鈦極小龜，一款把Java語言應(yīng)用到低資源的MCU開發(fā)中的創(chuàng)意產(chǎn)品（鈦極智能）

很榮幸有機(jī)會(huì)參與芯板坊開展的鈦極小龜物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)板評(píng)測(cè)活動(dòng)。該套件是北京鈦云物聯(lián)網(wǎng)推出的一套物聯(lián)網(wǎng)評(píng)估套件–鈦極小龜TiKit-T600-ESP8266B。

該硬件平臺(tái)是一款專門針對(duì)初學(xué)者入門的開發(fā)套件，由WiFi模組和各樣的傳感器等組合，但與其他物聯(lián)網(wǎng)公司不同的是，首先這家公司不是云平臺(tái)服務(wù)商，其次該套件設(shè)計(jì)還是比較用心的，最后，也是最獨(dú)特的是其使用Java語言進(jìn)行應(yīng)用功能的開發(fā)。

也就是說，即便你不是精通C語言的嵌入式工程師，你或許是擅長(zhǎng)java類的軟件工程師，以前苦無機(jī)會(huì)進(jìn)入嵌入式物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)分一杯羹，而現(xiàn)在機(jī)會(huì)就擺在你的眼前。

一．硬件介紹

鈦極小龜物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)套件（以后簡(jiǎn)稱：鈦極小龜評(píng)估板）如下圖1所示。拿到手后，相信你肯定會(huì)被其外包裝色彩與圖案設(shè)計(jì)所吸引，其設(shè)計(jì)顯得極具科技味道。套件的硬紙盒質(zhì)感非常好（就我目前拿到/買到的開發(fā)板包裝里，該包裝顯得很用心，算是最好的了！之前大很多數(shù)采用透明塑料盒進(jìn)行包裝的。）

圖1 鈦極小龜物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)套件全家福照片

該包裝盒分為上下兩層，上部分用軟塑料內(nèi)嵌評(píng)估板，下部分裝有一根MicroUSB線，一個(gè)紅外遙控器，另外還有基本的使用說明文檔。另外，隨盒附送了一個(gè)鈦云物聯(lián)的宣傳單（封面有句話，很觸動(dòng)我：是時(shí)候用Java開發(fā)智能硬件了。之前聽說過有用javascript腳本語言進(jìn)行應(yīng)用開發(fā)的開發(fā)板，沒想到這次有機(jī)會(huì)玩玩用Java進(jìn)行開發(fā)的開發(fā)板，再次感謝芯板坊給我這次機(jī)會(huì)）。

仔細(xì)端詳鈦極小龜評(píng)估板，你會(huì)發(fā)現(xiàn)其做工非常精細(xì)，器件布局錯(cuò)落有致，設(shè)計(jì)風(fēng)格獨(dú)樹一幟，有別于其他眾多云平臺(tái)廠商推出的開發(fā)板，讓用戶很容易識(shí)別各功能模塊區(qū)域。該評(píng)估板上板載有液晶屏模塊，溫濕度傳感器模塊，麥克風(fēng)模塊，普通按鍵模塊，光照度傳感器模塊，紅外接收模塊，繼電器模塊和觸摸按鍵模塊。實(shí)物圖如下圖2所示。

圖2 鈦極小龜評(píng)估板實(shí)物圖

二．軟件簡(jiǎn)介

鈦極OS是一個(gè)支持 Java 語言開發(fā)嵌入式智能硬件的物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)，支持大部分的Java特性，與標(biāo)準(zhǔn)Java兼容，并通過Eclipse進(jìn)行開發(fā)，同時(shí)鈦極OS還支持多應(yīng)用。它的實(shí)現(xiàn)機(jī)制更像安卓、由內(nèi)核掌管底層硬件資源，軟硬隔離，同時(shí)集成高效的Java虛擬機(jī)，通過對(duì)硬件抽象，異步IO, 多線程、沙盒運(yùn)行，事件驅(qū)動(dòng)以及面向?qū)ο蟮腏ava語言開發(fā)等多種技術(shù)，使物聯(lián)網(wǎng)硬件應(yīng)用開發(fā)變得輕松且高效。

鈦極OS由操作系統(tǒng)(TOS)、Java虛擬機(jī)(TiJVM)、功能組件(TiRT)三部分構(gòu)成。TOS負(fù)責(zé)提供任務(wù)調(diào)度和控制、文件操作、基準(zhǔn)時(shí)鐘、資源的分配、外設(shè)操作(GPIO/UART…)等基礎(chǔ)服務(wù)。同時(shí)鈦極OS的特點(diǎn)是內(nèi)核OS支持第三方的RTOS，例如LiteOS、FreeRTOS等。TiJVM的作用是建立Java程序的運(yùn)行環(huán)境，實(shí)現(xiàn)Java語言的各種特性，同時(shí)TiJVM也是TOS的一個(gè)任務(wù)。

TiRT是為用戶開發(fā)應(yīng)用程序提供的基礎(chǔ)類支持，包括感知層控制、網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議、為物聯(lián)網(wǎng)的安全接入和身份鑒別提供的安全組件、圖形組件包。其體系結(jié)構(gòu)如下圖3所示。

圖3 鈦極OS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

總體說來，鈦云物聯(lián)提供了豐富的例程資源供用戶遞進(jìn)式的學(xué)習(xí)，由于時(shí)間有限，我此次沒有連接公有云、在手機(jī)上體驗(yàn)和編寫手機(jī)端的控制程序，稍感遺憾。將來時(shí)間允許的話，再進(jìn)行系統(tǒng)功能擴(kuò)展，相信會(huì)有另一番的體驗(yàn)。

三．項(xiàng)目簡(jiǎn)介

當(dāng)時(shí)我的申請(qǐng)計(jì)劃是用鈦極小龜物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)套件搭建了一個(gè)移動(dòng)式環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。在申請(qǐng)的時(shí)候，經(jīng)過分析、研究相關(guān)資料，從原理圖上可以得到結(jié)論：

若想將其安裝到移動(dòng)平臺(tái)上，除了繼電器接口外，別無它法（該套件沒有外擴(kuò)引出任何引腳！若想做更多擴(kuò)展要么換個(gè)平臺(tái)–鈦極OS(TiJOS)物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)開發(fā)套件 ESP8266，當(dāng)然也可以借鑒我此次的設(shè)計(jì)方法）。

1. 系統(tǒng)功能簡(jiǎn)介。移動(dòng)式環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有的功能如下所示。

• 用戶通過紅外遙控器指定移動(dòng)平臺(tái)移動(dòng)到預(yù)定地點(diǎn)的功能；
• 具有SmartConfig配置聯(lián)網(wǎng)功能；
• 移動(dòng)平臺(tái)可以隨時(shí)進(jìn)行環(huán)境參數(shù)的采集功能；
• 移動(dòng)平臺(tái)通過MQTT協(xié)議將采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)上傳到后臺(tái)云上（這里我采用的是本地私有云，當(dāng)然也可以擴(kuò)展到諸如阿里云等公有云平臺(tái)上）。

2. 系統(tǒng)通信協(xié)議

為了完成該套件與移動(dòng)平臺(tái)間的通信，即將該套件安裝到移動(dòng)平臺(tái)上，用戶可以通過紅外遙控器操作小車進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測(cè)，因此制定了如下表1所示的通信協(xié)議。

表1 移動(dòng)式環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通信協(xié)議

如前所述，因?yàn)樵撎准]有外擴(kuò)對(duì)外的引腳，所以在此次項(xiàng)目中，我通過將套件板載的繼電器與移動(dòng)平臺(tái)的GPIO引腳進(jìn)行連接，從而完成兩板子間的物理信道的連接。而實(shí)現(xiàn)邏輯上，移動(dòng)平臺(tái)上的主控系統(tǒng)通過統(tǒng)計(jì)EXIT接口接收到的中斷申請(qǐng)的次數(shù)來識(shí)別用戶的控制命令，命令編碼如上表左側(cè)所示。

比如，用戶按下紅外遙控器的按鈕，希望移動(dòng)平臺(tái)右轉(zhuǎn)時(shí)，該套件在識(shí)別鍵碼后，通過吸合板載繼電器4次后，引發(fā)與其相連接的移動(dòng)平臺(tái)上的引腳有4次高低電平的變化，而該引腳復(fù)用了EXTI外部中斷功能，從而移動(dòng)平臺(tái)上的主控解析出相應(yīng)的電機(jī)動(dòng)作。套件與移動(dòng)平臺(tái)間硬件連線圖如下圖4所示。

圖4 套件與移動(dòng)平臺(tái)間硬件連線圖

實(shí)物連接圖如上圖2中左上角紅色文字1/2/3所示，1為NC常閉引腳，2為COM公共引腳，3為NO常開引腳。這里連接原理如上圖4所示。

注意，這里板載繼電器電路是帶有防反向電動(dòng)勢(shì)的二極管保護(hù)電路，所以我直接將2塊板子直接相連結(jié)了。如果自行搭建繼電器電路時(shí)，需要注意防反措施。原理圖如下圖5紅色圈所示。

圖5 帶有二極管保護(hù)的繼電器電路

四．硬件實(shí)物

硬件實(shí)物如圖6所示。

五．軟件設(shè)計(jì)

1. 鈦極小龜評(píng)估板程序

為了完成信號(hào)的采集，本軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)了3個(gè)線程，分別用于采集溫濕度、光線、環(huán)境音。示例代碼如下圖7和8所示。

圖7 線程的調(diào)用

圖8 溫濕度信號(hào)采集類的設(shè)計(jì)

而在主循環(huán)中每1秒將采集到的信息發(fā)送到本地私有云上（效果如視頻所示），示例代碼如下圖9所示。另外采用監(jiān)聽器實(shí)時(shí)對(duì)紅外遙控器進(jìn)行解碼分析，如下圖10所示。

圖9 向本地云發(fā)布MQTT消息

圖10 紅外解碼部分代碼

（2）小車的程序

這里小車主要有接收協(xié)議編碼、解析協(xié)議、小車行進(jìn)和壁障等四個(gè)功能，因?yàn)椴皇呛诵牟糠郑涫纠a略過。

六．實(shí)物

1. 測(cè)試問題

（1）當(dāng)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)不好時(shí)，日志會(huì)彈出如下圖10所示異常。另外，當(dāng)連接wifi模塊創(chuàng)建的網(wǎng)絡(luò)時(shí)，系統(tǒng)能連接上，但是無法向本地云上傳相關(guān)數(shù)據(jù)。

（2）在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，有時(shí)日志會(huì)列舉如下圖11所示的異常，經(jīng)查閱是與DHT11相關(guān)的，且評(píng)估板此時(shí)的DHT11是無法工作的，還沒有查出問題。

六．使用心得

對(duì)于使用Eclipse進(jìn)行開發(fā)時(shí)，沒有連接硬件進(jìn)行debug的功能，有些遺憾！從個(gè)人角度來說，每次都得Run as TiJOS Application，對(duì)于與硬件相關(guān)的應(yīng)用開發(fā)，很難發(fā)現(xiàn)程序中潛在的邏輯/時(shí)序問題。

對(duì)我來說（大約花了3周時(shí)間里設(shè)計(jì)本項(xiàng)目），學(xué)習(xí)鈦極小龜評(píng)估板相關(guān)示例程序還是有一些難度的（約20年前學(xué)過Java語言，看到Java代碼確實(shí)有似曾相識(shí)的感覺，實(shí)則早已忘光了，所以還是花一些時(shí)間來慢慢熟悉和適應(yīng)的），但是相信對(duì)于Java工程師而言，肯定沒有問題！也就說該評(píng)估板確實(shí)可以說是一款顛覆傳統(tǒng)開發(fā)的物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)套件，為不需懂硬件電路設(shè)計(jì)的Java工程師打開了物聯(lián)網(wǎng)世界開發(fā)的大門。

總體說來，鈦云物聯(lián)有別于傳統(tǒng)的云平臺(tái)廠商，通過創(chuàng)新性地把Java語言應(yīng)用到低資源、低成本的MCU開發(fā)中，從而降低了物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品的開發(fā)難度和開發(fā)成本。個(gè)人相信其應(yīng)用前景將會(huì)非常廣泛。

本次試用活動(dòng)由芯板坊舉辦。帶大家體驗(yàn)鈦極物聯(lián)開發(fā)板，大家可在芯板坊微信（xinzixun321），點(diǎn)擊菜單欄免費(fèi)申請(qǐng)。