专栏首页电子电路开发学习疫情监控三部曲——在STM32F103 MCU上实现(裸机版)

疫情监控三部曲——在STM32F103 MCU上实现(裸机版)

好久没更新文章了,看看又做了什么些好玩的东西。

文章目录

  • 前言
  • 开发板的选择
  • 获取疫情数据API接口
  • ESP8266发送HTTPS请求
  • LCD显示
  • 代码下载
  • 在其他MCU上的实现

前言

2020,新冠肺炎疫情在全球蔓延,国内得到了有效的控制,最近国内部分地区的疫情形势又紧张起来。

不知道大家是否了解我之前做的一个新冠肺炎疫情监控平台,基于跨平台Qt实现,从桌面Qt,到嵌入式Qt,相关文章:

基于桌面Qt环境的疫情监控平台开发笔记

  • [开源]基于桌面Qt的肺炎疫情监控平台
  • [开源]基于桌面Qt的肺炎疫情监控平台1.1版本

基于嵌入式Qt环境的疫情监控平台开发笔记

  • [开源]我用STM32MP1做了个疫情监控平台1—交叉编译环境搭建
  • [开源]我用STM32MP1做了个疫情监控平台2—Qt环境搭建
  • [开源]我用STM32MP1做了个疫情监控平台3—疫情监控平台实现
  • [开源]我用STM32MP1做了个疫情监控平台4—功能完善界面重新设计

作为疫情监控三部曲:桌面PC > 嵌入式ARM Linux > MCU。在前面两个平台上实现之后,就想着在内存和性能都比较有限的MCU上实现,比如STM32F103,但一直都没有找到一个合适的API接口,直到最近发现了一个数据量比较小,连接比较稳定的API。

于是,设计了这个基于STM32 MCU的疫情监控平台,STM32通过串口和ESP8266进行AT指令交互,连接互联网获取最新的疫情数据,并显示在LCD显示屏上,可以直观方便的了解到最新的疫情数据信息。

最终效果如下:

显示效果

主板拆分

开发板的选择

开发板用的是我在大四时自己设计的STM32开发板——NiceDay,基于STM32F103RET主控。前几天看大佬说有学生在大一就自己画板打样了,我感到自愧不如啊!

这是我设计的第二块板子(第一块是毕业设计两轮平衡车主板),是在大四快毕业时,毕设实物和论文完成之后还有点时间,就设计了这款板子,最开始是准备做桌面天气时钟的。

NiceDay

NiceDay

拆分效果

如果你在百度上搜索:ESP8266 关键字,其中就有我当时的一个回答。

ESP8266

好了,言归正传,换个API就是疫情监控平台了:

最终效果

获取疫情数据API接口

2020新冠疫情的爆发,各大互联网IT公司和个人都开发了实时疫情地图平台,腾讯新闻、丁香园、网易、新浪等等,这些数据大小都在几百KB,对于PC和嵌入式Linux来说,不用在意数据量的大小,但是对于存储非常有限的MCU来说,数据量的大小是不得不考虑的一个问题,而且对于ESP8266来说,AT指令的方式,SSL缓存最大只有4096个字节的缓存!

经过网上一番搜索,找到了几个数据量小的API,但是有的接口连接不稳定,刚连上就掉线了,最后终于找到了一个连接稳定,数据量小,数据齐全的接口:https://lab.isaaclin.cn/nCoV/zh

这是一位国人使用服务器爬虫获取了丁香园的数据,然后开放了API接口供大家免费使用,目前已经被调用了2千万次,这个网站还包括了多个接口,我只使用到了其中的疫情数据这一个接口:https://lab.isaaclin.cn/nCoV/api/overall,数据量大概为1300个字节。

JSON数据内容如下:

json数据格式

为了能使用ESP8266获取这个API返回的内容,我们还需要知道以下信息:TCP连接类型,端口号,API地址。

我们在浏览器中按F12,打开开发者模式,在地址栏输入https://lab.isaaclin.cn/nCoV/api/overall这个接口地址,可以很容易的获取到我们想要的信息:

服务器地址:47.102.117.253
端口号:443
API地址:https://lab.isaaclin.cn/nCoV/api/overall

关于端口号,如果API地址是http开头的,一般是选择TCP连接类型,80端口;如果是https开头的,一般是选择SSL连接类型,443端口。这个信息在后面会用到。

API获取

ESP8266发送HTTPS请求

WiFi模块选择的是乐鑫的ESP8266-01S模组,支持AP、Station和AP&Station混合模式。

ESP8266-01S

在进行正式的开发之前,我们先测试一下使用串口模块连接ESP8266,直接发送AT指令的方式来获取疫情数据。

整体流程是:配置工作模式 > 连接WiFi > 与服务器建立SSL连接 > 发送GET请求获取数据

0.为了确保模块保持初始状态,在进行配置之前,先让模块恢复出厂设置:AT+RESTORE

AT+RESTORE

 ets Jan  8 2013,rst cause:2, boot mode:(3,7)

2nd boot version : 1.5
  SPI Speed      : 40MHz
  SPI Mode       : DIO
  SPI Flash Size & Map: 8Mbit(512KB+512KB)
jump to run user1 @ 1000

ready

获取AT固件版本信息:AT+GMR

AT+GMR

AT version:1.2.0.0(Jul  1 2016 20:04:45)
SDK version:1.5.4.1(39cb9a32)
Ai-Thinker Technology Co. Ltd.
Dec  2 2016 14:21:16
OK

有的AT固件版本不支持HTTPS连接。最新版本的AT固件是支持HTTPS连接的,下载地址:https://docs.ai-thinker.com/_media/esp8266/ai-thinker_esp8266_at_firmware_dout_v1.5.4.1-a_20171130.rar

1.WiFi模块设置为Station模式:AT+CWMODE=1

2.配网,连接WiFi:AT+CWJAP="ssid","password"

AT+CWMODE=1

OK
AT+CWJAP="stm32_2019_ncov","www.wangchaochao.top"

WIFI CONNECTED
WIFI GOT IP

OK

3.设置单连接模式:AT+CIPMUX=0

4.设置SSL连接大小:AT+CIPSSLSIZE=4096

5.与服务器建立HTTPS/SSL连接:AT+CIPSTART="SSL","47.102.117.253",443

6.设置为透传模式:AT+CIPMODE=1

7.启动透传:AT+CIPSEND

8.发送GET HTTPS请求:GET https://lab.isaaclin.cn/nCoV/api/overall

串口指令交互

如果以上都配置正确,会收到服务器返回的数据,也就是我们的想要的疫情数据。

如果SSL连接不断开,一直在透传模式,就可以每隔一段时间GET一次API,这样就可以获取到最新的疫情数据了。

经过多次GET请求测试发现,连接还比较稳定,没有出现掉线的情况,但是由于API的访问限制,不要太频繁的发送GET请求,否则可能会被API开发者把IP封掉。

当然,如果连接断开,就要重新执行建立SSL连接,设置透传模式,开始透传这几个操作。如果要主动断开SSL连接,可以先发送不带回车换行的+++退出透传,然后使用AT+CIPCLOSE关闭SSL连接。

单独的AT指令测试没问题,那我们就可以使用MCU的串口来自动完成和ESP8266的AT指令交互了。

2020-08-02_234442

JSON数据的解析

数据是JSON格式的,解析库使用的是开源小巧的cJSON库,只有两个文件,使用起来非常方便。

在进行解析之前,先来分析一下JSON原始数据的格式:results键的值是一个数组,数组只有一个JSON对象,获取这个对象对应键的值可以获取到国内现存和新增确诊人数、累计和新增死亡人数,累计和新增治愈人数等数据。

全球疫情数据保存在globalStatistics键里,它的值是一个JSON对象,对象仅包含简单的键值对,这些键的值,就是全球疫情数据,其中updateTime键的值是更新时间,这是毫秒级UNIX时间戳,可以转换为标准北京时间。

{
    "results": [{
        "currentConfirmedCount": 509,
        "currentConfirmedIncr": 16,
        "confirmedCount": 85172,
        "confirmedIncr": 24,
        "suspectedCount": 1899,
        "suspectedIncr": 4,
        "curedCount": 80015,
        "curedIncr": 8,
        "deadCount": 4648,
        "deadIncr": 0,
        "seriousCount": 106,
        "seriousIncr": 9,
        "globalStatistics": {
            "currentConfirmedCount": 4589839,
            "confirmedCount": 9746927,
            "curedCount": 4663778,
            "deadCount": 493310,
            "currentConfirmedIncr": 281,
            "confirmedIncr": 711,
            "curedIncr": 424,
            "deadIncr": 6
        },
        "updateTime": 1593227489355
    }],
    "success": true
}

先定义了结构体ncov_data,用于存储国内和全球疫情数据:

struct ncov_data{
    long currentConfirmedCount;
    long currentConfirmedIncr;
    long confirmedCount;
    long confirmedIncr;
    long curedCount;
    long curedIncr;
    long seriousCount;
    long seriousIncr;
    long deadCount;
    long deadIncr;
    char updateTime[20];
};

对应的解析函数:

uint8_t parse_ncov_data(void)
{
    int ret = 0;
    cJSON *root, *result_arr;
    cJSON *result, *global;
    time_t updateTime;
    struct tm *time;

    //root = cJSON_Parse((const char *)str);   //创建JSON解析对象,返回JSON格式是否正确
    printf("接收到的数据:%d\r\r\n", strlen((const char*)USART2_RX_BUF));    //JSON原始数据
    root = cJSON_Parse((const char*)USART2_RX_BUF);

    if (root != 0)
    {
        printf("JSON format ok, start parse!!!\r\n");
        result_arr = cJSON_GetObjectItem(root, "results");
        if(result_arr->type == cJSON_Array)
        {
            printf("result is array\r\n");
            result = cJSON_GetArrayItem(result_arr, 0);
            if(result->type == cJSON_Object)
            {
                printf("result_arr[0] is object\r\n");

                /* china data parse */
                dataChina.currentConfirmedCount = cJSON_GetObjectItem(result, "currentConfirmedCount")->valueint;
                dataChina.currentConfirmedIncr = cJSON_GetObjectItem(result, "currentConfirmedIncr")->valueint;
                dataChina.confirmedCount = cJSON_GetObjectItem(result, "confirmedCount")->valueint;
                dataChina.confirmedIncr = cJSON_GetObjectItem(result, "confirmedIncr")->valueint;
                dataChina.curedCount = cJSON_GetObjectItem(result, "curedCount")->valueint;
                dataChina.curedIncr = cJSON_GetObjectItem(result, "curedIncr")->valueint;
                dataChina.deadCount = cJSON_GetObjectItem(result, "deadCount")->valueint;
                dataChina.deadIncr = cJSON_GetObjectItem(result, "deadIncr")->valueint;

                printf("------------国内疫情-------------\r\n");
                printf("现存确诊:   %5d, 较昨日:%3d\r\n", dataChina.currentConfirmedCount, dataChina.currentConfirmedIncr);
                printf("累计确诊:   %5d, 较昨日:%3d\r\n", dataChina.confirmedCount, dataChina.confirmedIncr);
                printf("累计治愈:   %5d, 较昨日:%3d\r\n", dataChina.curedCount, dataChina.curedIncr);
                printf("累计死亡:   %5d, 较昨日:%3d\r\n", dataChina.deadCount, dataChina.deadIncr);
                printf("现存无症状: %5d, 较昨日:%3d\r\n\r\n", dataChina.seriousCount, dataChina.seriousIncr);

                global = cJSON_GetObjectItem(result, "globalStatistics");
                if(global->type == cJSON_Object)
                {
                    dataGlobal.currentConfirmedCount = cJSON_GetObjectItem(global, "currentConfirmedCount")->valueint;
                    dataGlobal.currentConfirmedIncr = cJSON_GetObjectItem(global, "currentConfirmedIncr")->valueint;
                    dataGlobal.confirmedCount = cJSON_GetObjectItem(global, "confirmedCount")->valueint;
                    dataGlobal.confirmedIncr = cJSON_GetObjectItem(global, "confirmedIncr")->valueint;
                    dataGlobal.curedCount = cJSON_GetObjectItem(global, "curedCount")->valueint;
                    dataGlobal.curedIncr = cJSON_GetObjectItem(global, "curedIncr")->valueint;
                    dataGlobal.deadCount = cJSON_GetObjectItem(global, "deadCount")->valueint;
                    dataGlobal.deadIncr = cJSON_GetObjectItem(global, "deadIncr")->valueint;

                    printf("\r\n**********global ncov data**********\r\n");

                    printf("------------全球疫情-------------\r\n");
                    printf("现存确诊: %8d, 较昨日:%5d\r\n", dataGlobal.currentConfirmedCount, dataGlobal.currentConfirmedIncr);
                    printf("累计确诊: %8d, 较昨日:%5d\r\n", dataGlobal.confirmedCount, dataGlobal.confirmedIncr);
                    printf("累计死亡: %8d, 较昨日:%5d\r\n", dataGlobal.deadCount, dataGlobal.deadIncr);
                    printf("累计治愈: %8d, 较昨日:%5d\r\n\r\n", dataGlobal.curedCount, dataGlobal.curedIncr);

                } else return 1;

                /* 毫秒级时间戳转字符串 */
                updateTime = (time_t )(cJSON_GetObjectItem(result, "updateTime")->valuedouble / 1000);
                updateTime += 8 * 60 * 60; /* UTC8校正 */
                time = localtime(&updateTime);
                /* 格式化时间 */
                strftime(dataChina.updateTime, 20, "%m-%d %H:%M", time);
                printf("更新于:%s\r\n", dataChina.updateTime);/* 06-24 11:21 */
            } else return 1;
        } else return 1;
        printf("\r\nparse complete \r\n");
        gui_show_ncov_data(dataChina, dataGlobal);
    }
    else
    {
        printf("JSON format error:%s\r\n", cJSON_GetErrorPtr()); //输出json格式错误信息
        return 1;
    }
    cJSON_Delete(root);

    return ret;
}

在调用cJSON_Parse()之后,一定要调用cJSON_Delete()释放内存,否则会造成内存泄露。

如果解析失败,可以把启动文件里的堆栈大小设置大一点:

2020-08-03_001521

LCD显示

液晶屏使用的是3.2寸 LCD,IL9341驱动芯片,320*240分辨率,16位并口。由于屏幕分辨率比较低,可显示的内容有限,所以只是显示了最基本的几个疫情数据。为了减小程序大小,GUI只实现了基本的画点,画线函数,字符的显示,采用的是部分字符取模,只对程序中用到的汉字和字符进行取模。

为了增强可移植性,程序中并没有使用外置SPI Flash存储整个字库,下面是显示效果:

这个是裸机版本的,基于RT-Thread RTOS也已经实现,敬请期待!

待优化和调整

目前只使用到了一个API接口,当然,这个平台也提供其他接口可供使用:

  • 最新的疫情新闻

https://lab.isaaclin.cn//nCoV/api/news

  • 最新的各省市疫情数据

https://lab.isaaclin.cn//nCoV/api/area?latest=1&province=%E5%8C%97%E4%BA%AC%E5%B8%82

  • 最新的辟谣信息

https://lab.isaaclin.cn//nCoV/api/rumors

代码下载

代码已经开源,地址在文末,欢迎大家参与,丰富这个小项目的功能!

GitHub开源地址:https://github.com/whik/stm32_2019_ncov

或者关注我的公众号:电子电路开发学习(ID: MCU149),在后台回复【STM32疫情监控】,我会把工程下载链接发送给你。

如果你手上的硬件和我的一样,只需要修改工程中的USER\config.h文件中的WiFi信息,就可以直接使用了。

在其他MCU上的实现

其实,我也在其他厂商的MCU上实现了,比如国产的灵动MM32,富芮坤FR8106H等,实现过程都是大同小异,对于在这两款MCU上的实现感兴趣的朋友,可以到我的博客查看详细的开发笔记:

  • 基于灵动MM32的新冠肺炎疫情数据实时监控平台 www.wangchaochao.top/2020/06/27/mm32-2019-ncov/
  • 基于FR8016H+ESP8266的新冠肺炎疫情监控平台 www.wangchaochao.top/2020/07/12/Novel-coronavirus-pneumonia-surveillance-platform-based-on-FR8016H-ESP8266/

  • 我的博客:www.wangchaochao.top
  • 我的公众号:mcu149

本文分享自微信公众号 - 电子电路开发学习(mcu149),作者:wcc149

原文出处及转载信息见文内详细说明,如有侵权,请联系 yunjia_community@tencent.com 删除。

原始发表时间:2020-08-03

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