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将物联网带入生活

工业物联网(IIoT)有望为许多传统行业带来转型效应,这一点已被广泛认可。它不仅会发现效率低下的工艺,需要维护的工厂,还有助于管理层提高资产利用率,而且还有望实现一系列新的业务服务。部署诸如用于测量工业过程中的振动,温度和湿度的传感器将为分析应用提供基础数据以提取有用信息并控制工厂操作。随着许多组织采纳IIoT,传感器和执行器越来越需要结合某种形式的显示功能。IIoT的现实是,一切都从云应用程序自动化和控制,这与当地运营维护人员的需求不相适应。对他们来说,一个好处就是可以看到工厂的指标,以便在问题变得危急之前帮助确定当地的问题和问题。在很多情况下,这个要求可以通过一个显示器来显示,这个显示器显示来自多个传感器源的数据,理想情况下是在功能性工厂或资产层面。本文将介绍如何通过集成无线连接的低成本,紧凑型显示模块满足这一要求。理想情况下是在功能性工厂或资产层面。本文将介绍如何通过集成无线连接的低成本,紧凑型显示模块满足这一要求。理想情况下是在功能性工厂或资产层面。本文将介绍如何通过集成无线连接的低成本,紧凑型显示模块满足这一要求。
为了从生产线上的多个点获取数据,首选路线是在关键位置安装低成本,电池供电的无线连接传感器。这种传感器的设计标准决定了低资源微控制器,无线模块和传感器元件。在许多情况下,微控制器和无线模块已经成为一个,因为与运行无线协议栈相比,传感器数据的应用处理程度是最小的。对于嵌入式开发人员来说,这种传感器设备的设计是一个相对简单的任务。很可能大部分开发时间将用于实现省电睡眠模式,以平衡将功耗保持在最低水平的需求,同时减少对应用程序响应的影响。
但是,向传感器添加显示功能的需求显着增加了设计复杂度。首先,从实用的角度来看,添加任何实际使用的屏幕尺寸可能使实际尺寸加倍。其次,有功耗考虑。屏幕也将添加到主机微控制器的内存和计算规格,更不用说需要一个LCD控制器。在显示任何东西之前,开发人员需要准备字体和图像,如果要实现触摸屏,那么这些控制器也可以起作用。
对于面临实现这种设计的嵌入式开发人员来说,显然有很多选择。越来越多的时间,创建一个自定义的分立设计被视为一个缺点。获得采用的一种替代方案是使用紧凑型显示模块,该模块不仅将主微控制器与用户应用程序空间集成在一起,而且还提供无线通信。一个例子是最近推出的显示器(IOD)系列GEN4互联网从4D系统(图1)。基于围绕Espressif ESP8266的Wi-Fi的微控制器,该模块提供了一个电阻性触摸320×240像素的TFT 65000忠实于在尺寸生活彩色显示2.4,2.8或3.2英寸。
gen4互联网显示模块的图像
图1:gen4互联网显示模块。
该模块具有512 kB的用户Flash存储器和128 kB的SRAM,此外还有一个microSD插槽,用于安装额外的存储器以存储图像并用于数据记录应用。gen4-IoD 2.8英寸型号的外形尺寸为78.4 mm x 44.8 mm x 7.2 mm。编程最快的方法是通过免费下载的Arduino IDE。这种方法能够以最少的开发工具和资源快速实现设计概念的原型设计。需要一个gen4-IoD编程器适配器(图2)来实现与USB主机的直接通信,允许通过10针FPC电缆连接到任何4D系统gen4-IoD系列。
gen4-IoD编程适配器的图像
图2:gen4-IoD编程适配器。
使用Arduino IDE不仅为gen4-IoD模块提供了一种低成本且经过验证的编程方法,还可以访问大量ESP8266社区中的大量代码示例和资源。
从硬件角度来看,gen4-IoD得到了很好的支持,但是开发人员会发现软件应用程序资源的程度特别好。为了便于创建基于图形的用户界面,4D Systems提供了GFX4d库。包括原始图形函数的大量列表,库和其他资源可以从4D Systems GitHub存储库下载。该公司还提供了一个名为Workshop 4的图形开发环境,通过使用小部件和基于布局的自动编码来加速GUI应用程序的开发。
为了说明如何使用gen4-IoD显示器,让我们考虑一下我们希望从云平台接收和显示数据的要求。此外,假设数据是在工业过程中流过闸阀的流体温度的数据。显示器可能会安装在距离阀本身一定距离处,而温度传感器可能会放置在阀内或阀上。正如本文开头所讨论的,传感器的设计规格可能与显示器的设计规格有很大不同。
对于我们的例子,我们可以建立一个模拟接收数据的应用程序。然而,在我们看一下gen4-IoD显示器的设计之前,我们来看看使用现成的资源创建物联网测试平台的一些简单方法。由于我们的显示器只能从云端接收数据,因此我们需要找到一种方法将数据从传感器推送到云端。有许多无头的Wi-Fi单板计算机有这样的能力,例如微型Adafruit 羽毛M0板。配备了Microchip微控制器和Wi-Fi模块,Arduino IDE完全支持该电路板,从而实现快速原型设计。现在我们来看看如何使用这种方式将数据推送到物联网云平台。
消息队列遥测传输(MQTT)是物联网应用中最流行的协议之一。这个非常简单和轻量级的协议几乎适用于任何形式的网络。设备可以将数据“发布”到服务器,而从另一个角度来说,设备可以“订阅”到从服务器推送数据的提要。在服务器上,名为MQTT代理的小型应用程序处理订户和发布者之间的通信。有许多商用云平台可供您选择,但对于这个简单的例子,我们将使用Adafruit的Adafruit.IO平台。根据消息频率提供不同的使用计划,免费选项是原型设计的理想选择。Adafruit提供了详细的指南开始使用Feather M0板以及其他各种单板计算机的大量示例。在我们的例子中,我们使用了一个简单的草图,将Adafruit的MQTT库合并到Adafruit.IO中,将模拟的温度值作为15°C和28°C之间的随机数生成(图3)。
在Adafruit羽毛M0上使用的素描的图像Wi-Fi与Adafruit.IO进行通信
图3:使用Adafruit羽毛M0 Wi-Fi与Adafruit.IO进行通信的草图。
下面图4中的Adafruit.IO仪表板被设置为接收发布的数据。我们现在有一个MQTT数据馈送,我们可以订阅我们的gen4-IoD显示模块。
Adafruit.IO饲料仪表板的图像
图4:Adafruit.IO饲料仪表板
我们的gen4-IoD模块的第一项任务是设置GUI来显示通过我们假想阀门的液体的温度。我们使用Workshop 4 IDE来实现这一点。在开始之前,请确保您已经从4D Systems站点下载并安装了最新版本。运行应用程序并打开一个新项目,从可用设置中选择gen4-IoD显示。有两个主窗口框架,它在左边生成的Arduino草图代码,以及在右边的模块虚拟显示。(图5)。
为了尽可能方便地进行显示,在彩色背景上添加一个简单的阀门图标。
4D Systems Workshop 4的图像,右侧显示虚拟gen4-IoD显示
图5:右边有虚拟gen4-IoD显示的4D Systems Workshop 4。
工作坊4有不同的操作模式; 上面的例子强调了它可以在设计GUI时生成Arduino代码。提供全面的小部件,提供预定义的按钮,仪表和显示元素,进一步加速设计。在这个设计中,我们选择使用一个七段显示控件,把它从控件栏拖到阀门图像的中间。在图5中,在右下角的框架中,可以看到可以设置以适合您的应用程序的七个细分属性。在这里,我们决定提出两位数字,没有任何小数。静态文本,“进给阀15”是显示屏上显示的唯一的其他信息。
一旦你安排了图像小部件,你可以选择'编译'来生成相关的Arduino草图,它显示在图5的左侧。该过程还创建了需要存储在microSD卡上的屏幕布局文件在将其插入gen4-IoD模块之前。这一步还会使用Workshop 4项目的文件名创建一个常量定义文件,在这种情况下,FeedValveConst.h需要包含在主草图文件中。屏幕布局文件使用类似的命名约定。
下一个阶段是创建gen4-IoD显示的主草图文件。您可以选择使用Workshop 4 IDE来准备草图,而不是使用Arduino IDE。但是,要做到这一点,您仍然需要在同一台计算机上加载Arduino IDE,因为在编译和上传代码时,Workshop 4将对其进行后台调用。图6突出显示了包含ESP8266 Wi-Fi,4D Systems图形库和两个Adafruit MQTT文件的主要包含文件。还包括由Workshop 4 IDE创建的常量文件。然后,您需要输入SSID和密码参数,以允许显示模块连接到您的Wi-Fi,然后输入用于创建Feed的Adafruit.IO用户名和密钥。
用于设置gen4-IoD显示的包含文件的图像
图6:包含用于设置gen4-IoD显示的文件。
在草图中,还需要在设置部分输入一些命令来启动与图形库和显示功能的通信。这些显示在图7的上半部分。图像元素iStatictext1等在常量文件中定义,随后使用语法gfx.UserImages(iStatictext1,0)等进行寻址。在这种情况下,值参数阀温度,作为这个函数的第二个参数传递。
用于设置gen4-IoD显示功能的草图代码的图像
图7:设置gen4-IoD显示功能的草图代码。
完成的草图可以在上传之前在Arduino IDE中编译。如果尚未完成,需要将gen4-IoD显示模块添加到可用电路板列表中。模块的数据表中提供了详细的细节,但实际上它涉及在Arduino IDE首选项中添加一个电路板URL,以提供一个ESP8266类别,从中可以找到列出的gen4-IoD显示器。请注意,“ESP8266社区”电路板管理器文件提供了几个版本。应该选择2.3.0文件。
一旦草图上传完毕,电路板应该开始运行,显示屏将显示出来。使用串行监视功能是调试应用程序的一个非常方便的方法。在编写草图时,您可以随意使用Serial.print函数来指示程序的位置,以及任何关键变量。在图6的右上角,您可以在草图开始运行时看到串行监视器窗口。最初连接到无线接入点,它获得一个IP地址,然后连接到Adafruit.IO MQTT代理服务。然后订阅数据输入,并开始接收每个更新的阀门,这些阀门正在从羽毛M0板传递给饲料。
图8显示了gen4-IoD显示器与阀门图像和静态文本完全一样,它们是在Workshop 4中创建时的样子。
使用中接收来自Adafruit.IO的数据的gen4-IoD显示的图像
图8:使用从Adafruit.IO接收数据的gen4-IoD显示。

(责任编辑:ioter)

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