如何通過物聯(lián)網(wǎng)無線連接解決緊湊顯示模塊問題

人們普遍認(rèn)為，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）有望為許多傳統(tǒng)行業(yè)帶來變革性影響。它不僅可以發(fā)現(xiàn)效率低下的流程，需要維護(hù)的工廠，還可以幫助管理提高資產(chǎn)利用率，而且還有望實(shí)現(xiàn)大量新業(yè)務(wù)服務(wù)。部署傳感器（例如用于測量工業(yè)過程中的振動(dòng)，溫度和濕度的傳感器）將為分析應(yīng)用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，以提取有用信息并控制工廠操作。由于許多組織都采用IIoT，因此越來越需要傳感器和執(zhí)行器來結(jié)合某種形式的顯示功能。 IIoT的實(shí)際情況是，所有內(nèi)容都是通過云應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化和控制的，這與當(dāng)?shù)剡\(yùn)營和維護(hù)人員的需求不一致。對(duì)他們而言，一個(gè)好處是可以看到工廠指標(biāo)，以便在問題變得嚴(yán)重之前幫助識(shí)別他們。在許多情況下，這個(gè)要求可以通過使用單個(gè)顯示器來實(shí)現(xiàn)，該顯示器顯示來自多個(gè)傳感器源的收集數(shù)據(jù)，理想情況是在功能工廠或資產(chǎn)級(jí)別。本文將展示如何通過結(jié)合無線連接的低成本，緊湊型顯示模塊來滿足此要求。

為了從生產(chǎn)線上的多個(gè)點(diǎn)獲取數(shù)據(jù)，首選路線已經(jīng)過在關(guān)鍵位置添加低成本，電池供電的無線連接傳感器。這種傳感器的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了低資源微控制器，無線模塊和傳感器元件。在許多情況下，微控制器和無線模塊已成為一體，因?yàn)榕c運(yùn)行無線協(xié)議棧相比，傳感器數(shù)據(jù)的應(yīng)用程序處理程度最小。對(duì)于嵌入式開發(fā)人員來說，這種傳感器設(shè)備的設(shè)計(jì)是一項(xiàng)相對(duì)簡單的任務(wù)。大多數(shù)開發(fā)時(shí)間可能用于實(shí)現(xiàn)省電睡眠模式，以平衡將功耗降至最低的需求，同時(shí)降低對(duì)應(yīng)用響應(yīng)的影響。

但是，需要添加顯示器傳感器的功能顯著增加了設(shè)計(jì)復(fù)雜性。首先，從實(shí)用的角度來看，添加任何實(shí)際使用的屏幕尺寸可能會(huì)使物理尺寸加倍。其次，有功耗考慮因素。屏幕還將增加主機(jī)微控制器的存儲(chǔ)器和計(jì)算規(guī)格，更不用說需要LCD控制器。在顯示任何內(nèi)容之前，開發(fā)人員需要準(zhǔn)備字體和圖像，如果要實(shí)現(xiàn)觸摸屏，那些控制器也會(huì)起作用。

對(duì)于面向?qū)崿F(xiàn)這種設(shè)計(jì)的嵌入式開發(fā)人員，有顯然有很多選擇。越來越多地，創(chuàng)建定制分立設(shè)計(jì)所花費(fèi)的時(shí)間被視為一個(gè)缺點(diǎn)。一種可供采用的替代方案是使用緊湊的顯示模塊，該模塊不僅將主微控制器與用戶應(yīng)用空間集成，而且還提供無線通信。一個(gè)例子是最近推出的4D系統(tǒng)的gen4顯示器（IoD）系列（圖1）。該模塊基于Espressif ESP8266 Wi-Fi微控制器，提供電阻式觸摸320 x 240像素TFT 65,000真實(shí)彩色顯示屏，尺寸為2.4,2.8或3.2英寸。

圖1：gen4互聯(lián)網(wǎng)顯示模塊。

該模塊具有512 kB的用戶閃存和128 kB的SRAM，以及用于安裝額外存儲(chǔ)空間的microSD插槽圖像并用于數(shù)據(jù)記錄應(yīng)用程序。 gen4-IoD 2.8英寸型號(hào)的整體尺寸為78.4 mm x 44.8 mm x 7.2 mm。最快的編程方法是通過免費(fèi)下載的Arduino IDE。這種方法可以用最少的開發(fā)工具和資源實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)概念的快速原型設(shè)計(jì)。需要gen4-IoD編程器適配器（圖2）才能實(shí)現(xiàn)與USB主機(jī)的直接通信，允許通過10針FPC電纜連接任何4D系統(tǒng)gen4-IoD系列。

圖2：gen4-IoD編程適配器。

使用Arduino IDE不僅提供了一種低成本且經(jīng)過充分驗(yàn)證的gen4-IoD模塊編程方法，還可以從廣泛的ESP8266社區(qū)訪問大量代碼示例和資源。

從硬件角度來看，gen4-IoD得到了極好的支持，但開發(fā)人員會(huì)發(fā)現(xiàn)軟件應(yīng)用程序資源的程度特別好。為了便于創(chuàng)建基于圖形的用戶界面，4D Systems提供了GFX4d庫。包括廣泛的原始圖形函數(shù)列表，可以從4D Systems GitHub存儲(chǔ)庫下載庫和其他資源。該公司還提供了一個(gè)名為Workshop 4的圖形開發(fā)環(huán)境，它通過使用小部件和基于布局的自動(dòng)編碼來加速GUI應(yīng)用程序的開發(fā)。

為了說明如何使用gen4-IoD顯示，讓我們考慮一下我們希望從云平臺(tái)接收和顯示數(shù)據(jù)的要求。此外，假設(shè)數(shù)據(jù)是在工業(yè)過程中流過閘閥的流體溫度的數(shù)據(jù)。顯示器可能安裝在離閥本身一定距離的位置，而溫度傳感器則可放置在閥門內(nèi)或閥門上。正如文章開頭所討論的那樣，傳感器的設(shè)計(jì)規(guī)格可能與顯示器的設(shè)計(jì)規(guī)格大不相同。

對(duì)于我們的示例，我們可以設(shè)置一個(gè)只模擬接收數(shù)據(jù)的應(yīng)用程序。但是，在我們看一下gen4-IoD顯示器的設(shè)計(jì)之前，讓我們看一下使用現(xiàn)有資源創(chuàng)建物聯(lián)網(wǎng)測試臺(tái)的一些簡單方法。由于我們的顯示器只接收來自云的數(shù)據(jù)，我們需要找到一種方法將數(shù)據(jù)從傳感器推送到云端。有許多具有這種能力的無頭Wi-Fi單板計(jì)算機(jī)，其中一個(gè)例子是微型Adafruit Feather M0板。該電路板配備Microchip微控制器和Wi-Fi模塊，完全支持Arduino IDE，可實(shí)現(xiàn)快速原型設(shè)計(jì)。現(xiàn)在讓我們看一下如何將數(shù)據(jù)推送到物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)。

物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中最常用的協(xié)議之一是消息隊(duì)列遙測傳輸（MQTT）。這種極其簡單輕便的協(xié)議幾乎可用于任何形式的網(wǎng)絡(luò)。設(shè)備可以將數(shù)據(jù)“發(fā)布”到服務(wù)器，而另一方面，設(shè)備可以“訂閱”從服務(wù)器推送數(shù)據(jù)的訂閱源。在服務(wù)器上，一個(gè)名為MQTT代理的小應(yīng)用程序處理訂閱者和發(fā)布者之間的通信。您可以從應(yīng)用程序中選擇許多商用云平臺(tái)，但是對(duì)于這個(gè)簡單的示例，我們將使用Adafruit的Adafruit.IO平臺(tái)。根據(jù)消息頻率提供不同的使用計(jì)劃，免費(fèi)選項(xiàng)是原型設(shè)計(jì)的理想選擇。 Adafruit提供了詳細(xì)的入門指南，以便開始使用Feather M0板以及大量用于各種其他單板計(jì)算機(jī)的示例。在我們的例子中，我們使用了一個(gè)簡單的草圖，其中包含了Adafruit的MQTT庫，該庫將15°C和28°C之間的隨機(jī)數(shù)生成的模擬溫度值（圖3）發(fā)送到Adafruit.IO。

圖3：使用Adafruit Feather M0 Wi-Fi與Adafruit.IO進(jìn)行通信的草圖。

下圖4中的Adafruit.IO儀表板已設(shè)置最多可以接收已發(fā)布的數(shù)據(jù)。我們現(xiàn)在有一個(gè)MQTT數(shù)據(jù)饋送，我們可以訂閱我們的gen4-IoD顯示模塊。

圖4：Adafruit.IO飼料儀表板。

我們使用gen4-IoD模塊的第一個(gè)任務(wù)是設(shè)置GUI以顯示通過我們想象的閥門的液體溫度。我們使用Workshop 4 IDE來實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。在開始之前，請(qǐng)確保已從4D Systems站點(diǎn)下載并安裝了最新版本的此版本。運(yùn)行應(yīng)用程序并打開一個(gè)新項(xiàng)目，從可用設(shè)置中選擇gen4-IoD顯示。有兩個(gè)主窗口框架，左邊生成的Arduino草圖代碼，右邊是模塊的虛擬顯示。 （圖5）。

為了使顯示器盡可能方便用戶，在彩色背景上添加一個(gè)簡單的閥門圖標(biāo)。

圖5： 4D Systems Workshop 4，右側(cè)顯示虛擬gen4-IoD。

工作室4有各種操作模式;上面說明的那個(gè)突出顯示它可以在您設(shè)計(jì)GUI時(shí)生成Arduino代碼。提供全面的小部件，提供預(yù)定義的按鈕，儀表和顯示元素，進(jìn)一步加快設(shè)計(jì)速度。在此設(shè)計(jì)中，我們選擇使用七段顯示小部件，方法是將其從小部件欄拖動(dòng)到閥門圖像的中間。在圖5中，在右下方框架中，您可以看到可以設(shè)置的七個(gè)段屬性以適合您的應(yīng)用程序。在這里，我們決定提供兩位數(shù)字，沒有任何小數(shù)。靜態(tài)文本“Feed Valve 15”是顯示屏上顯示的唯一其他信息。

一旦排列了圖像小部件，就可以選擇“編譯”以生成相關(guān)的Arduino草圖，該草圖顯示在圖5的左側(cè)，該過程還創(chuàng)建了在將其插入gen4-IoD模塊之前需要存儲(chǔ)在microSD卡上的屏幕布局文件。此步驟還使用Workshop 4項(xiàng)目的文件名創(chuàng)建常量定義文件，在本例中為FeedValveConst.h，需要包含在主草圖文件中。屏幕布局文件使用類似的命名約定。

下一步是為gen4-IoD顯示創(chuàng)建主草圖文件。您可以選擇使用Workshop 4 IDE來準(zhǔn)備草圖，而不是使用Arduino IDE。但是，要做到這一點(diǎn)，您仍然需要在同一臺(tái)計(jì)算機(jī)上加載Arduino IDE，因?yàn)閃orkshop 4將在編譯和上載代碼時(shí)對(duì)其進(jìn)行后臺(tái)調(diào)用。圖6突出顯示了主要的包含文件，其中包括ESP8266 Wi-Fi，4D系統(tǒng)圖形庫以及兩個(gè)Adafruit MQTT文件。還包括Workshop 4 IDE創(chuàng)建的常量文件。然后，您需要輸入SSID和密碼參數(shù)，以便顯示模塊連接到您的Wi-Fi，然后輸入用于創(chuàng)建Feed的Adafruit.IO用戶名和密鑰。

圖6：包含用于設(shè)置gen4-IoD顯示的文件。

在草圖中，您還需要在設(shè)置部分輸入許多命令以啟動(dòng)與圖形庫和顯示功能。這些顯示在圖7的上半部分。圖像元素iStatictext1等在常量文件中定義，隨后使用語法gfx.UserImages（iStatictext1,0）等進(jìn)行尋址。在這種情況下，值參數(shù)閥門溫度，作為該函數(shù)的第二個(gè)參數(shù)傳遞。

圖7：用于設(shè)置gen4-IoD顯示功能的草圖代碼。

在上傳之前，可以在Arduino IDE中編譯完成的草圖。如果尚未完成，則需要將gen4-IoD顯示模塊添加到可用板的列表中。模塊的數(shù)據(jù)表中提供了完整的詳細(xì)信息，但實(shí)質(zhì)上它涉及在Arduino IDE首選項(xiàng)中添加板URL以提供ESP8266類別，您可以從中找到列出的gen4-IoD顯示。請(qǐng)注意，有幾個(gè)版本的“ESP8266 by ESP8266 Community”電路板管理器文件。應(yīng)該選擇2.3.0文件。

上傳草圖后，電路板應(yīng)該開始運(yùn)行，顯示應(yīng)該變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。使用串行監(jiān)視器功能是一種非常方便的調(diào)試應(yīng)用程序的方法。編寫草圖時(shí)，您始終可以自由使用Serial.print函數(shù)來指示程序的位置以及任何關(guān)鍵變量。在圖6的右上角，當(dāng)草圖開始運(yùn)行時(shí)，您可以看到串行監(jiān)視器窗口。最初連接到無線接入點(diǎn)，它獲取IP地址，然后連接到Adafruit.IO MQTT代理服務(wù)。然后訂閱數(shù)據(jù)饋送并開始接收從羽毛M0板傳遞給饋送的每個(gè)更新的閥門。

圖8顯示了使用閥門圖像和靜態(tài)文本的gen4-IoD顯示器與在Workshop 4中創(chuàng)建的完全一樣。

圖8：正在使用的gen4-IoD顯示從Adafruit.IO接收數(shù)據(jù)。

結(jié)論

在本文中，我們在很短的時(shí)間內(nèi)取得了很多成就。我們已經(jīng)看到開始將數(shù)據(jù)推送到云IoT應(yīng)用程序然后將其接收回模塊不僅集成了計(jì)算和通信功能，而且還有顯示器是多么容易。雖然此示例中的顯示布局非常簡單，但只需幾分鐘即可完成。無需擔(dān)心必須創(chuàng)建字體或任何特殊圖像，庫或驅(qū)動(dòng)程序。此外，由于顯示器由一個(gè)非常流行的無線微控制器平臺(tái)托管，開發(fā)人員可以放心，有來自擴(kuò)展的用戶社區(qū)的支持。訪問免費(fèi)的云資源，MQTT代理服務(wù)以及所有必需的驅(qū)動(dòng)程序和庫文件，可以輕松進(jìn)行原型設(shè)計(jì)。