概要
本文给大家介绍一个基于N32G4FR和小度音响的智能家庭中枢控制系统项目，该项目是博主架构师李肯参加由国民技术与电子发烧友联合举办的N32 MCU移植挑战赛的参赛项目，旨在解决智能家庭中的中枢控制问题，希望能给大家带来帮助和启发。
如今，智能化的设备慢慢走进了千家万户，大大提升了人民生活的智能化，但是随之而来的是各种智能设备无法互联互通，形成了一片片信息孤岛，这就迫切需要一个中枢控制系统来接管这些零散的智能设备。
众观市场上的各种智能音响，小度音响凭借其优异的市场表现，占据了很大一块市场份额，使得“小度小度，现在几度”成为了家庭中很常见的交互问候语。
有这么一个设想，如果能把零散的智能设备，通过某种智能的方式接入一个中枢控制系统，而这个系统与小度音响直接打通，这样跟小度直接对话就能操作这些智能设备，这应该是一件很有市场前景的事，而本项目就是着力于实现这样的一个解决方案。
基于N32G4FR和小度音响的智能家庭中枢控制系统
本项目主要使用N32G4FR作为端侧的核心控制器，外加一个传感器器件、控制器件，实现与云端互通；同时集成对接小度智能音响，实现通过语音调度和控制家庭环境是智能设备。这里的智能设备包含有智能灯、智能空调、温湿度传感器等等。
家庭中的智能设备越来越多，一个集中式的智能家庭中枢控制系统迫在眉睫，旨在解决所有智能设备的调度和控制问题，为智能生活提供便利。
主要是设备端各项传感器器件和控制器件的集成，以及与小度音响的直连互通。
本项目初期是想在ESP32上实现的，后来看到本开源大赛，想着把此方案移植过来，也借此机会再次学习学习国民技术的N32系列芯片。
整个系统的核心架构图如下所示：
从上面这个核心架构图中，我们可以看到整个IoT系统组成，包括智能设备终端侧、巴法云物联网平台、小度云平台、小度音箱等等。下面就整个系统的几大重要组件，我会一一进行简要讲解。
终端侧主要承载的是对巴法云平台的对接，接收云平台下发的控制指令，同时做一些边缘侧的应用逻辑处理，还需要具备对外网络的通讯能力，保持与巴法云平台的MQTT长链接。
终端侧包括的核心组件有：国民技术的N32G4FR，搭载的是国产实时操作系统 RT-Thread，同时外设板载有 ESP8266 Wi-Fi通讯模组、红外发射器、继电器（GPIO模拟）等等。
终端侧不仅包含设备硬件，还需要对应的固件软件，两者相辅相成，共同完成终端侧的功能逻辑。
后端侧，其实没有真正的开发工作，仅仅是登录巴法云平台后台，配置MQTT板块，然后生成【智能空调】和【智能灯】两个设备，以便于终端侧和小度音响识别。
这里说的移动端，特指小度APP；其实这里面也没有开发工作，当你的小度APP账号登录之后，它有一个操作步骤可以加入基于巴法云平台的【智能设备】，按照说明添加成功后，就可以在小度APP上看到巴法云平台对应的设备列表了。
**详细的绑定操作步骤，见 此文的第二部分 **。
这块芯片整体的资源还是比较丰富的，它是N32G4FR系列（指纹专用型），采用32 bit Arm® Cortex®-M4F内核，内置10余种密码算法硬件加速引擎，集成大容 量加密Flash存储器，支持指纹信息安全存储，支持市场主流半导体指纹及光学传指纹感器，集成多达18个数字 通讯接口及4个模拟接口。
它的具体接口资源展示如下：
在我的项目中，我主要使用它的以下几个外设资源：
1）UART1：RT-Thread的终端调试串口；
2）UART2：用于连接串口WI-Fi模块ESP8266，实现网络通讯能力；
3）UART4：用于连接红外收发器，本次项目中主要使用其红外发射功能；红外发射主要用于控制外部的空调；
4）GPIO：PB4用作系统工作状态显示灯，PA8用于控制智能灯开关。
以下是我的实物连接示意图：
本次参赛，我采用了我惯用的Wi-Fi通讯模组ESP8266，非常的便捷，借助RT-Thread的软件包，基本无需编写任何代码，就可以实现网络能力；当然串口通讯还是需要配置一下，只不过不用谢代码而已。
我这里使用的搭建ESP8266 Wi-Fi芯片的模组ESP-12F，它是由安信可科技开发的，该模块核心处理器 ESP8266 在较小尺寸封装中集成了 业界领先的 Tensilica L106 超低功耗 32 位微型 MCU，带有 16 位精简模式，主频支持 80 MHz 和 160 MHz，支持 RTOS，集成 Wi-Fi MAC/ BB/RF/PA/LNA，板载天线。
本模块集成了以下几部分：
红外发射头：用于发射红外信号， 波长为940nm 38k NEC编码信号的发射；
红外接收头：用于接收 NEC 红外信号， 进而单片机进行分析解码操作；
红外头扩展: 该接口为红外发射头的扩展， 可以连接多个红外发射头（ 常称红外发射模块） ， 用于安放到不同的位置实现多方位控制；
UART 单片机串口通信接口：该端口为单片机串口（ TTL） ， 作为与外界单片机的通信桥梁， 其默认设置的波特率为9600bps；
使用单片机的串口就可以与之对接，非常的方便。
目前这一块的接入，采用的是GPIO做模拟，并没有实际接入继电器，但已经完全可以实现其操作原理。
其中，PB4用作系统工作状态显示灯，PA8用于控制智能灯开关。
整个软件部分的开发主要就是终端固件开发，主要包括四大部分：N32G4FR的原厂BSP、RT-Thread实时操作系统、ESP8266相关的配置代码使能、个性化的应用逻辑代码。
其中N32G4FR的原厂BSP基本不动，原厂和相关开发者已经适配好了；通用的RT-Thread操作系统的代码也不在此处的修改中，直接复用已有的代码，这里使用的版本是 4.1.1 。
ESP8266相关的AT、网络组件代码也是现成的，使能配置之后就可以直接用了，还是非常的方便。
除了AT相关的软件包代码外，我还使用了 paho-mqtt 这个软件包，这个软件包主要封装了MQTT协议的实现技术细节，开放了一些灵活好用的API给到应用层，以便于提供MQTT的通讯能力。
还有一个cJSON的软件包，这里也使用到了，它用于做一些上下行数据包的解析和封装，主要原因是需要解析一些与云平台对接的数据协议，这就要求终端必须具备解析JSON数据的能力。
所以这里重点讲一下，应用逻辑的代码：主要包括红外收发器的控制、GPIO的控制等，而这些控制信号的输入，都是来源于巴法云平台的下发，而巴法云平台的联动下发则来源于用户对小度音响的语音控制输入。
以下是终端软件应用逻辑部分的层次图：
其中：
Wi-Fi线程 ：由于在RT-Thread中AT组件是开启后，默认就跑起来了，而在应用层暂时没有一个比较好的方式感知网络能力的建立，所以这里新建了一个线程，用于实时检查网络通讯能力；当网络通讯能力已建立时，通过信号量的方式，通知其他模块。
Smart Home MQTT线程 ：主要负责跟巴法云物联网平台进行对接，采用的MQTT通讯协议，它的运行，依赖于基础网络能力的建立；当它与巴法云物联网平台建立联系时，它就可以接收平台的控制指令下发，比如开关空调或开关照明灯等；
红外接收处理线程 ：该线程主要用于接收外部的标准NEC红外信号，此功能本项目暂时未实际使用，仅用于学习若干红外遥控器的键值；
系统运行展示线程 ：此线程并没有参与过多的应用逻辑，仅仅是每一秒钟闪烁一下运行指示灯，表示系统正在运行中。
以上各个线程各司其职，相辅相成，共同完成智能家庭中枢控制系统的逻辑功能。
下面展示的是工程项目中的代码结构，里面的代码结构一本与上面的代码逻辑示意图保持一致。
1）熟悉国民技术N32系列MCU的基本开发资料
这一步主要是熟悉开发板的基本资源，对外设等信息有一定的概念，以便于方便后续的开发调试；同时，还需要把相关的一些官方软件给安装好，熟练使用配置工具和下载工具。
文末有好几份我当时参考的教程，基本根据上面的步骤来，很快就可以完成初始的上手操作。
这里其实就是踩坑的开始，详细的可以参见下文对踩坑的各种总结，只有第一步踩坑踩好了，才能逐步进行下面的研发活动。
2）移植RT-Thread操作系统
本次参赛，其实并不要求去移植RT-Thread，其实也要多感谢RT-Thread官方和社区的小伙伴，其实他们都已经做好了基本的移植了，只需要对照着自己的开发板资源跳调整一下即可。
有了上面的踩坑经验，直接上手RT-Thread的DEMO教程，很快就可以把操作系统跑起来了，一切都回归到熟悉的地方，研发进度再次提速。
下面就是基于RT-Thread操作系统进行编程了。
3）配置RT-Thread的软件包
由于我是采用RT-Thread Studio开发环境，而它本身就集成了配置界面，所以我直接在上面就可以做各种配置，需要再次吐槽的就是，配置完了之后生成对应的文件，实在是太慢了。
这个项目中，我使用了paho-matt软件包、AT-device软件包、CJSON软件包；的确让我的项目开发提速了不少。
4）配置巴法云物联网平台
我是参考这个 esp8266接入小度语音，小度音箱控制 来创建自己的自定义产品的，并实现与小度音箱的绑定的。
基本上以上4步完成后，终端就可以很顺利地连上巴法云物联网平台了，而这期间基本就是零代码，全部都归功于RT-Thread灵活的代码配置工具，非常地赞。
5）调试外设驱动
这里主要是调试各种驱动接口，包括红外发射器的UART接口、照明灯开关的GPIO控制。
在调试过程中，一般一个个模块来，避免模块直接的干扰，这样可以有效地加快开发速度。
需要注意的是，N32系列的BSP在适配RT-Thread的时候，采用的都是V1版本的串口驱动，所以大家在使用串口接口的时候，一定要记得使用V1接口。
等到各个功能模块完成后，统一串起来跑一跑，确保没有问题。
6）全功能自测
到了这一步，基本功能开发就已经完成了，需要将终端设备的功能与云端能力联系起来调试，比如对小度音箱进行控制语音输入，看一下巴法云平台能否推送对应的控制消息下来，同时看下终端能否对控制消息进行合理的处理，比如控制空调开关或者控制照明开关等。
7）准备结项资料
项目收尾的最后，需要准备各种结项资料，包括项目稳定、演示视频、各种实物图片等等。
本期项目中，已实现以下功能：
以下是项目的部分图片展示：
视频展示部分，已更新，见硬声平台， 戳这里
视频中基本演示了，通过小度音箱输入控制指令，进而达到控制终端器件（空调或智能灯）的目的。
视频可见文末展示 。
**本参赛项目的源代码已全面开源在 这里 **
**其中应用部分的代码在 n32-iot-xiaodu-smart-home/tree/master/applications **
有关项目源代码的事情，也可与我讨论。
项目虽然即便完成了，但是有些东西还是需要好好复盘总结的。
这一块还是比较多，我特意开了一个帖子来总结，参加这里： https://bbs.elecfans.com/jishu_2337568_1_1.html
本次大赛，基本还算是完全独立完成的，技术上没有请教太多小伙伴，就是在FTP资料下载的时候，请教了一个群友，感谢他提供的FTP工具，帮忙我得到了第一手官方权威资料，也使得我的参赛项目得以加速进行，再次表示感谢。
本次项目介绍后，我还继续探索RT-Thread在各种嵌入式平台开发的可能性，并以此来要求自己输出各种关于RT-Thread、嵌入式、物联网等等热门技术话题的原创内容，欢迎大家持续关注我。
我是 架构师李肯 （ 全网同名 ）， 2022年电子发烧友论坛优秀开发者、2022年RT-Thread技术社区优秀布道者、CSDN博客专家 ，欢迎大家来交流。
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