ARM

疫情监控三部曲——在STM32F103 MCU上实现（裸机版）

STM32F103疫情监控平台

Posted by Wang Chao on August 17, 2020

好久没更新文章了，看看又做了什么些好玩的东西。

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：

基于嵌入式Qt环境的疫情监控平台开发笔记：

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：

显示效果

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。

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