N32G457基于RT-Thread和N32G457的墨水屏日历

Posted 2022-04-09 RT-Thread物联网操作系统

本文是RT-Thread用户@xusiwei1236 原创发布，是用于参加RT-Thread与国民技术联手推出N32G457 RT-Thread设计大赛，原文：https://club.rt-thread.org/ask/article/3649.html

基于RT-Thread和N32G457的墨水屏日历

项目概述

本项目硬件部分包含N32G457开发板、ESP8266 Wi-Fi模组、W25Q128闪存模组、4.2寸三色墨水屏和墨水屏驱动板，硬件功能上使用了N32G457芯片的SPI、UART、GPIO。软件部分包含业务代码、RT-Thread内核、RT-Thread组件包以及微雪的墨水屏驱动，软件上使用了RT-Thread的一些内核API（线程、信号量、互斥锁等），以及组件库的不分组件报（at_device、cJSON、FlashDB、gbk2utf8、webclient、netutils）。最终实现了——在4.2寸三色墨水屏上显示当前日期、所在城市、室外温度、天气、阳历、农历等信息。

项目背景

本项目是【RT-Thread-创新“芯”引擎 | 国民技术N32G457 RT-Thread设计大赛】参赛项目之一，大赛活动链接：

https://club.rt-thread.org/ask/article/3236.html

项目简介

本项目实现了哪些功能？

1. 实现了基于NTP的时间同步；
2. 实现了查询当前公网IP地址；
3. 实现了查询当前所在城市；
4. 实现了查询实时天气信息；
5. 实现了在墨水屏上显示阳历、农历、星期、周数、实时天气等信息；
6. 实现了阳历和农历对应信息保存到闪存中，避免重复联网查询；

本项目有什么创新点？

1. 相比纸质日历，无需手动翻页；
2. 相比纸质日历，可以显示实时天气信息；
3. 相比LCD/OLED屏的同类产品，电子墨水屏的功耗更低，更节能环保；

硬件部分

本项目主要包括x个硬件模块：

1. N32G457开发板，作为主控制器控制其他外设；
2. 微雪的墨水屏驱动板，用于驱动墨水屏；
3. 4.2英寸三色墨水屏，分辨率400x300；
4. ESP8266 Wi-Fi模组，用于实现联网能力；
5. W25Q128闪存模块，容量16MB，用于存储中文字体，以及阳历和农历的对应关系等数据；

硬件模块间连接

五个硬件模块之间的整体连接关系如下图：

开发板引脚分配

主要使用到的资源，以及开发板和外设的引脚连接关系（控制部分）：

具体使用情况说明：

1. UART
   • UART4：连接ESP-01S模块，用于实现联网获取时间和实时天气信息；
2. SPI
   • SPI1：连接W25Q128模块，用于和闪存芯片通信，实现数据存储功能；
   • SPI2：连接墨水屏驱动板，用于和墨水屏通信，实现界面显示；
3. GPIO
   • 连接墨水屏扩展板上的EPD_CS，用于输出墨水屏的片选信号；
   • 连接墨水屏扩展板上的EPD_DC，用于输出墨水屏的数据/命令信号；
   • 连接墨水屏扩展板上的EPD_RST，用于输出墨水屏的复位信号；
   • 连接墨水屏扩展板上的EPD_BUSY，用于墨水屏的繁忙状态的输入；
   • 连接W25Q128模块的CS，用于输出闪存芯片的片选信号；
   • 开发板自带的三个按键，用于作为输入按键；
4. 3V3/GND
   • 连接ESP-01S模块，用于向ESP8266芯片供电；
   • 连接墨水屏扩展板，用于向SRAM和墨水屏供电；
   • 连接W25Q128模块，用于向闪存芯片供电；

软件部分

本项目的软件部分基于RT-Thread物联网操作系统，除了本项目开发的业务逻辑代码外，还使用了一些RT-Thread 内核API、一些RT-Thread软件包，以及一些三方组件，下面分别介绍。

主代码仓：https://gitee.com/N32G457/e_calendar（欢迎Star支持）

下载命令：git clone --recursive https://gitee.com/N32G457/e_calendar.git

部分组件通过git submodule引用了其他代码仓，具体见.gitmodules文件；

组件框图

软件各部分的组件框图如下：

业务代码

本项目开发的业务代码位于applications目录下，具体文件功能如下（大部分是.c和.h两个文件）：

1. amap_location_api 高德定位API对接；
2. amap_weather_api 高德天气预报API对接；
3. chinese_date_api 农历查询API对接；
4. fs_init.c 闪存分区挂载（依赖RT-Thread内核的fatfs支持）；
5. http_api_utils http工具函数；
6. hzk16 HZK16汉字字体相关接口；
7. hzk16_data HZK16汉字字体数据；
8. hzk16_setup 将HZK16字体安装到闪存分区；
9. key_task 按键扫描任务；
10. kvdb 封装了FlashDB里面的KVDB，更容易使用；
11. main.c 程序入口；
12. network_task 网络任务，用于处理网络请求（农历查询较慢，所以单独放在一个任务里面执行）；
13. sohu_wanip_api 搜狐公网IP查询API对接；
14. time_utils 时间处理工具函数；
15. ui_consts UI常量；
16. ui_draw UI绘制，界面绘制逻辑单独放在了这里面；
17. ui_task UI任务，调用ui_draw实现相关功能；

N32G457 BSP

对于N32G457的BSP，也修改了：

1. 修改了pin驱动，添加了rt_pin_get接口的支持，已提PR并合入RT-Thread主仓；
   • 链接：https://github.com/RT-Thread/rt-thread/pull/5520
2. 修改了国民技术SDK里面的RT-Thread spi驱动，修复了SPI1默认配置不对的问题，支持了SPI2，暂未提交PR；

RT-Thread组件包

本项目使用到的RT-Thread软件包位于packages目录下：

1. at_device
   • 提供ESP8266 AT命令构造和响应解析功能，实现联网；
2. netutils
   • 提供网络时间协议（NTP）的实现，实现从网络获取时间、设置时间；
3. webclient
   • 提供了超文本传输协议（HTTP）客户端的实现，用于天气查询请求的发送和接收；
4. cJSON
   • 一个轻量级的纯C实现的JSON字符串解析库，用于解析天气查询响应的JSON字符串；
5. FlashDB
   • 一个嵌入式数据库，提供了键值数据库（KVDB）和时序数据库（TSDB）两类API，同时提供了一些msh的测试命令；
   • 修改：bench命令中的KV测试次数改为60，允许创建kvdb时格式化分区；
   • 代码仓：https://gitee.com/N32G457/FlashDB.git
6. gbk2utf8
   • GBK和UTF8互相转换，HTTP API返回的汉字是UTF8编码的；

其他三方软件包

本项目使用到的其他三方软件均来自外设模块供应商，代码放在board目录下，包括：

1. epaper
   • 微雪墨水屏扩展板驱动软件包，来自微雪的[E-Paper_Shield](E-Paper Shield - Waveshare Wiki)页面；
   • 删除了无用的代码，包括不是4.2寸屏幕的代码、以及SD卡驱动；
   • 修改了GPIO相关的代码，改为用RT-Thread的pin驱动接口；
   • 修改了SPI相关的代码，改为用RT-Thread的spi驱动接口；
   • 添加了基于RT-Thread finsh的墨水屏测试程序（绘制棋盘格、全屏填充、输出引脚测试），可以在shell模式下通过命令调用执行；

效果展示

演示视频：https://www.bilibili.com/video/BV1344y1V7mR

项目小结

这里是现阶段的项目小结：

1. 原打算用微雪的Arduino墨水屏扩展板作为驱动板，结果中途该板子坏了，后来替换为的微雪的树莓派墨水屏驱动板，两者的差异主要是前者有一个128KB的SRAM芯片，不占用主控单片机的内存，后者需要30KB内存占用（300x400/8*2）；
2. 农历日期查询，没有找到比较好的云服务提供商，只找到了tianapi.com的黄历服务，但是他们免费用户的单日调用次数太少了，所以基于Spring Boot 和Redis做了一个带缓存的黄历服务；
3. 目前选用的4.2寸三色墨水屏的刷新太慢了——单次刷新需要15秒，而且不支持局部刷新，而且价格不便宜，略坑，不推荐；

开发指南

对于部分想要基于本项目进行二次开发的朋友，需要注意以下细节；

下载代码

下载命令：git clone --recursive https://gitee.com/N32G457/e_calendar.git

本项目代码仓使用了git submodule功能，使用git clone命令下载时需要带 --recursive参数才能下载全部代码，网页端下载的zip包不包含子模块，编译会失败；

编译代码

编译命令：scons -j 9

本项目后期我是用scons命令编译的，RT-Thread Studio的工程文件.cproject，.project和.settings已经不是最新的了，不保证可以直接导入RT-Thread Studio成功，以及编译通过；

下载固件

下载脚本：flash.bat

里面有我本地的RT-Thread Studio的安装路径，可能需要根据你的实际情况修改；

高德定位和天气服务

本项目使用了高德定位和高德天气服务，需要注意：

1. 需要注册高德开发者账号，并申请API Key之后才能使用相关功能；
2. API Key的Kconfig配置项位于菜单"Application config" -> “AMAP API config” 菜单下；
3. 由于在项目顶层Kconfig直接添加source "applications/Kconfig"选型后RT-Thread env工具打开会报错，因此source "applications/Kconfig"添加到了board/Kconfig文件中了；

农历查询服务

农历查询服务是基于Spring Boot和Redis搭建的tianapi.com的黄历服务的缓存版本，主要解决了：

1. tianapi允许的每日API调用次数太少的问题；
2. 移除了响应中目前设备端不需要的一些字段；

代码仓地址：https://gitee.com/swxu/wservice.git

硬件物料清单

本项目包含的物料清单如下（都可以直接淘宝买到）：

编号	物品名称	价格	商家	备注
1	N32G457开发板	不详	国民技术	活动方提供的
2	4.2寸（红白黑）三色墨水屏	126	WaveShare微雪电子	不包邮，邮费8元
3	树莓派墨水屏驱动板	56	WaveShare微雪电子
4	W25Q128闪存模组	11.96	telesky旗舰店/risym旗舰店	包邮
5	ESP-01S模组+烧录器	17.5	佳信微数码专营店	满19.9包邮
6	40P母对母杜邦线（10cm）	2	佳信微数码专营店
7	40P公对母杜邦线（10cm）	3.3	佳信微数码专营店
8	迷你逻辑分析仪（C口）+5条贴片测试钩	38	Muse Lab	不包邮，邮费3元

注：

1. 部分商品价格可能会有变动，上表仅为我购买时的不含邮费的价格；
2. ESP-01S烧录器不是必选，如果有其他USB-UART转接器也可以用；
   • 这个转换器也可以当USB-UART转接器用，
   • 标号是为了ESP-01S对应的，所以实际上TX是接收脚，RX是发送脚；
3. 逻辑分析仪不是必选项目，但是非常方便用来对SPI相关的问题进行调试；

接线注意事项

接线需要注意的细节有：

1. W25Q128模组的DI脚作为SPI的MOSI，DO脚作为SPI的MISO；
2. 最好有一块万用表，可以用于检查线路连通性；