基于OpenHarmony的智能指南针精华

OpenHarmony开发者

发布于 2022-7-8 11:02

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电子指南针是现代的一种重要导航工具，大到飞机船舶的导航，小到个人手机导航，电子指南针可以说和咱们生活息息相关，密不可分。为什么电子指南针能指示方向？本 Demo 将为你呈现，其中蕴含了人类智慧及大自然的奥妙。本项目分为数据采集端（设备端）和效果展示端（应用端）：

1、指南针数据采集端：使用的是 Geek_Lite_Board 开发板，其内置了三轴磁力计 AK8963，通过解析磁力计数据获得指南针数据信息，操作系统版本为 OpenAtom OpenHarmony 3.0（以下简称“OpenHarmony”）；

2、指南针效果展示端：使用的是润和 RK3568 开发板，操作系统版本为 OpenHarmony 3.1 release。

效果展示端则体现了 OpenHarmony JS UI、Canvas 组件和 NAPI 的能力：

1、Canvas 组件是一个画布组件，获取到画布对象后，可以自定义绘制图形，比如圆形，线条等，本项目中应用端的指南针界面是基于 Canvas 组件开发；

2、NAPl (NativeAPI)是 OpenHarmony 标准系统的一种 JS API 实现机制，通过 NAPI 可以实现 JS 与 C/C++ 代码互相访问。本项目应用端通过 NAPI 来接收设备端发出的检测信息。

当设备应用启动之后，运行效果如下动图所示：

基于OpenHarmony的智能指南针-鸿蒙开发者社区

一、基本原理
地球是一个大磁体，地球的两个极分别在接近地理南极和地理北极的地方，一般情况下地球的磁场强度在 0.5 高斯左右（高斯是磁场强度单位）。

Geek_Lite_Board 开发板带有 AK8963 三轴磁力计。三轴磁力计能够测出相互垂直的三个方向的磁力大小。通常我们把传感器平放，即让重力方向与传感器垂直，假设重力方向为 z 轴，其余两轴为 x 轴和 y 轴。在只受地球磁场的环境下（忽略其余弱小干扰），x 轴 y 轴检测到的磁力数据的矢量和就等于接收到的地球磁场。

我们利用 x 轴与 y 轴的比值，就能确定目前朝向正北边差多少角度。例如现测到 x 轴数据接近 0.5 高斯，y 轴数据接近 0，就认为目前的 x 轴方向就是正北方。那 x 轴方向是哪个方向？关于 x 轴方向，生产传感器芯片的厂商会预定义好传感器的 x 轴、y 轴及 z 轴方向（通常垂直芯片表面的为 z 轴）。

数据流程

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智能指南针整体方案如上图所示，主要由 Geek_Lite_Board 开发板和润和 RK3568 开发板构成，它们采用局域网（路由器）TCP 协议的通信方式。

1. Geek_Lite_Board 开发板通过板载的磁力计获取磁场数据，磁场数据经过处理后得到角度数据；

2. 角度信息通过 ESP8266 无线 Wi-Fi 模块发送到指南针应用端；

3. 指南针应用端通过 NAPI 接口获取底层网络数据，并在页面展示。

二、功能实现
指南针数据的获取

Geek_Lite_Board 开发板通过 IIC 接口与 AK8963 三轴磁力计通信，读取三轴方向的磁场数据，通过磁场数据计算后得到指南针的方位数据。

● AK8963介绍

AK8963是采用高灵敏度霍尔传感器技术，内部集成了检测x、y、z轴的磁传感器、传感器驱动电路、信号放大器和用于处理每个传感器信号的算术电路。同时，还配备了自测功能。其紧凑的封装，还可适用于配备gps的手机的地图导航，实现行人导航等功能。

● AK8963测量数据的读取

AK8963 和单片机通过 IIC 接口连接，单片机操作 IIC 总线按照数据手册的操作时序操作即可读取 AK8963 的数据，AK8963 获取测量数据的函数实现如下：

uint8_t Mpu_Read_Bytes(uint8_t const regAddr, uint8_t *pData, uint8_t len)
{
    int i = 0;
    MPU_ENABLE;
    while (SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI5, SPI_I2S_FLAG_TXE) == RESET);
    SPI_I2S_SendData(SPI5, regAddr | 0x80);
    while (SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI5, SPI_I2S_FLAG_RXNE) == RESET);
    SPI_I2S_ReceiveData(SPI5);
    for(i=0; i<len; i++) {
        while(SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI5, SPI_I2S_FLAG_TXE) == RESET);
        SPI_I2S_SendData(SPI5, 0x00);
        while(SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI5, SPI_I2S_FLAG_RXNE) == RESET);
        pData[i] = SPI_I2S_ReceiveData(SPI5);
    }
    MPU_DISABLE;
    return 0;
}

● AK8963数据处理得到磁力数据

调用 Mpu_Read_Bytes 函数获取测量数据，其中 MPU_BUFF[15] 到 MPU_BUFF[20] 这六个字节的数据就是磁力计的数据。此时的磁力计数据还不稳定不能直接用来计算指南针的角度，还需要进行滤波处理，此处用到的滤波算法是滑动均值滤波。数据处理代码如下:



Mpu_Read_Bytes(MPUREG_ACCEL_XOUT_H, MPU_BUFF, 28);
if(MPU_BUFF[14] == 1) {
  // 从 MPU_BUFF[]中提取磁力数据
    Mpu_Data.mag_x = (MPU_BUFF[16] << 8) | MPU_BUFF[15];
    Mpu_Data.mag_y = (MPU_BUFF[18] << 8) | MPU_BUFF[17];
    Mpu_Data.mag_z = (MPU_BUFF[20] << 8) | MPU_BUFF[19];
  // 对x轴方向磁力计数据进行滤波，取滑动平均
  for(i=0;i<14;i++) {
    mag_x_buff[i] = mag_x_buff[i+1]   //滑动
  }  
    if(Mpu_Data.mag_x > -500 && Mpu_Data.mag_x < 500) {
        mag_x_buff[14] = Mpu_Data.mag_x;
    }
    //取平均值
    Mpu_Calc.mag_x = ( mag_x_buff[0] + mag_x_buff[1] + mag_x_buff[2] \ 
    + mag_x_buff[3] + mag_x_buff[4] + mag_x_buff[5] + mag_x_buff[6] \
    + mag_x_buff[7] + mag_x_buff[8] + mag_x_buff[9] + mag_x_buff[10] \
    + mag_x_buff[11] + mag_x_buff[12] + mag_x_buff[13] 
    + mag_x_buff[14] )/15.0f;
     // 对y轴方向磁力计数据进行滤波，取滑动平均
    for(i=0;i<14;i++){
      mag_y_buff[i] = mag_y_buff[i+1];  //滑动         
    }         
    if(Mpu_Data.mag_y > -500 && Mpu_Data.mag_y < 500){
     mag_y_buff[14] = Mpu_Data.mag_y;
    }
    //取平均值
    Mpu_Calc.mag_y = ( mag_y_buff[0] + mag_y_buff[1] + mag_y_buff[2] \ 
    + mag_y_buff[3] + mag_y_buff[4] + mag_y_buff[5] + mag_y_buff[6] \
    + mag_y_buff[7] + mag_y_buff[8] + mag_y_buff[9] + mag_y_buff[10] \
    + mag_y_buff[11] + mag_y_buff[12] + mag_y_buff[13] 
    + mag_y_buff[14] )/15.0f;
    // 对磁力计z轴方向进行滤波
    mag_z_buff[0] = mag_z_buff[1];
    mag_z_buff[1] = Mpu_Data.mag_z;
    Mpu_Calc.mag_z = (int16_t)((mag_z_buff[0] + mag_z_buff[1])/ 2.0f);
}

● 角度数据计算

磁力计数据通过滤波后得到 x y z 三个轴方向的磁力分量，计算出 x 和 y轴的 tan 值，再通过反正切计算出角度，角度经过滑动平均得到最终需要显示出来的指南针角度值，计算过程见如下代码。

 angle_buff[0] = angle_buff[1];
  angle_buff[1] = angle_buff[2];
  angle_buff[2] = ((uint16_t)(atan2((Mpu_Calc.mag_y - Mag_y_OffSet),\
      (Mpu_Calc.mag_x - Mag_x_OffSet)) *180 / PI + 180 ));
  angle = ((uint16_t)((angle_buff[0] + angle_buff[1] + angle_buff[2]) \
      / 3.0 + 0.5));

指南针数据的传输

Geek_Lite_Board 开发板外挂 ESP8266 Wi-Fi 模组通过局域网 TCP 通信的方式将角度数据传输给润和 RK3568 开发板，润和 RK3568 开发板通过 NAPI 接口获取底层网络数据，从网络数据中解析出角度数据，并在显示屏上显示出来。

角度数据的显示

角度数据的显示由润和 RK3568 开发板实现，主要分为指南针显示页面的绘制和 NAPI 从局域网上获取角度数据并展示到界面上。

指南针显示页面

指南针的显示页面主要通过 Canvas 组件画图完成，包含方位角度、指南针针盘和指示线，显示整体效果如下图所示。

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指南针针盘由一个 Canvas 组件构成，包含了三个部分，分别为刻度盘、角度数字、方位文字，他们的效果图分别如下：

● 刻度盘

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● 角度数字

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● 方位文字

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Canvas组件相关知识可以参考：https://gitee.com/openharmony/docs/blob/master/zh-cn/application-dev/reference/arkui-js/js-components-canvas-canvas.md

NAPI

NAPI（Native API）是 OpenHarmony 标准系统的一种 JS API 实现机制，适合封装 IO、CPU 密集型、OS 底层等能力并对外暴露 JS 接口，通过 NAPI 可以实现 JS 与 C/C++ 代码互相访问。润和 RK3568 应用端通过 NAPI 来接收设备端发出的检测信息。

底层 NAPI 模块封装

● 本应用封装的模块名为 tcpserverapi，先下载源码，源码路径为：

https://gitee.com/openharmony-sig/knowledge_demo_temp/tree/master/dev/team_x/napi_tcpservermodule/tcpservermodule

● 下载完成后放到 OpenHarmony 3.1 Release 版本源码根目录，并配置编译脚本；第一次编译完成需要烧写整个镜像，请参考[开发板上新 | RK3568 开发板上丝滑体验 OpenHarmony 标准系统]：

https://gitee.com/openharmony-sig/knowledge_demo_smart_home/tree/master/dev/docs/rk3568_quick_start

● 后面修改模块源码，只需将库send到板子里面。命令如下：

先挂载，再send
hdc_std shell mount -o remount,rw /
hdc_std file send libtcpserverapi.z.so system/lib/module/libtcpserverapi.z.so
应用端导入NAPI模块
import tcpserverapi from '@ohos.tcpserverapi'
应用端NAPI接口调用
//调用initServer接口 初始化 TCP 服务器
tcpserverapi.initServer() 
//调用recvMsg 获取并解析SMT32板子发送过来的角度
tcpserverapi.recvMsg().then((result) => {  
                var resultAngle = result.angle;
                })

更多 NAPI 相关知识请参考《标准设备应用开发 Native Api》视频课程。

https://www.bilibili.com/video/BV1L44y1p7KE/

应用端代码地址

https://gitee.com/openharmony-sig/knowledge_demo_temp/tree/master/FA/electronic_compass

设备侧代码地址

https://gitee.com/openharmony-sig/knowledge_demo_temp/tree/master/dev/team_x/electronic_compass

https://gitee.com/geekros/OpenHarmony_For_STM32F427/tree/master/dev-code

参考文档

【电子指南针】

https://gitee.com/openharmony-sig/knowledge_demo_temp/tree/master/docs/electronic_compass_FA

https://gitee.com/openharmony-sig/knowledge_demo_temp/tree/master/docs/electronic_compass_Dev

【RK3568指导】