FRDM‐K64F开发板 ARM Mbed 在线编译器嵌入式和物联网开发

传感器和执行器

传感器是将物理参数转换为电输出的设备。 传感器是换能器的一种。 传感器可分为模拟传感器和数字传感器。 模拟传感器以电压和电流的形式提供输出。 微控制器需要 ADC（模数转换器）读取来自模拟传感器的数据。 许多较新的传感器都是数字传感器，即它们使用 I2C（内部集成电路）、SPI（串行外设接口）和 UART（通用异步接收器）等协议以数字格式提供输出。

执行器是将电信号转换为物理输出（即运动）的设备。 执行器可以通过电压或电流、气动或液压、甚至人力来控制。 在嵌入式系统中，执行器主要由电力控制。 当接收到控制信号时，执行器将电能转换为机械运动。 执行器可以产生线性运动、旋转运动或振荡运动。 执行器的示例包括电动机、压电致动器、气动致动器、步进电机和门锁致动器等。

通讯

除了以太网、WiFi、蓝牙等传统通信技术外，还有许多其他技术可用于物联网通信。

• RFID 和 NFC（近场通信）
• 低功耗蓝牙 (BLE)
• 光保真 (LiFi)
• 6LoWPAN
• ZigBee
• Z‐Wave
• LoRa

$$\begin{array}{lllll}& \text{ Standard }& \text{ Frequency }& \text{ Range }& \text{ Data Rate }\\ \text{ LiFi }& \text{ Similar to }802.11& 400-800\mathrm{THz}& <10\mathrm{m}& <224\mathrm{Gbps}\\ \text{ WiFi }& 802.11\mathrm{a}/\mathrm{b}/\mathrm{g}/\mathrm{n}/\mathrm{ac}& 2.4\mathrm{GHz}\text{ and }5\mathrm{GHz}& \sim 50\mathrm{m}& <1\mathrm{Gbps}\\ \text{ Cellular }& \text{ GSM/GPRS/EDGE }& 900,1800,1900\text{, and }& <200\mathrm{km}& <500\mathrm{kps}(2\mathrm{G}),\\ & \text{ (2G), UMTS/HSPA }& 2100\mathrm{MHz}& & <2\mathrm{Mbps}(3\mathrm{G}),\\ & \text{ (3G), LTE (4G), 5G }& 2.3,2.6,5.25,26.4,\text{ and }& & <10\mathrm{Mbps}(4\mathrm{G})\\ & & 58.68\mathrm{GHz}& & <100\mathrm{Mbps}(5\mathrm{G})\\ \text{ Bluetooth }& \text{ Bluetooth }4.2& 2.4\mathrm{GHz}& 50-150\mathrm{m}& 1\mathrm{Mbps}\\ \text{ RFID/NFC }& \text{ ISO/IEC }18000-3& 13.56\mathrm{MHz}& 10\mathrm{cm}& 100-420\mathrm{kbps}\\ \text{ 6LowPAN }& \text{ RFC6282 }& 2.4\mathrm{GHz}\text{ and }\sim 1\mathrm{GHz}& <20\mathrm{m}& 20-250\mathrm{kbps}\\ \text{ ZigBee }& \text{ ZigBee }3.0\text{ based on }& 2.4\mathrm{GHz}& 10-100\mathrm{m}& 250\mathrm{kbps}\\ & \text{ IEEE802.15.4 }& & & \\ \text{ Z-Wave }& \text{ Z-Wave Alliance }& 868.42\mathrm{MHz}\text{ and }& <100\mathrm{m}& <100\mathrm{kbps}\\ & \text{ ZAD12837 / ITU-T }& 908.42\mathrm{MHz}& & \\ \text{ LoRa }& \text{ G.9959 }& & & \\ & \text{ LoRaWAN }& 868\mathrm{MHz}\text{ and }915\mathrm{MHz}& <15\mathrm{km}& 0.3-50\mathrm{kbps}\end{array}$$

协议

• HTTP
• WebSocket
• MQTT
• CoAP
• XMPP

Node-RED

Node-RED是IBM开发的基于Web的开源软件工具，可用于通过互联网连接硬件设备。借助 Node-RED，您可以将 mbed 开发板连接到互联网，读取传感器值，将其显示在图表、网页、电子邮件等消息中。 您还可以将命令发送回开发板以执行一些控制。 它是一种基于图形的编程工具，使用称为节点的功能块来构建程序。 您所需要做的就是连接节点并配置它们。 这使得许多编程任务变得非常简单且易于实现。 下图显示了在 Node-RED 中实现的一个简单的基于 WebSocket 的聊天程序。

嵌入式代码开发

• 初始代码：闪烁 LED
• 拓展代码
  • 控制继电器
  • 屏载 QWERTY 触摸键盘的 TFT 显示屏演示
  • SDFileSystem 替代 LocalFileSystem 写入 SD 卡
  • 挤出机/热床PID控制
  • 使用 Steinhart-Hart 方程进行热敏电阻到温度转换的演示
  • 光传感器示例
  • 温湿度传感器示例
  • USB HID 鼠标/键盘示例
  • HTTP SD 卡文件服务器
  • 使用整流器和低通滤波器对数字包络检波器进行测试
  • 使用 Python 编写的 GUI 软件从电脑控制 FRDM-K64F板
  • 2 个线程的矩阵乘法
  • 光和温度控制
  • 使用 mbed websocket 发送由字母和数字组成的消息控制RGB LED
  • 有限状态机
  • 数据记录器每隔几秒读取一次温度、湿度和光照水平，并将数据存储在 microSD 卡中

数字输入输出

• 使用按钮和 PIR 传感器

数字输入示例：

#include "mbed.h"

DigitalIn  mypin(SW2); // change this to the button on your board
DigitalOut myled(LED1);

int main()
{
    // check mypin object is initialized and connected to a pin
    if (mypin.is_connected()) {
        printf("mypin is connected and initialized! \n\r");
    }

    // Optional: set mode as PullUp/PullDown/PullNone/OpenDrain
    mypin.mode(PullNone);

    // press the button and see the console / led change
    while (1) {
        printf("mypin has value : %d \n\r", mypin.read());
        myled = mypin; // toggle led based on value of button
        ThisThread::sleep_for(250);
    }
}

#include "mbed.h"

DigitalIn a(D0);
DigitalIn b(D1);
DigitalOut z_not(LED1);
DigitalOut z_and(LED2);
DigitalOut z_or(LED3);
DigitalOut z_xor(LED4);

int main()
{
    while (1) {
        z_not = !a;
        z_and = a && b;
        z_or = a || b;
        z_xor = a ^ b;
    }
}

数字输出示例：

#include "mbed.h"

DigitalOut myled(LED1);

int main()
{
    // check that myled object is initialized and connected to a pin
    if (myled.is_connected()) {
        printf("myled is initialized and connected!\n\r");
    }

    // Blink LED
    while (1) {
        myled = 1;          // set LED1 pin to high
        printf("myled = %d \n\r", (uint8_t)myled);
        ThisThread::sleep_for(500);

        myled.write(0);     // set LED1 pin to low
        printf("myled = %d \n\r", myled.read());
        ThisThread::sleep_for(500);
    }
}

批量输入示例：

#include "mbed.h"

BusIn nibble(D0, D1, D2, D3); // Change these pins to buttons on your board.

int main()
{

    // Optional: set mode as PullUp/PullDown/PullNone/OpenDrain
    nibble.mode(PullNone);

    while (1) {
        // check bits set in nibble
        switch (nibble & nibble.mask()) { // read the bus and mask out bits not being used
            case 0x0:
                printf("0b0000, D3,D2,D1,D0 are low  \n\r");
                break;
            case 0x1:
                printf("0b0001,          D0  is high \n\r");
                break;
            case 0x2:
                printf("0b0010,       D1     is high \n\r");
                break;
            case 0x3:
                printf("0b0011,       D1,D0 are high \n\r");
                break;
            case 0x4:
                printf("0b0100,    D2        is high \n\r");
                break;
            case 0x5:
                printf("0b0101,    D2,  ,D0 are high \n\r");
                break;
            case 0x6:
                printf("0b0110,    D2,D1    are high \n\r");
                break;
            case 0x7:
                printf("0b0111,    D2,D1,D0 are high \n\r");
                break;
            case 0x8:
                printf("0b1000, D3           is high \n\r");
                break;
            // ...
            case 0xF:
                printf("0b1111, D3,D2,D1,D0 are high \n\r");
                break;
        }
        ThisThread::sleep_for(1000);
    }
}

模拟输入输出

• 使用温度传感器和 LDR(光敏电阻) 传感器

脉冲宽度调制

加速度计和磁力计

SD卡读写

本地文件系统

中断

数字接口

串口、SPI、I2C、CAN

网络通讯

以太网、以太网网络客户端和服务器、TCP和UDP套接字、WebSocket、WiFi

数字信号处理

低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器和陷波滤波器、快速傅里叶变换、PID控制器

多线程和实时编程

物联网开发项目示例

网络监控温度、智能灯控、声控门禁、RFID读取器、云端数据分析和可视化示例、实时信号处理

参考一：亚图跨际

参考二：亚图跨际