🥬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

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

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。图 3.4 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

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