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

Standard  Frequency  Range  Data Rate  LiFi  Similar to  802.11 400 − 800 T H z < 10 m < 224 G b p s WiFi  802.11 a / b / g / n / a c 2.4 G H z and  5 G H z ∼ 50 m < 1 G b p s Cellular  GSM/GPRS/EDGE  900 , 1800 , 1900 , and  < 200 k m < 500 k p s ( 2 G ) , (2G), UMTS/HSPA  2100 M H z < 2 M b p s ( 3 G ) , (3G), LTE (4G), 5G  2.3 , 2.6 , 5.25 , 26.4 , and  < 10 M b p s ( 4 G ) 58.68 G H z < 100 M b p s ( 5 G ) Bluetooth  Bluetooth  4.2 2.4 G H z 50 − 150 m 1 M b p s RFID/NFC  ISO/IEC  18000 − 3 13.56 M H z 10 c m 100 − 420 k b p s 6LowPAN  RFC6282  2.4 G H z and  ∼ 1 G H z < 20 m 20 − 250 k b p s ZigBee  ZigBee  3.0 based on  2.4 G H z 10 − 100 m 250 k b p s IEEE802.15.4  Z-Wave  Z-Wave Alliance  868.42 M H z and  < 100 m < 100 k b p s ZAD12837 / ITU-T  908.42 M H z LoRa  G.9959  LoRaWAN  868 M H z and  915 M H z < 15 k m 0.3 − 50 k b p s \begin{array}{lllll} \hline & \text { Standard } & \text { Frequency } & \text { Range } & \text { Data Rate } \\ \hline \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} \\ \hline \end{array}  LiFi  WiFi  Cellular  Bluetooth  RFID/NFC  6LowPAN  ZigBee  Z-Wave  LoRa  Standard  Similar to 802.11802.11a/b/g/n/ac GSM/GPRS/EDGE  (2G), UMTS/HSPA  (3G), LTE (4G), 5G  Bluetooth 4.2 ISO/IEC 180003 RFC6282  ZigBee 3.0 based on  IEEE802.15.4  Z-Wave Alliance  ZAD12837 / ITU-T  G.9959  LoRaWAN  Frequency 400800THz2.4GHz and 5GHz900,1800,1900, and 2100MHz2.3,2.6,5.25,26.4, and 58.68GHz2.4GHz13.56MHz2.4GHz and 1GHz2.4GHz868.42MHz and 908.42MHz868MHz and 915MHz Range <10 m50 m<200 km50150 m10 cm<20 m10100 m<100 m<15 km Data Rate <224Gbps<1Gbps<500kps(2G),<2Mbps(3G),<10Mbps(4G)<100Mbps(5G)1Mbps100420kbps20250kbps250kbps<100kbps0.350kbps

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 pinif (mypin.is_connected()) {printf("mypin is connected and initialized! \n\r");}// Optional: set mode as PullUp/PullDown/PullNone/OpenDrainmypin.mode(PullNone);// press the button and see the console / led changewhile (1) {printf("mypin has value : %d \n\r", mypin.read());myled = mypin; // toggle led based on value of buttonThisThread::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 pinif (myled.is_connected()) {printf("myled is initialized and connected!\n\r");}// Blink LEDwhile (1) {myled = 1;          // set LED1 pin to highprintf("myled = %d \n\r", (uint8_t)myled);ThisThread::sleep_for(500);myled.write(0);     // set LED1 pin to lowprintf("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/OpenDrainnibble.mode(PullNone);while (1) {// check bits set in nibbleswitch (nibble & nibble.mask()) { // read the bus and mask out bits not being usedcase 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

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