详解GD32 RISC-V MCU和腾讯云打造PM2.5监控终端-兆易创新GD32 MCU

详解GD32 RISC-V MCU和腾讯云打造PM2.5监控终端

鹅民大气监测项目是一个以腾讯云物联网开发平台为基础起点，并叠加多款云产品后，实现的一个验证型项目。目标是基于腾讯完善的产品与技术能力，与志愿者们共同建设一套用于监测生活环境大气的系统，监测终端就分布在志愿者的身边，所以这个系统的数据，更贴近每个人的生活空间，以及提供更细粒度的数据监测能力。

鹅民大气监测项目前期已搭建了25个种子监测点，接下去将吸引更多的志愿者来搭建终端，接入系统，一起搭建监测网络。从二期开始，大气监测项目组优选了几款开发套件完成了验证测试，志愿者可根据挑选的开发套件来完成相应的监测终端。本文将详细介绍如何使用GD32 RISC-V MCU和TencentOS Tiny定制开发套件打造PM2.5监测终端。

Pm2.5监测

整体方案

整个系统由如下几个模块组成

数据采集模块：在终端侧采集传感器的监测数据(大气监测终端)

无线接入模块：提供多种无线协议，支持终端接入网络(LoRaWAN网关)

设备接入模块：在云平台侧处理各种无线接入协议及设备数据规整(IoT Explorer平台)

业务处理模块：管理终端设备，分析传感器数据及可视化(Web界面或者APP应用)

系统框图

硬件准备

GD32 RISC-V & TencentOS Tiny PM2.5 监测终端

开发板简介

EVB_LX+是腾讯物联网操作系统TencentOS tiny 团队联合兆易创新(GD32)、南京厚德物联网有限公司三方合作设计的一款物联网评估板，用于TencentOS tiny 基础内核、RISC-V新IP核架构和IoT组件功能体验和评估。

开发板功能

开发板特性

MCU ：GD32VF103RBT6, 108MHz，128K Flash，32KB SRAM

显示屏：OLED，64*32分辨率

电源特性：Micro USB接口，5V供电，内部有5V转3.3V的DCDC，MCU供电电压为3.3V，系统IO电压也为3.3V

按键：一个复位按键，一个功能按键

外部扩展存储：SPI FLASH

LED指示灯：上电指示 LED，红色;一个用户定义LED，蓝色

调试接口：板载GD-Link下载调试器，UART2串口连接PC

XTAL ：8MHz，32.768KHz

传感器扩展接口E53 Interface ：支持E53传感器案例扩展板(支持UART、SPI、IIC、GPIO、ADC、DAC等)

网络模块扩展接口WAN Interface ：支持多种无线通信模组扩展(UART&SPI&GPIO)

操作系统支持：TencentOS tiny

开发板硬件详解

电源电路

外部USB输入电压一般为5V，但这并不能直接作为电源给EVB_LX供电，EVB_LX上的元器件供电电压范围普遍在1.8V-3.6V，推荐电压均为3.3V，(BC35供电范围是：3.1V-4.2V，推荐电压3.8V，使用3.3V也可以正常工作)，因此需要将5V的电平转换成3.3V供给EVB_LX开发板使用，这里使用RT8059作为3.3V稳压器芯片。 RT8059是一款高效率脉冲宽度降压型DC/DC转换器。输入电压2.8V-5.5V，输出电压可调范围为：0.6V-Vin，输出电流可以达到1A。在我们提供的电路中将输出调节至3.3V，让开发板正常工作。

GD32V最小系统电路

单片机最小系统或者叫最小硬件单元电路，指用最少元器件组成的单片机可以正常工作的系统。最小系统基本由电源、单片机、晶振、复位电路、程序烧录接口组成，电源使用3.3V直接供电，其他部分原理图如下：

USB电平转换电路

USB电平转换电路是用于MCU和PC通信的场景中。PC机上的通信接口使用USB接口，相应的电平逻辑需要遵照USB电平规则，而MCU的串行通信接口是串口，相应电平需要遵循TTL原则。为了使两者可以互相通信，就需要一个电平转换器，EVB_LX上使用了CH340芯片作为转换器，CH340外围只需要接很少的元器件即可以实现USB总线转接，使用非常方便也广泛运用在USB转TTL工具上，电路如下：

OLED显示电路

OLED液晶显示模块用来向用户显示系统状态、参数或者要输入系统的功能。为了展示良好的视觉效果，模块使用SSD1306驱动的OLED显示屏，分辨率为64*32。SSD1306芯片专为共阴极OLED面板设计，嵌入了对比控制器、显示RAM和晶振，并减少了外部器件和功耗，有256级亮度控制。该款OLED使用IIC接口，由于IIC接口空闲时引脚要上拉，因此下面的原理图中接了10k电阻上拉，然后才接入MCU引脚。

用户按键

开发板带有一个系统Reset按键，和一个功能按键。复位按键是直接接入GD32V MCU的硬件复位Pin，按下复位按键，系统自动重启复位。功能按键可以提供给开发者做功能定义开发，都是使用GPIO口，方向为输入，低电平有效。其原理图如下图所示。

LED程序指示灯

为了方便项目开发调试，EVB_LX开发板接出来一个LED灯，供用户自己设置状态使用，该LED灯接MCU的PB2引脚，当PB2引脚输出高电平时，会点亮LED灯。

Flash存储电路扩展

开发板带有一个SPI Nor Flash芯片扩展，用户存储一部分用户数据和存储空间扩展，电路图如下：

多串口切换电路

开发板带有多串口切换功能，通过拨S2 开关可以切换串口映射关系，开关切换到PC AT，可以使用PC机上的串口助手发送AT命令来调试WAN口的通信模组;当开关切换到MCU AT，是通过GD32V MCU的串口直接来发送AT指令控制通信模组，同时CH340串口连接PC可以做日志输出。串口切换电路图如下：

E53 传感器扩展接口

开发板设计有E53接口的传感器扩展板接口，该接口可兼容所有E53接口的传感器扩展板，实现不同物联网案例场景的快速搭建。该接口可接入UART、SPI、I2C、ADC等通信协议的传感器，其原理图如下图所示：

WAN通信模块扩展接口

开发板设计有通信扩展板的扩展接口，该接口可接入WIFI、NB-IoT、2G、腾讯定制IoT模组、LoRaWAN等不同通信方式的通信扩展板，以满足不同场景上云的需求，其原理图如下图所示：

开发板部分引脚和模块映射关系

开发板套件安装指南

检查配套设备

开发板底板

LoRaWAN模组

瑞兴恒方研发的LoRaWAN通信模组，使用串口AT进行交互，简单方便

PM2.5空气传感器扩展板

主要用于转接PM2.5 传感器到开发板的E53接口上

PM2.5空气传感器PMSA003

我们选用的是攀藤粉尘传感器PMSA003，检测精度高，可测试PM2.5等多种空气质量参数。

安装传感器扩展板

根据您开发套件配套的传感扩展板安装其中一个即可。

连接Micor USB线

Micro USB线的功能是供电及调试，将线一头与开发板的Micro接口(GD-Link)连接，另一头接到电脑的USB口上(程序下载完了，也可以把usb线接到pc uart的端口，用于打印日志)。

定制开发板EVB_LX软件开发环境准备

Nuclei Studio IDE下载

目前GD32V成熟的集成开发环境是由芯来科技提供的Nuclei Studio IDE，TencentOS tiny中的RISC-V项目也是基于Nuclei Studio IDE。首先我们下载Nuclei Studio IDE软件开发包，下载链接为https://www.nucleisys.com/download.php 如下图所示：

单击“Nuclei Studio：芯来集成开发环境(Nuclei Studio IDE)”即可进入下载页面。

Nuclei Studio IDE安装

下载下来的芯来集成开发环境(IDE)Nuclei Studio压缩包解压后包含若干个文件。

Nuclei Studio软件包：该软件包中包含了Nuclei Studio IDE的软件。注意：具体版本以及文件名可能会不断更新;

HBird_Driver.exe：此文件为芯来蜂鸟调试器的USB驱动安装文件，调试时需要安装此驱动使得其USB能够被识别;

JDK安装文件：jdk-8u512-windows-x64.exe

1.Nuclei Studio IDE是基于eclipse的，eclipse需要jdk环境支持，你的电脑如果没有安装jdk环境需要先安装jdk-8u512-windows-x64.exe，直接双击安装即可，如果已经安装可以跳过

2.安装HBird_Driver.exe

3.Nuclei Studio软件本身为绿色软件无需安装，安装好JDK运行环境后，直接单击Nuclei Studio文件夹中eclipsec.exe即可启动Nuclei Studio

直接单击NucleiStudio_IDE文件包中NucleiStudio文件夹下面的eclipse.exe可执行文件，即可启动Nuclei Studio;

第一次启动Nuclei Studio后，将会弹出对话框要求设置Workspace目录，该目录将用于放置后续创建项目的文件夹，如下图所示：

设置好Workspace目录之后，确保Workspace的路径中没有中文，单击“Launch”按钮，将会启动Nuclei Studio。第一次启动后的Nuclei Studio界面如下图所示：

导入基于TencentOS tiny的RISC-V工程

先下载TencentOS tiny项目，下载地址为：

https://github.com/Tencent/TencentOS-tiny

官方地址直接下载zip包或者直接使用下面的命令clone下来：

git clone https://github.com/Tencent/TencentOS-tiny.git

在菜单栏选择”File->Import“，出现如图对话框，选择”General“菜单下”Exit Project into Workspace“，设置导入方式，然后点击按钮”Next“。

选择导入的方式后，点击” Browse“按钮选择TencentOS tiny项目中GD32V工程路径。注意：进入到” TencentOS-tinyboardTencentOS_tiny_EVB_LXeclipselorawan"这一级目录即可，如下图所示：

编译下载调试基于TencentOS tiny的RISC-V工程

导入之后，就可看到TencentOS tiny的hello_world工程了，如下图所示：

lorawan工程文件夹上右键 Debug As，选择Debug Configuration，配置调试参数，如下图所示：

在Debugger选项中修改调试参数：

-f"${workspace_loc:/${ProjName}/openocd_gdlink.cfg}"

set mem inaccessible-by-default off

set arch riscv:rv32

set remotetimeout 250

然后点击Debug即可进入调试窗口，如下图所示，可以进行单步、跳步执行，设置断点等。

终端LoRaWAN程序开发介绍

程序基于TencentOS Tiny 操作系统完成，主要处理pm2.5传感器数据接收，lorawan模组驱动，串口收发等，主要功能就是通过RISC-V芯片的串口3采集PMSA003传感器数据，然后解析出来，再通过串口驱动和TencentOS Tiny的AT框架驱动LoRaWAN模组将结构化的空气质量数据发送到LoRa服务器，进而转发到腾讯云和应用端。pmsa003传感器的串口协议如下：

协议数据示例：

17:10:48.321收←◆42 4D 00 1C 00 3F 00 42 00 58 00 32 00 32 00 32 05 8C 00 E0 00 18 00 14 00 10 00 0E 00 00 03 D5 `

17:10:49.324收←◆42 4D 00 1C 00 3E 00 42 00 58 00 31 00 32 00 32 05 64 00 E0 00 18 00 14 00 10 00 0E 00 00 03 AB `

17:10:50.328收←◆42 4D 00 1C 00 3A 00 42 00 58 00 30 00 32 00 32 05 14 00 E0 00 1C 00 14 00 10 00 0E 00 00 03 5A `

17:10:51.329收←◆42 4D 00 1C 00 39 00 42 00 56 00 30 00 32 00 32 05 14 00 D0 00 18 00 10 00 0B 00 0A 00 00 03 36

具体处理逻辑如下：

串口接收 --> 数据缓存解析校验 --> 取出其中26字节载荷发到邮箱 --> 邮箱接收并通过LoRa模组发送

硬件这边尽量对传感器数据简化处理，云平台有设备解析引擎，只需将传感器的原始数据取出上报，云端再将其转成JSON。

主要代码介绍如下图：

代码流程如下：

如果上面的源码分析没完全搞懂也没关系，这不影响我们的接入操作。只需要记得处理一行设备参数相关的代码即可。

1.进入目录，导入lorawan工程

2.修改ApplicationLoRaWANlora_demo.c.。

tos_lora_module_join_otaa("your devui", "your appkey");

填入节点相应的 DevEUI 和 AppKEY。鹅民大气监测项目目前将会为参与活动的同事分配专用的密钥 DevEUI 和 AppKey

3.修改完毕后，重新编译并下载程序。复位我们做好的 PM2.5 监测终端，确保有470M 的LoRa网关信号覆盖，即可在云端看到监测终端的上报

腾讯物联网平台创建大气监测设备

创建项目和产品

1. 登录物联网开发平台控制台，选择【新建项目】

2. 在新建项目页面，填写项目基本信息后，单击【保存】

▪ 项目名称：输入“LoRa 大气监测演示”或其他名称

▪ 项目描述：按照实际需求填写项目描述

3. 项目新建成功后，即可新建产品

新建产品

1. 进入该项目的产品列表页面，单击【新建产品】

2. 在新建产品页面，填写产品基本信息

▪ 产品名称：输入“LoRa大气监测”或其他产品名称

▪ 产品类型：选择“用户自定义”

▪ 认证方式：选择“密钥认证”

▪ 通信方式：选择“LoRaWAN

创建数据模板

单击产品名称，进入产品配置页，在【自定义功能】配置项下，单击【新建功能】，自定义产品功能。

这里我们就不一一定义数据模板了，直接导入下面的json代码:

导入json代码

配置 LoRaWAN 参数

在设备开发页面中，按需调整 LoRaWAN 参数配置，本示例中使用默认的 OTAA 配置。

设备数据解析

在设备开发页面中，按需调整设备数据解析。由于 LoRa 类资源有限设备不适合直接传输 JSON 格式数据，使用“设备数据解析”可以将设备原始数据转化为产品 JSON 数据。

设备数据协议

在本示例中，设备上行数据共有14个，包括PM2.5 PM10等数据。

数据解析脚本

上行数据解析的脚本主函数为 RawToProtocol，其带有 fPort、bytes 两个入参：

▪ fPort：设备上报的 LoRaWAN 协议数据的 FPort 字段

▪ bytes：设备上报的 LoRaWAN 协议数据的 FRMPayload 字段

脚本主函数的出参为产品数据模版协议格式的对象。

在上行数据解析部分，javascript 示例代码如下：

下行数据解析的脚本主函数为 ProtocolToRaw，其入参为产品数据模版协议格式的对象，案例不涉及下行控制，可以不处理。

在下行数据解析部分，javascript 示例代码如下：

创建测试设备

在设备调试页面中，单击【新建设备】，设备名为 PM25_001。DevEUI 等信息可从 LoRa 节点开发板硬件获得，需要与前文的代码保持一致。

tos_lora_module_join_otaa("your devui", "your appkey");

创建测试设备

查看设备状态

1. 保持 LoRa 节点和 LoRa 网关为运行状态

2. 进入【控制台】>【产品开发】>【设备调试】，可查看到设备 "PM25_001"

3. 单击【调试】，可进入设备详情页

4. 单击【设备属性】，可查询设备上报到开发平台的最新数据及历史数据

5. 设备属性的最新值：会显示设备上报的最新数据

6. 设备属性的更新时间：显示数据的更新时间

7. 单击【查看】，可查看某个属性的历史上报数据

查看设备通信日志

单击【设备日志】，可查询该设备某段时间范围的所有上下行数据。

▪ 上行：上行指设备端上报到开发平台的数据

▪ 下行：下行指从开发平台下发到设备的数据

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