體濃度、血氧數(shù)值，心率數(shù)值，可燃氣體報警閾值、報警開關(guān)以及LED亮度上傳到阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺。

物聯(lián)網(wǎng)平臺可以下發(fā)LED亮度百分比命令來控制本地LED的亮度。

物聯(lián)網(wǎng)平臺可以下發(fā)可燃氣體濃度報警閾值到本地。

物聯(lián)網(wǎng)平臺可以下發(fā)可燃氣體報警使能命令到本地。

下圖為阿里云平臺收到的數(shù)據(jù)：

下圖為阿里云平臺下發(fā)數(shù)據(jù)的調(diào)試界面：

4.2.7 OLED顯示功能

OLED提供顯示功能，包括：

上電顯示

日期時間星期顯示

wifi連接狀態(tài)顯示

IoT物聯(lián)網(wǎng)平臺連接狀態(tài)顯示

溫度、濕度、可燃氣體濃度顯示

心率、血氧顯示

上電之后會顯示啟動界面，1s之后切換到時間顯示界面

時間顯示界面下會顯示W(wǎng)IFI連接狀態(tài)，IoT物聯(lián)網(wǎng)平臺連接狀態(tài)，日期時間星期，空氣濕度和溫度。wifi圖標閃爍，表示在連接AP，常亮表示連接成功；IoT圖標閃爍表示在連接物聯(lián)網(wǎng)平臺，常亮表示連接成功；時間或從RTC中讀取并顯示。

當搖桿模塊滑向X軸或者Y軸正方向時，切換到傳感器數(shù)據(jù)顯示界面，此界面下，搖桿模塊滑到X軸或者Y軸負方向時，切換到時間顯示界面

當手指放到MAX30102傳感器上進行測量時，切換到心率血樣顯示界面，此界面下，手指離開MAX30102，則退回到之前的界面

4.2.8 燈控制功能

板載的LED1來模擬普通LED燈，亮度控制位百分比，支持0~100：0為關(guān)閉LED；100為全亮度。

通過物聯(lián)網(wǎng)平臺下發(fā)控制亮度命令，本地接收到命令之后使用PWM控制LED的亮度。

4.2.9 RTC

RTC用于本地實時時鐘

上電會自動從上一次的時間開始計時，EAP8266成功連接AP之后之后會自動發(fā)起時間更新命令獲取SNTP時間，并更新到本地RTC中。

06總結(jié)

本人是第一次使用野火的開發(fā)板，之前聽說過野火，但是一直沒機會接觸。無意間在公眾號中看到了本次比賽，遂毫不猶豫的參加了。啟明RA6M5給我的感覺就是精簡，美觀，板載資源豐富，擴展性強，給作品開發(fā)帶來了很多便攜性，像是板載ESP8266以及蜂鳴器，就減少了外擴模塊的工作。歷時三個月，終于算是完成了比賽，期間的心酸以及收獲也難以述說，遇到了很多難題，也收獲了很多知識。

簡而言之，本次比賽學習到了很多東西，也讓我了解了更多野火的產(chǎn)品。感謝野火提供的本次機會。祝愿野火越來越好，開發(fā)更多物美價廉的產(chǎn)品，方便廣大愛好者以及工程師。

審核編輯：湯梓紅