零基础物联网开发,踩坑无数,得到这份宝典 | 原力计划

作者 | Haor.L

责编 | 王晓曼

出品 | CSDN博客

笔者最近参加了校内的一场物联网开发竞赛,从零开始,踩坑无数,感觉很多时候事情都不像预料的一样发展,离开了美好的IDE,太多事情要在板子上一步步摸索。运行失败还好,运行成功但BUG了,简直不知道从何查起

但认识了M5Stack简单的线上系统,学习了MQTT,HTTP等数据传输方式,入门Arduino和MIrcopython等开发语言,接触ESP32的板子,感受最深的一点就是,物联网的准入门槛并没有那么高,成本也没有那么高,但这还是一片混沌未开的区域,进场者真的可以大有所为,起码方便自己的日常生活是绰绰有余的。

总的来说,这次物联网入坑,值得!

阅读本文后你将收获:

  • 了解M5STACK这款新兴的片上系统
  • 了解这款板子的开发环境如何配置
  • 掌握ONENET数据传输
  • 掌握HTTP的GET方法
  • 会搭建笔者前几天做的项目雏形:健康码追踪系统

开发准备

本博客作为学习物联网开发的笔记,也简单的将自己的片上系统作为例程写出来。

  • ESP-IDF工具链配置:乐鑫文档
  • UIflow在线IDE
  • M5STACK的官方开发文档( 很全,如果你也打算使用M5STACK系列的开发板,强烈建议从此入门)
  • 本博客项目的代码仓库(欢迎赏星):https://github.com/haoruilee/M5Stack_Healthy_code_tracer

M5STACK简介

M5STACK是一款对初学者非常友好的ESP32开发板,可以用Micropython和C编程,也可以用很简单的拖拽式编程,拥有庞大的官方文档,只是国内只在最近开始流行,油管和B站上都有官方的教学视频,也在常常更新,很有创造力的一个产品。

结构上主要分为Core和Unit,Core作为核心控件,Unit作为传感器采集数据。

下图图就是笔者自己做的产品雏形,中间的小屏幕是Core,作为主控,周围有GPS和RFID,摄像头等单元用来采集数据。

设计雏形:

由于所有的M5产品都预设了乐高块,所有你可以把他们拼在乐高模组上,油管上还有不少人用它做乐高机器人,确实是很有创意的一款产品,颜值也不错,所以笔者选择它用来开发。

环境配置

UIFlow环境

在线编程地址:UIFlow

前几天GIthub发布了远程编译器Codespace,可以看出远程编译确实是大势所趋。

这里不得不说UIFlow把物联网的门槛大大降低了,笔者配置ESP-IDF用了将近一天,而使用UIFlow可以免去一切环境配置的痛苦。

支持拖拽编程,可视化UI设计,自带例程,确实是良心产品。

ESP-IDF环境

方法一

笔者配置ESP-IDF工具链时,一开始是使用Windows系统的工具安装器。

ESP-IDF 工具安装器可在“开始”菜单中,创建一个打开ESP-IDF 命令提示符窗口的快捷方式。本快捷方式可以打开 Windows 命令提示符(即 cmd.exe),并运行 export.bat 脚本以设置各环境变量(比如 PATH,IDF_PATH 等)。

(不得不说,这个安装器的健壮性非常差!!)

安装心得:上网技巧+把系统的PATH重新检查一遍,有些卸载残余的PATH会导致玄学问题!

方法二(更推荐)

宇宙第一VS code中有插件 ESPRESSIF

可以更清楚每时每刻在干什么,也更清楚出了BUG去哪里修补。


感知模块

M5开发了很多环境传感器,包括温湿度,人体感应,RFID,摄像头等等,在官方开发文档上也都给出了相关例程和GIthub的源码链接。

笔者自己的项目使用的是RFID、GPS和Camera模块,其中除了Camera只能用ESP-IDF编程,其他单元都支持在UIFlow上在线编程,再加上,Micropython确实比C++舒服太多。


网络连接

Wi-Fi链接

M5Stack已经自己预置了Wi-Fi链接,开机就是,不过在Mircopython里写起来也很简单,下面是一个范例:

import network
SSID="YOUR-WIFI-NAME"
PASSWORD="YOUR-WIFI-PASSWORD"
wlan=None
s=None

def connectWifi(ssid,passwd):
  '''
  连接指定wifi
  '''

  global wlan
  wlan=network.WLAN(network.STA_IF)
  wlan.active(True)
  wlan.disconnect()
  wlan.connect(ssid,passwd)
  while(wlan.ifconfig()[0]=='0.0.0.0'):
    time.sleep(1)
  return True
使用Mircoython的Wi-Fi模块,connect(ssid,password),就可以进入可爱的Wi-Fi连接界面了,M5GO的封装还是不错的。
NB-IOT
IOT模组需要额外配一张NB卡,某宝20就可以拿下一年500M流量,不过笔者没有继续尝试,已经有可爱的M5GO和稳定的Wi-Fi,就没探索用3G进行通讯。

HTTP通讯
接下来介绍物联网的精髓,“联网”,采集到了数据,那数据上报和传输是重中之重。
笔者觉得HTTP是最好理解,好入门的通讯协议,这里也先介绍这种方法。
建议参考视频:B站:接入中国移动ONENET平台
笔者尝试过诸如阿里云和一些外国的平台,最后发现都不如中国移动专门为物联网开发的ONENET,一来稳定,不用担心服务商跑路,而来阿里云显得太过臃肿,对入门者很不友好,最终选择了ONENET,他的HTTP封装好了很好看的数据流模板,如:
  • 位置信息可视化:
  • 自动折线图
POST上传数据
创建流模板
首先需要创建一个数据流模板,用于接收传过来的数据:

发送请求
请求方式:POST
URL:http://api.heclouds.com/devices/device_id/datapoints
其中,device_id:需要替换为设备ID
注意:ONENET默认post的数据叫Datastreams,参数配置见表:

请求实例:
{
    "datastreams": [{
            "id""temperature",
            "datapoints": [{
                    "at""2013-04-22T00:35:43",
                    "value""bacd"
                },
                {
                    "at""2013-04-22T00:55:43",
                    "value"84
                }
            ]
        },
        {
            "id""key",
            "datapoints": [{
                    "at""2013-04-22T00:35:43",
                    "value": {
                        "x"123,
                        "y"123.994
                    }
                },
                {
                    "at""2013-04-22T00:35:43",
                    "value"23.001
                }
            ]
        }
    ]
}
使用ONENET的模拟API调用可以快速熟悉数据的模式:
其中,URL的device_id,和下面的API_key换成自己设备的,可以在设备列表找到,就可以往自己设备的数据流模板传一个值为3的value。

Micropython用HTTP
UIFlow里自带了HTTP模块,但是很玄学,很难用!
这里笔者用Micropython自己写了一份HTTP的传输:
def http_put_data(data):
 #post data into onenet
    url='http://api.heclouds.com/devices/'+DEVICE_ID+'/datapoints'
    values={'datastreams':[{"id":"temperature","datapoints":[{"value":data}]}]}
    jdata = json.dumps(values)                 
    r=urequests.post(url,data=jdata,headers={"api-key":API_KEY})
    return r
亲测还是很好用的,可能是UIFlow自己的json封装比较奇怪?
使用模组交互的数据传输
既然M5STACK可以同时使用多个模组,那么自然也就可以使用模组来控制数据传输:
如:使用RFID卡,控制POST:
rfid0 = unit.get(unit.RFID, unit.PORTA)

while(True):
  if rfid0.isCardOn():
    rsp = http_put_data(12)
    emoji0.show_map([[0,0,0,0,0,0,0],[0,0,0,0,0,0,0],[0,1,1,1,1,1,0],[0,0,0,0,0,0,0],[0,0,0,0,0,0,0],[0,0,0,0,0,0,0],[0,0,0,0,0,0,0]]0xff0000)
  else:
    #wlan.disconnect()
    #wlan.active(False)
    emoji0.show_map([[0,0,0,1,0,0,0],[0,0,0,1,0,0,0],[0,0,0,1,0,0,0],[0,0,0,1,0,0,0],[0,0,0,1,0,0,0],[0,0,0,1,0,0,0],[0,0,0,1,0,0,0]]0xff0000)
  wait(1)
第一行的rfid0 = unit.get(unit.RFID, unit.PORTA)是指定从PORTA读取RFID的射频信息

使用HTTP的GET获取b站信息
有POST就要有GET,这里介绍一个B站大佬“正负加减”的例程,获取自己的粉丝数,里面讲解也很细致,大佬也是老Geek了,关注不亏!
UIFlow的GET结构:
核心思想是知道哪个key是follow,可以在F5审查源代码找到:

此处的URL是
http://api.bilibili.com/x/relation/stat?vmid=99566555
UP和DOWN是控制RGB等的函数。


我的片上系统设计全过程
设计初衷
在疫情管控最严格的的时候,经常能看到触目惊心的“寻找x月x日乘坐xxxx的乘客”,如果能追寻乘坐公共交通者的足迹,会给疫情管控带来很大便利。
设计方法
笔者希望结合GPS,RFID和摄像头功能,做个车载的识别信息-上报信息的小系统。
具体涉及到二维码识别,RFID识别,GPS获取和HTTP上报。
然而,这个设计一开始就遇到了难题。网上购买的测温枪,他的蓝牙数据我无法解包,好像是和腾讯连连有自己的相关配置。

腾讯连连界面:
既然腾讯连连已经写到那么好了,那就不抢他的饭碗了。
既然没办法解析内容,那下面笔者将用ENV单元采集的环境温度代替乘客温度进行收发。
分模块实现
RFID控制块
首先声明RFID模块的串口:
rfid0 = unit.get(unit.RFID, unit.PORTA)
该段指从A口串入RFID模组
【注:M5STACK使用颜色标明了A,B,C三个Grove口,见下图】
上图中RFID的串口是红色,就对应到M5GO左侧的红色接口:

GRIVE HUB
由于笔者同时还需要使用红色串口的ENV单元,因此额外购买了GROVE HUB

这样就有两个A口了。
访问设置时不需要加以区分,都从PORTA引入:
rfid0 = unit.get(unit.RFID, unit.PORTA)
env0 = unit.get(unit.ENV, unit.PORTA)
使用Emoji模块做可视化:
笔者使用循环判断是否有卡片接近,无则显示待机Emoji,有则显示✅
 #循环判断是否有卡片接近
  while(True):
    #熄灭RGB灯
    rgb.setBrightness(0)
    #清空Emoji显示
    emoji0.show_map([[0,0,0,0,0,0,0],[0,0,0,0,0,0,0],[0,0,0,0,0,0,0],[0,0,0,0,0,0,0],[0,0,0,0,0,0,0],[0,0,0,0,0,0,0],[0,0,0,0,0,0,0]]0x000000)
    #判断是否有卡片接近
    if rfid0.isCardOn():
      #有卡片接近显示对号
      emoji0.show_map([[0,0,0,0,0,0,0],[0,0,0,0,0,0,0],[0,0,0,0,0,0,1],[0,0,0,0,0,1,1],[1,0,0,0,1,1,0],[0,1,1,1,1,0,0],[0,0,1,1,0,0,0]]0x33ff33)
      #发送RFID读取到的卡片ID
      rsp_RFID = http_put_RFID((str(rfid0.readUid())))
      #完成后指示灯变绿
      rgb.setColorAll(0x33ff33)
      rgb.setBrightness(10)
    else:
      #可选是否断开wifi
      #wlan.disconnect()
      #wlan.active(False)
      #等待卡片接近时,Emoji展示"。。。"
      emoji0.show_map([[0,0,0,0,0,0,0],[0,0,0,0,0,0,0],[0,0,0,0,0,0,0],[0,1,0,1,0,1,0],[0,0,0,0,0,0,0],[0,0,0,0,0,0,0],[0,0,0,0,0,0,0]]0x000000)
    wait(1)
这里的Emoji模块是先在UIFlow里敲好,再进Micropython里查看的。
HTTP传输块
HTTP传输在上文已经讲了不少,这里优先介绍GPS的传输:
GPS的命令也是要加“value:”的,形如value:{“lon”:lon,“lat”:lat},这个地方一开始把笔者坑的不轻
def http_put_location(lon,lat):
      '''
      传输地理位置数据点至ONENET平台的location数据流
      lon:longitude,经度
      lat: latitude,纬度
      url:http的post地址
      values:请参考https://open.iot.10086.cn/doc/multiprotocol/  文档中的"HTTP协议上传数据点模块,配置json格式信息"
      API_KEY:设备发送HTTP请求的证书,请参考https://open.iot.10086.cn/doc/multiprotocol/book/develop/http/api/api-usage.html  文档中的"鉴权说明"
      '''

      url='http://api.heclouds.com/devices/YOUR-DEVICE-ID/datapoints'
      values={'datastreams':[{"id":"location","datapoints":[{"value":{"lon":lon,"lat":lat}}]}]}
      jdata = json.dumps(values)                 
      r=urequests.post(url,data=jdata,headers={"api-key":API_KEY})
      return r
这里请把YOUR-DEVICE-ID替换为自己的数据流中设备编号,参考ONENET手册。
Wi-Fi连接块
UIflow里封装了很好的Wi-Fi-connect:
wifiCfg.doConnect(SSIDPASSWORD)
如果你的Micropython里没有一键Wi-Fi连接,笔者自己也实现了一个:
  def connectWifi(ssid,passwd):
    '''
    如果您的Micropython不携带WifiCfg.doconnect,请参考本函数
    函数作用:连接至名称为SSID,密码为passwd的wifi
    '''

    global wlan
    wlan=network.WLAN(network.STA_IF)
    wlan.active(True)
    wlan.disconnect()
    wlan.connect(ssid,passwd)
    while(wlan.ifconfig()[0]=='0.0.0.0'):
      time.sleep(1)
    return True
二维码识别块
  • 本部分使用ESP-IDF编程
  • 使用的摄像头是M5CAMERA
  • 属性是OV2640
参考官方例程
  //拍摄
camera_fb_t* esp_camera_fb_get()
{
    if (s_state == NULL) {
        return NULL;
    }
    if(!I2S0.conf.rx_start) {
        if(s_state->config.fb_count > 1) {
            ESP_LOGD(TAG, "i2s_run");
        }
        if (i2s_run() != 0) {
            return NULL;
        }
    }
    if(s_state->config.fb_count == 1) {
        xSemaphoreTake(s_state->frame_ready, portMAX_DELAY);
    }
    if(s_state->config.fb_count == 1) {
        return (camera_fb_t*)s_state->fb;
    }
    camera_fb_int_t * fb = NULL;
    if(s_state->fb_out) {
        xQueueReceive(s_state->fb_out, &fb, portMAX_DELAY);
    }
    return (camera_fb_t*)fb;
}

//二维码识别
void qr_recoginze(void *pdata) {

    camera_fb_t *camera_config = pdata;

    if(pdata==NULL)
    {
        ESP_LOGI(TAG,"Camera Size err");
        return;
    }

    struct quirc *q;
    struct quirc_data qd;
    uint8_t *image;
    q = quirc_new();

    if (!q) {
        printf("can't create quirc object\r\n");
        vTaskDelete(NULL) ;
    }
    //printf("begin to quirc_resize\r\n");

    if (quirc_resize(q, camera_config->width, camera_config->height)< 0)
    {
        printf("quirc_resize err\r\n");
        quirc_destroy(q);
        vTaskDelete(NULL) ;
    }

    image = quirc_begin(q, NULLNULL);
    memcpy(image, camera_config->buf, camera_config->len);
    quirc_end(q);

    int id_count = quirc_count(q);
    if (id_count == 0) {
        quirc_destroy(q);
        return;
    }

    struct quirc_code code;
    quirc_extract(q, 0, &code);
    quirc_decode(&code, &qd);
    dump_info(q);
    quirc_destroy(q);
}
这里依赖了太多官方库…建议去代码仓库翻一翻。
K210的二维码识别
上文是ESP32类型的开发板识别代码,可以看到非常繁琐,改起来简直要了老命
使用Micropython的话,代码就变的可爱多了~
【此部分使用Maxipy编程】
 import sensor
import image
import lcd
import time

clock = time.clock()
lcd.init()
sensor.reset()
sensor.set_pixformat(sensor.RGB565)
sensor.set_framesize(sensor.QVGA)
sensor.set_vflip(1)
sensor.run(1)
sensor.skip_frames(30)
while True:
    clock.tick()
    img = sensor.snapshot()
    res = img.find_qrcodes()
    fps =clock.fps()
    if len(res) > 0:
        img.draw_string(2,2, res[0].payload(), color=(0,128,0), scale=2)
        print(res[0].payload())
    lcd.display(img)
这里Maxipy的官方文档还给出了修正图像的方法:
如果使用了镜头,画面会有扭曲,需要矫正画面使用 lens_corr 函数来矫正,比如 2.8mm, img.lens_corr(1.8)
(没事翻一翻这个Maxipy的文档还是很有启发的,大概两小时就能通读一遍)
GPS传输块
室内经常没有信号(实测室外也很少有…)因此在传递GPS的时候笔者额外设计了防止无信号的代码。
GPS的http传输函数已经在上文讲了,此处和RFID卡片控制进行结合:
 if rfid0.isCardOn():
      #有卡片接近显示对号
      emoji0.show_map([[0,0,0,0,0,0,0],[0,0,0,0,0,0,0],[0,0,0,0,0,0,1],[0,0,0,0,0,1,1],[1,0,0,0,1,1,0],[0,1,1,1,1,0,0],[0,0,1,1,0,0,0]]0x33ff33)
      #发送RFID读取到的卡片ID
      rsp_RFID = http_put_RFID((str(rfid0.readUid())))
      #防止测试时无信号
      if str(gps0.pos_quality) != "1" and str(gps0.pos_quality) != "6":
        lon=116.39137751349433
        lat=39.8969585128568
      else:
        #默认北京
        lon=gps0.longitude
        lat=gps0.latitude
      try:
        rsp_LOCATION=http_put_location(float(lon),float(lat))
      except:
        emoji0.show_map([[0,0,0,0,0,0,0],[0,0,0,0,0,0,0],[0,0,0,0,0,0,1],[0,0,0,0,0,1,1],[1,0,0,0,1,1,0],[0,1,1,1,1,0,0],[0,0,1,1,0,0,0]]0xff0000)
      #传输温度
      rsp = http_put_data(env0.temperature)
      #完成后指示灯变绿
      rgb.setColorAll(0x33ff33)
      rgb.setBrightness(10)
    else:
      #可选是否断开wifi
      #wlan.disconnect()
      #wlan.active(False)
      #等待卡片接近时,Emoji展示"。。。"
      emoji0.show_map([[0,0,0,0,0,0,0],[0,0,0,0,0,0,0],[0,0,0,0,0,0,0],[0,1,0,1,0,1,0],[0,0,0,0,0,0,0],[0,0,0,0,0,0,0],[0,0,0,0,0,0,0]]0x000000)
    wait(1)


后记
参赛时间仓促,没能完全搞明白每个引脚的用途,没有好好触摸一遍C和开发板,没有用NB-IOT通讯。没有做蓝牙通讯解包…还是有很多遗憾的,还好设备还在,可以继续探索物联网的神奇。
成果效果:
版权声明:本文为CSDN博主「Haor.L」的原创文章,遵循CC 4.0 BY-SA版权协议,转载请附上原文出处链接及本声明。




原文链接:https://blog.csdn.net/weixin_46233323/article/details/106054434」


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