背景
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。
我们的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。
pm25-01.png
pm25-02.png这篇文章分享下如何使用 TencentOS Tiny RISC-V定制开发套件打造 PM2.5 监测终端。
总体方案
整个系统计划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）
arch.png1 硬件准备
成品实物
hardware01.jpg1.1 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。
开发板功能图如下所示：
EVB_LX.png1.2 开发板特性
CPU ：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
1.3 开发板硬件详解
1.3.1 电源电路
- 电源稳压电路 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。
sch_power.png1.3.2 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：
sch_mcu.png1.3.3 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：
sch_ch340.png1.3.4 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。
sch_oled.png1.3.5 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。
sch_key.png1.3.6 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。
sch_led.png1.3.7 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：
sch_spi_flash.png1.3.8 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：
sch_uart_switch.png1.3.9 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。
sch_e53_interface.png1.3.10 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。
sch_wan_interface.png1.3.11开发板部分引脚和模块映射关系
sch_pinmap.png1.4 开发板套件安装指南
1.4.1 检查配套设备
- 开发板底板
hardware02.jpg- 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
hardware03.jpg- 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
hardware04.jpg- 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。
hardware05.jpg1.4.2 安装WAN口LoRa模块
lora_install.jpg1.4.3 安装传感器扩展板
sensor_install.jpg根据您开发套件配套的传感扩展板安装其中一个即可。
1.4.4 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)
usb_install.png2. 定制开发板EVB_LX软件开发环境准备
2.1 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。
nuclei_studio_ide.png单击“Nuclei Studio：芯来集成开发环境（Nuclei Studio IDE）”即可进入下载页面。
2.2 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。
nuclei_studio_file.png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，如图所示；
nuclei_studio_workspace.png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界面如图所示。
nuclei_studio_welcome.png2.3 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“。
project_import.png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，如图所示。
project_import01.png2.4 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，如图所示：
project_lorawan.pnglorawan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：
project_debug_set.png
project_debug_set01.png
project_debug_set02.png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
project_run.png3. 终端LoRaWAN程序开发简介
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：
pms003.png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
`
具体处理逻辑是这样：
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：
code.png代码流程如下：
workflow.png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<TencentOS-tinyboardTencentOS_tiny_EVB_LXeclipselorawan>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。
4. 腾讯物联网平台创建大气监测设备
创建项目和产品
- 登录 物联网开发平台控制台，选择【新建项目】。
- 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。
- 项目新建成功后，即可新建产品。
新建产品
- 进入该项目的产品列表页面，单击【新建产品】。
- 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”。
product_create.png- 产品新建成功后，您可在产品列表页查看“LoRa大气监测”。
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:
代码语言：txt复制{
"version": "1.0",
"profile": {
"ProductId": "4KQMKIIH5U",
"CategoryId": "22"
},
"properties": [
{
"id": "PM1_CF1",
"name": "PM1浓度_CF1",
"desc": "",
"mode": "r",
"define": {
"type": "int",
"min": "0",
"max": "65535",
"start": "0",
"step": "1",
"unit": "μ g/m3"
},
"required": false
},
{
"id": "PM2d5_CF1",
"name": "PM2d5浓度_CF1",
"desc": "",
"mode": "r",
"define": {
"type": "int",
"min": "0",
"max": "65535",
"start": "0",
"step": "1",
"unit": "μ g/m3"
},
"required": false
},
{
"id": "PM10_CF1",
"name": "PM10浓度_CF1",
"desc": "",
"mode": "r",
"define": {
"type": "int",
"min": "0",
"max": "65535",
"start": "0",
"step": "1",
"unit": "μ g/m3"
},
"required": false
},
{
"id": "PM1",
"name": "PM1浓度",
"desc": "",
"mode": "r",
"define": {
"type": "int",
"min": "0",
"max": "65535",
"start": "0",
"step": "1",
"unit": "μ g/m3"
},
"required": false
},
{
"id": "PM2d5",
"name": "PM2d5浓度",
"desc": "",
"mode": "r",
"define": {
"type": "int",
"min": "0",
"max": "65535",
"start": "0",
"step": "1",
"unit": "μ g/m3"
},
"required": false
},
{
"id": "PM10",
"name": "PM10浓度",
"desc": "",
"mode": "r",
"define": {
"type": "int",
"min": "0",
"max": "65535",
"start": "0",
"step": "1",
"unit": "μ g/m3"
},
"required": false
},
{
"id": "particles_0d3",
"name": "颗粒物个数_0d3",
"desc": "",
"mode": "r",
"define": {
"type": "int",
"min": "0",
"max": "65535",
"start": "0",
"step": "1",
"unit": "个"
},
"required": false
},
{
"id": "particles_0d5",
"name": "颗粒物个数_0d5",
"desc": "",
"mode": "r",
"define": {
"type": "int",
"min": "0",
"max": "65535",
"start": "0",
"step": "1",
"unit": "个"
},
"required": false
},
{
"id": "particles_1",
"name": "颗粒物个数_1",
"desc": "",
"mode": "r",
"define": {
"type": "int",
"min": "0",
"max": "65535",
"start": "0",
"step": "1",
"unit": "个"
},
"required": false
},
{
"id": "particles_2d5",
"name": "颗粒物个数_2d5",
"desc": "",
"mode": "rw",
"define": {
"type": "int",
"min": "0",
"max": "65535",
"start": "0",
"step": "1",
"unit": "个"
},
"required": false
},
{
"id": "particles_5",
"name": "颗粒物个数_5",
"desc": "",
"mode": "r",
"define": {
"type": "int",
"min": "0",
"max": "65535",
"start": "0",
"step": "1",
"unit": "个"
},
"required": false
},
{
"id": "particles_10",
"name": "颗粒物个数_10",
"desc": "",
"mode": "r",
"define": {
"type": "int",
"min": "0",
"max": "65535",
"start": "0",
"step": "1",
"unit": "个"
},
"required": false
},
{
"id": "version",
"name": "版本号",
"desc": "",
"mode": "r",
"define": {
"type": "int",
"min": "0",
"max": "255",
"start": "0",
"step": "1",
"unit": ""
},
"required": false
},
{
"id": "Error",
"name": "错误代码",
"desc": "",
"mode": "r",
"define": {
"type": "int",
"min": "0",
"max": "255",
"start": "0",
"step": "1",
"unit": ""
},
"required": false
}
],
"events": [],
"actions": []
}
product_create_data.png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。
explorer_guide_1_3_lorawan_profile.png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：
代码语言：txt复制function RawToProtocol(fPort, bytes) {
var data = {
"method": "report",
"clientToken" : new Date(),
"params" : {}
};
var i = 0;
data.params.PM1_CF1 = (bytes[i ] << 8) | bytes[i ];
data.params.PM2d5_CF1 = (bytes[i ] << 8) | bytes[i ];
data.params.PM10_CF1 = (bytes[i ] << 8) | bytes[i ];
data.params.PM1 = (bytes[i ] << 8) | bytes[i ];
data.params.PM2d5 = (bytes[i ] << 8) | bytes[i ];
data.params.PM10 = (bytes[i ] << 8) | bytes[i ];
data.params.particles_0d3 = (bytes[i ] << 8) | bytes[i ];
data.params.particles_0d5 = (bytes[i ] << 8) | bytes[i ];
data.params.particles_1 = (bytes[i ] << 8) | bytes[i ];
data.params.particles_2d5 = (bytes[i ] << 8) | bytes[i ];
data.params.particles_5 = (bytes[i ] << 8) | bytes[i ];
data.params.particles_10 = (bytes[i ] << 8) | bytes[i ];
data.params.version = bytes[i ];
data.params.Error = bytes[i ]
return data;
}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：
代码语言：txt复制function ProtocolToRaw(obj) {
return [];
}
product_script.png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");
dev_new.png查看设备状态
- 保持 LoRa 节点和 LoRa 网关 为运行状态。
- 进入【控制台】>【产品开发】>【设备调试】，可查看到设备 "PM25_001" 。
- 单击【调试】，可进入设备详情页。
dev_status.png- 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。
- 设备属性的最新值：会显示设备上报的最新数据。
- 设备属性的更新时间：显示数据的更新时间。
pm25_data.png- 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。
pm25_log.png
