Funpack3-5 Beaglebone Black 网络控制LED及简易天气显示项目

内容介绍

一、项目介绍

基于BeagleBone Black的Linux系统，使用python编写程序，从网络源获取并解析天气信息。而后将信息通过串口转发给屏幕，实现简易的天气显示功能。同时提供一个网页服务器，对User LED2的状态进行控制，可设置为常亮、常灭和按指定频率闪烁。

二、设计思路

本次项目目标主要分为两个部分，即通过网络控制LED和显示天气信息。前者不涉及远程数据的获取，而两者共有的部分是均需要网络参与。在确定以Python+Linux作为基础环境后，可以做如下的具体划分：

1. 显示简单的网页，用户通过HTML表单向HTTP服务器发送数据（LED的状态）。
2. 通过sysfs接口，以文件读写方式控制LED的状态。
3. 通过网络API获取天气数据，通常是REST请求。此操作还需要定时完成。
4. 读写串口，与显示屏通信，显示数据。

三、硬件介绍

BeagleBone Black是一款由Texas Instruments设计的开发板。其SoC芯片选用基于ARM Cortex-A8处理器的TI AM3358，具有丰富的外设接口和强大的计算能力。板上配备512MB的DDR3 SDRAM（800MHz），对嵌入式应用而言已经非常丰富，可以运行Linux或RTOS裸机系统。TI AM3358还内置了3D图形处理器、2×32-bit 200-MHz PRU IO协处理器和CAN总线控制器。

BeagleBone Black开发板使用microSD卡作为存储介质，并额外板载4GB的eMMC。可通过板载轻触开关选择从二者之一启动。另外，其配备了一个USB Type-A主机接口和一个USB mini设备接口。两接口均支持USB2.0协议，并向前兼容USB1.0/1.1。主机接口支持符合USB2.0标准的最高500mA外供电。

网络方面，BeagleBone Black开发板带有一个RJ45网络接口，支持百兆以太网。BeagleBone Black开发板并没有配备任何无线通信模块，例如Wifi或蓝牙等。它的同系列产品BeagleBone Black Wireless带有Wifi和蓝牙，但可能由于开发板空间不足，取消了RJ45。查阅规格书可知，AM3358提供了千兆以太网的MAC控制器，但开发板并没有配备对应的PHY，所以板上只提供百兆以太网。

BeagleBone Black开发板引出了SoC的JTAG接口用于调试，并提供了单独的UART0排母供基础调试和控制台访问使用。TI提供的Debian镜像默认会在UART0上开启tty，对于首次配置开发板非常重要。

BeagleBone Black开发板提供了HDMI接口以输出视频信号。立体声音频信号同样从HDMI接口引出，并未提供单独的音频接口。也提供了LCD接口以驱动无控制器的外接屏幕。

作为嵌入式开发板，BeagleBone Black提供了常规的嵌入式外设，例如UART，ADC, I2C, SPI, PWM等。其中，UART接口也支持IrDA的信号处理。SoC的大部分引脚通过分布在开发板两侧的两组双排2.54mm排母引出，可以作GPIO扩展之用。

HMI屏幕选用尚视界HF024。这款屏幕通过串口与控制器通信，具有240x320的QVGA分辨率。通过使用上位机软件制作和烧录工程，可以预置文本、图像等控件，方便显示丰富的信息。板载Flash存储，最高支持20张图片和16个控件页面。

四、软件架构

1. 使用python编写网页服务器和LED控制器。

2. 使用python编写天气API请求工具，以及对应的解析和串口通信组件。

3. 配置系统启用串口UART4。

五、硬件连接

使用自制连接线连接BeagleBone Black的UART4与HMI屏幕，如下图所示。

六、软件代码

分别为主Python代码与HMI屏幕工程文件（XML格式）。另有config.py中配置城市与API Token，故未上传。

程序流程图如下：

import http.server
import urllib.parse
import urllib.request
import threading
import config
import json
import time
import datetime
import serial


HTML_BODY = """<html><head>
<link rel="shortcut icon" href="#" />
<meta charset="UTF-8">
<title>Simple LED Controller</title>
</head><body>
<div><form action="" method="post">
    <div><input type=submit name="act" value="常亮"/></div>
    <div><input type=submit name="act" value="常灭"/></div>
    <div><input type=text name="freq" value="{}"/>Hz&nbsp;<input type=submit name="act" value="闪烁"/></div>
</div>        
</body></html>"""


interval = "on"
freq = "1.0"



class Worker(threading.Thread):
    def run(self):
        global interval
        last_state, last_interval = True, None
        last_report, blinked = -1, 0
        with open("/sys/class/leds/beaglebone:green:usr1/trigger", "w") as f:
            f.write("none")


        while True:
            with open("/sys/class/leds/beaglebone:green:usr1/brightness", "w") as f:
                if interval == "on":
                    f.write("255")
                    time.sleep(0.1)
                    if last_interval != interval:
                        print("LED switched on")
                elif interval == "off":
                    f.write("0")
                    time.sleep(0.1)
                    if last_interval != interval:
                        print("LED switched off")
                else:
                    if last_state:
                        f.write("1")
                    else:
                        f.write("0")
                    last_state = not last_state
                    blinked += 1
                    if time.time() - last_report > 5:
                        print(
                            f"Blinked {blinked} times in last {time.time()-last_report:.0f} seconds"
                        )
                        blinked = 0
                        last_report = time.time()
                    time.sleep(interval)
                last_interval = interval



class Handler(http.server.BaseHTTPRequestHandler):
    def do_GET(self):
        if self.path == "/":
            self.send_response(200)
            self.send_header("Content-type", "text/html")
            self.end_headers()
            self.wfile.write(HTML_BODY.format(freq).encode("utf8"))
        else:
            self.send_response(404)


    def do_POST(self):
        if self.headers.get("content-type", "") != "application/x-www-form-urlencoded":
            self.send_response(500)
        else:
            content_length = int(self.headers.get("content-length", 0))
            body = urllib.parse.parse_qs(
                self.rfile.read(content_length).decode("utf8"), keep_blank_values=True
            )
            global interval, freq
            if body.get("act", None) == ["常亮"]:
                interval = "on"
            elif body.get("act", None) == ["常灭"]:
                interval = "off"
            elif body.get("act", None) == ["闪烁"]:
                try:
                    interval = 1 / float(body.get("freq", ["1"])[0])
                    freq = body.get("freq", ["1"])[0]
                except:
                    interval = 1.0


            self.send_response(200)
            self.send_header("Content-type", "text/html")
            self.end_headers()
            self.wfile.write(HTML_BODY.format(freq).encode("utf8"))



def run_http(
    server_class=http.server.HTTPServer,
    handler_class=Handler,
):
    server_address = ("", 8013)
    httpd = server_class(server_address, handler_class)
    httpd.serve_forever()



class WeatherWorker(threading.Thread):
    def update(self):
        try:
            url = f"https://restapi.amap.com/v3/weather/weatherInfo?key={config.TOKEN}&city={config.CITY}&extensions=all&output=json"
            req = urllib.request.Request(url)
            req.method = "GET"
            res = urllib.request.urlopen(req)
            data = json.load(res)
            with open("data.json", "w", encoding="utf8") as f:
                json.dump(data, f)
            if data["status"] == "1" and data["info"] == "OK":
                data2 = data["forecasts"][0]
                return data2["city"], data2["casts"], data2["reporttime"]
            return None, None, None
        except:
            return None, None, None


    def run(self):
        # UTC+8
        timezone = datetime.timezone(datetime.timedelta(hours=8))
        last_update, last_ind = -1, 0
        comm = serial.Serial("/dev/ttyS4", 115200)
        time.sleep(2)
        comm.write(b"RESET();\r\n")
        time.sleep(2)
        mapper = {
            "晴": 1,
            "多云": 2,
            "阴": 3,
            "小雨": 4,
            "中雨": 5,
            "大雨": 6,
            "小雪": 7,
            "中雪": 8,
            "大雪": 9,
            "冰雹": 10,
        }
        while True:
            if time.time() - last_update > 3600:
                print("Updating...")
                city, casts, rtime = self.update()
                last_update = time.time()
                print(f"Fetched data of {city}")
            if city is None or casts is None:
                last_update = time.time() - 3300
                # comm.write(b'JUMP(0);\r\n')
                pass
            else:
                last_ind += 1
                if last_ind >= len(casts):
                    last_ind = 0
                d = casts[last_ind]
                date, dw, nw, tempe, dwnd, nwnd = (
                    d["date"],
                    d["dayweather"],
                    d["nightweather"],
                    f"{d['nighttemp']}~{d['daytemp']}℃",
                    f"{d['daywind']} {d['daypower']}",
                    f"{d['nightwind']} {d['nightpower']}",
                )
                daytime = 6 <= datetime.datetime.now(timezone).hour < 18
                print(f"Updating page {last_ind}")
                comm.write(
                    "".join(
                        [
                            "JUMP(1);"
                            f"SET_BTN_IMG(0,0,{mapper[dw if daytime else nw]});",
                            f"SET_TXT(1,'{city}');",
                            f"SET_TXT(2,'{dw}');",
                            f"SET_TXT(3,'{dwnd}');",
                            f"SET_TXT(4,'{nw}');",
                            f"SET_TXT(5,'{nwnd}');",
                            f"SET_TXT(6,'{tempe}');",
                            f"SET_TXT(7,'{date}')",
                            "\r\n",
                        ]
                    ).encode("gbk", "ignore")
                )
            time.sleep(5)



if __name__ == "__main__":
    worker = Worker()
    worker.start()
    ww = WeatherWorker()
    ww.start()
    run_http()

<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<ui>
    <frame frame="frame">
        <frameW>320</frameW>
        <frameH>240</frameH>
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        <dpi>240*320(QVGA-1)</dpi>
        <baud>115200</baud>
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        <pageBackgroundNum pageBackgroundNum="15"/>
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    </page>
    <page id="2">
        <pageImageNum pageImageNum="-1"/>
        <pageBackgroundNum pageBackgroundNum="15"/>
        <pageHelpLineNum pageHelpLineNum="0"/>
        <ClassName ClassName="QPushButton">
            <id>0</id>
            <x>8</x>
            <y>20</y>
            <w>200</w>
            <h>197</h>
            <text></text>
            <fontSize>16</fontSize>
            <hAlign>0</hAlign>
            <vAlign>0</vAlign>
            <fontColorNum>0</fontColorNum>
            <backgroundColorNum>7</backgroundColorNum>
            <pressColorNum>0</pressColorNum>
            <imageNum>1</imageNum>
            <cutImageNum>-1</cutImageNum>
            <backgroundImageNum>-1</backgroundImageNum>
            <backgroundCutImageNum>-1</backgroundCutImageNum>
            <pressImageNum>1</pressImageNum>
            <pressCutImageNum>-1</pressCutImageNum>
            <progType>0</progType>
            <style>1</style>
            <styleColorNum>0</styleColorNum>
            <pointerX>0</pointerX>
            <pointerY>0</pointerY>
            <pointerW>0</pointerW>
            <pointerL>0</pointerL>
            <pointerAngle>0</pointerAngle>
        </ClassName>
        <ClassName ClassName="QLabel">
            <id>1</id>
            <x>212</x>
            <y>8</y>
            <w>100</w>
            <h>30</h>
            <text>位置</text>
            <fontSize>24</fontSize>
            <hAlign>2</hAlign>
            <vAlign>0</vAlign>
            <fontColorNum>0</fontColorNum>
            <backgroundColorNum>7</backgroundColorNum>
            <pressColorNum>0</pressColorNum>
            <imageNum>-1</imageNum>
            <cutImageNum>-1</cutImageNum>
            <backgroundImageNum>-1</backgroundImageNum>
            <backgroundCutImageNum>-1</backgroundCutImageNum>
            <pressImageNum>-1</pressImageNum>
            <pressCutImageNum>-1</pressCutImageNum>
            <progType>0</progType>
            <style>0</style>
            <styleColorNum>0</styleColorNum>
            <pointerX>0</pointerX>
            <pointerY>0</pointerY>
            <pointerW>0</pointerW>
            <pointerL>0</pointerL>
            <pointerAngle>0</pointerAngle>
        </ClassName>
        <ClassName ClassName="QLabel">
            <id>2</id>
            <x>212</x>
            <y>40</y>
            <w>100</w>
            <h>30</h>
            <text>日间天气</text>
            <fontSize>16</fontSize>
            <hAlign>2</hAlign>
            <vAlign>0</vAlign>
            <fontColorNum>0</fontColorNum>
            <backgroundColorNum>7</backgroundColorNum>
            <pressColorNum>0</pressColorNum>
            <imageNum>-1</imageNum>
            <cutImageNum>-1</cutImageNum>
            <backgroundImageNum>-1</backgroundImageNum>
            <backgroundCutImageNum>-1</backgroundCutImageNum>
            <pressImageNum>-1</pressImageNum>
            <pressCutImageNum>-1</pressCutImageNum>
            <progType>0</progType>
            <style>0</style>
            <styleColorNum>0</styleColorNum>
            <pointerX>0</pointerX>
            <pointerY>0</pointerY>
            <pointerW>0</pointerW>
            <pointerL>0</pointerL>
            <pointerAngle>0</pointerAngle>
        </ClassName>
        <ClassName ClassName="QLabel">
            <id>3</id>
            <x>212</x>
            <y>72</y>
            <w>100</w>
            <h>30</h>
            <text>日间风向</text>
            <fontSize>16</fontSize>
            <hAlign>2</hAlign>
            <vAlign>0</vAlign>
            <fontColorNum>0</fontColorNum>
            <backgroundColorNum>7</backgroundColorNum>
            <pressColorNum>0</pressColorNum>
            <imageNum>-1</imageNum>
            <cutImageNum>-1</cutImageNum>
            <backgroundImageNum>-1</backgroundImageNum>
            <backgroundCutImageNum>-1</backgroundCutImageNum>
            <pressImageNum>-1</pressImageNum>
            <pressCutImageNum>-1</pressCutImageNum>
            <progType>0</progType>
            <style>0</style>
            <styleColorNum>0</styleColorNum>
            <pointerX>0</pointerX>
            <pointerY>0</pointerY>
            <pointerW>0</pointerW>
            <pointerL>0</pointerL>
            <pointerAngle>0</pointerAngle>
        </ClassName>
        <ClassName ClassName="QLabel">
            <id>4</id>
            <x>212</x>
            <y>104</y>
            <w>100</w>
            <h>30</h>
            <text>夜间天气</text>
            <fontSize>16</fontSize>
            <hAlign>2</hAlign>
            <vAlign>0</vAlign>
            <fontColorNum>0</fontColorNum>
            <backgroundColorNum>7</backgroundColorNum>
            <pressColorNum>0</pressColorNum>
            <imageNum>-1</imageNum>
            <cutImageNum>-1</cutImageNum>
            <backgroundImageNum>-1</backgroundImageNum>
            <backgroundCutImageNum>-1</backgroundCutImageNum>
            <pressImageNum>-1</pressImageNum>
            <pressCutImageNum>-1</pressCutImageNum>
            <progType>0</progType>
            <style>0</style>
            <styleColorNum>0</styleColorNum>
            <pointerX>0</pointerX>
            <pointerY>0</pointerY>
            <pointerW>0</pointerW>
            <pointerL>0</pointerL>
            <pointerAngle>0</pointerAngle>
        </ClassName>
        <ClassName ClassName="QLabel">
            <id>5</id>
            <x>212</x>
            <y>136</y>
            <w>100</w>
            <h>30</h>
            <text>夜间风向</text>
            <fontSize>16</fontSize>
            <hAlign>2</hAlign>
            <vAlign>0</vAlign>
            <fontColorNum>0</fontColorNum>
            <backgroundColorNum>7</backgroundColorNum>
            <pressColorNum>0</pressColorNum>
            <imageNum>-1</imageNum>
            <cutImageNum>-1</cutImageNum>
            <backgroundImageNum>-1</backgroundImageNum>
            <backgroundCutImageNum>-1</backgroundCutImageNum>
            <pressImageNum>-1</pressImageNum>
            <pressCutImageNum>-1</pressCutImageNum>
            <progType>0</progType>
            <style>0</style>
            <styleColorNum>0</styleColorNum>
            <pointerX>0</pointerX>
            <pointerY>0</pointerY>
            <pointerW>0</pointerW>
            <pointerL>0</pointerL>
            <pointerAngle>0</pointerAngle>
        </ClassName>
        <ClassName ClassName="QLabel">
            <id>6</id>
            <x>212</x>
            <y>168</y>
            <w>100</w>
            <h>30</h>
            <text>气温</text>
            <fontSize>16</fontSize>
            <hAlign>2</hAlign>
            <vAlign>0</vAlign>
            <fontColorNum>0</fontColorNum>
            <backgroundColorNum>7</backgroundColorNum>
            <pressColorNum>0</pressColorNum>
            <imageNum>-1</imageNum>
            <cutImageNum>-1</cutImageNum>
            <backgroundImageNum>-1</backgroundImageNum>
            <backgroundCutImageNum>-1</backgroundCutImageNum>
            <pressImageNum>-1</pressImageNum>
            <pressCutImageNum>-1</pressCutImageNum>
            <progType>0</progType>
            <style>0</style>
            <styleColorNum>0</styleColorNum>
            <pointerX>0</pointerX>
            <pointerY>0</pointerY>
            <pointerW>0</pointerW>
            <pointerL>0</pointerL>
            <pointerAngle>0</pointerAngle>
        </ClassName>
        <ClassName ClassName="QLabel">
            <id>7</id>
            <x>212</x>
            <y>200</y>
            <w>100</w>
            <h>30</h>
            <text>日期</text>
            <fontSize>16</fontSize>
            <hAlign>0</hAlign>
            <vAlign>0</vAlign>
            <fontColorNum>0</fontColorNum>
            <backgroundColorNum>7</backgroundColorNum>
            <pressColorNum>0</pressColorNum>
            <imageNum>-1</imageNum>
            <cutImageNum>-1</cutImageNum>
            <backgroundImageNum>-1</backgroundImageNum>
            <backgroundCutImageNum>-1</backgroundCutImageNum>
            <pressImageNum>-1</pressImageNum>
            <pressCutImageNum>-1</pressCutImageNum>
            <progType>0</progType>
            <style>0</style>
            <styleColorNum>0</styleColorNum>
            <pointerX>0</pointerX>
            <pointerY>0</pointerY>
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七、实际演示

启动LOGO：

天气页：

网页LED控制台（比较简陋）

八、总结与展望

本次项目通过引入外部组件（HMI屏），降低了开发复杂度，也得益于python语言的高表达能力，使得在BeagleBone Black上运行单一python文件就可以实现两个主要功能。总体而言，这块屏幕分担了一些图形处理的工作，但经过实际测试，其性能并不够强大，刷新时无缓冲，从而使得多个刷新元素依次出现，对用户体验有所影响。未来可以考虑改为直接使用BeagleBone Black集成的LCD控制器驱动裸屏，以充分利用开发板的性能，并更好地整合软硬件。