基于物聯(lián)網(wǎng)的天氣數(shù)據(jù)記錄器

通過本文，你將了解如何使用 Conexio Stratus 套件和 Datacake 構(gòu)建低成本（和低代碼）天氣數(shù)據(jù)記錄器

背景

建筑物的溫度讀數(shù)對于供暖專家、社會房東甚至房主來說可能是一個(gè)主要問題，以確保房屋內(nèi)的溫度恒定且定期受控。適當(dāng)管理的室內(nèi)氣候可以保證為用戶提供舒適的環(huán)境并有助于節(jié)省能源。

本文將演示如何：

免費(fèi)創(chuàng)建您自己的基于物聯(lián)網(wǎng)的天氣數(shù)據(jù)儀表板。

在 Datacake 上創(chuàng)建您的第一臺設(shè)備，并通過 MQTT 代理將運(yùn)行 ZephyrRTOS 的 Conexio Stratus 連接到 Datacake 平臺。

組裝所需的硬件。

使用 Conexio Stratus 設(shè)備從 BME280 傳感器獲取重要的環(huán)境數(shù)據(jù)以及電池電壓、LTE 信號強(qiáng)度、固件版本和設(shè)備 IMEI 等其他生命體征數(shù)據(jù)，并將其推送到云端。

從世界任何地方可視化和跟蹤您的環(huán)境數(shù)據(jù)。

為什么選擇蜂窩網(wǎng)絡(luò)以及為什么選擇 Conexio Stratus 套件？

Wi-Fi 服務(wù)可能不是最可靠的，在某些地方甚至不是用戶的選擇。例如，如果您想在農(nóng)場中間監(jiān)控和部署一個(gè)傳感器設(shè)備，那里沒有 WiFi，但您有良好的蜂窩網(wǎng)絡(luò)覆蓋。這就是蜂窩連接派上用場的地方，這也是我決定使用基于蜂窩的 Conexio Stratus 開發(fā)套件的原因。盡管還有許多其他基于蜂窩的物聯(lián)網(wǎng)平臺，但以下是 Conexio Stratus 脫穎而出的一些原因。

Conexio Stratus 開發(fā)套件使我們能夠輕松地對 IoT 解決方案進(jìn)行原型設(shè)計(jì)，因?yàn)樗鼛в?500MB 的預(yù)付費(fèi)數(shù)據(jù)和 10 年的全球蜂窩服務(wù)。不需要合同。

該開發(fā)套件支持 LTE-M 和 NB-IoT 協(xié)議，還集成了 GPS，無需購買和集成外部 GPS 模塊。

它還具有板載環(huán)境傳感器，特別是來自 ST micro 的 Sensirion Sht4x 溫度和濕度傳感器和 LIS2DH 加速度計(jì)。

最后但同樣重要的是，該套件支持能量收集和太陽能電池充電。這是目前在許多物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中找不到的缺失功能之一。

除了 Stratus 設(shè)備，我還使用了 Stratus 擴(kuò)展板，它支持 Sparkful QWIIC 連接器、用于 Mikroe click 板的 Mikro 總線，以及用于連接外部傳感器和執(zhí)行器的 Grove I2C 連接器。使用此防護(hù)罩，我們連接了 Mikroe 的 BME280 天氣點(diǎn)擊板，用于測量溫度、濕度和壓力。這主要是為了演示無需焊接即可輕松地將第三方傳感器模塊連接到 Stratus 設(shè)備。

無需外部MCU

與其他需要專用 MCU 來控制 GPS、傳感器等其他外圍設(shè)備的基于蜂窩的 IoT 設(shè)備不同，Conexio Stratus 無需外部 MCU。它簡單地將主 MCU、單元和 GPS 模塊組合在一個(gè)由 nRF9160 SiP 支持的微型外形中。nRF9160 包含一個(gè)僅用于應(yīng)用的 Arm Cortex-M33 應(yīng)用處理器、一個(gè)完整的 LTE 調(diào)制解調(diào)器、射頻前端 （RFFE） 和一個(gè)電源管理系統(tǒng)，使其成為市場上最緊湊、最完整和最節(jié)能的蜂窩物聯(lián)網(wǎng)解決方案。此外，無需外部 MCU、蜂窩或 GPS 模塊，降低了設(shè)備集成成本和時(shí)間。

因此，讓我們深入設(shè)置所需的軟件和硬件配置。

組裝硬件以進(jìn)行初始固件測試

以下是我們使用過的所有硬件：

對于初始測試，我們將主 Stratus 開發(fā)板和 Mikroe BME280 天氣點(diǎn)擊板插入 Stratus 防護(hù)板，如下所示。最終部署的完整硬件將在本文后面進(jìn)行組裝和展示。

Datacake 注冊和設(shè)置

在此處在 Datacake 平臺上注冊并創(chuàng)建用戶帳戶。您的前兩個(gè)設(shè)備是免費(fèi)的。

在通過 MQTT 存儲任何測量讀數(shù)之前，我們需要在 Datacake 平臺上設(shè)置一個(gè)設(shè)備。注冊和帳戶激活后，前往 Datacake 工作區(qū)的車隊(duì)視圖。

點(diǎn)擊右上角的添加設(shè)備，彈出如下彈窗。

在STEP 1中，選擇設(shè)備類型為“ API ”，在 Datacake Product 下選擇New Product 。然后在“產(chǎn)品名稱”下為您的設(shè)備分配一個(gè)名稱。在本教程中，我們將產(chǎn)品命名為“ Conexio Stratus ”。

在STEP 2中，您可以添加一個(gè)或多個(gè) API 設(shè)備。接下來，分配設(shè)備名稱并點(diǎn)擊Next 。

最后，在STEP 3中，選擇 Datacake 計(jì)劃。要?jiǎng)?chuàng)建設(shè)備，必須選擇付款計(jì)劃。由于 Datacake 最多允許您免費(fèi)創(chuàng)建兩個(gè)設(shè)備，因此您可以選擇“免費(fèi)”計(jì)劃并單擊“添加 1 個(gè)設(shè)備”。

您的設(shè)備現(xiàn)在已經(jīng)注冊到 Datacake 平臺，應(yīng)該會出現(xiàn)在“ Fleet ”視圖中的設(shè)備下。單擊您注冊的設(shè)備，它將帶您進(jìn)入其工作區(qū)。在STEP 2中，您可以添加一個(gè)或多個(gè) API 設(shè)備。接下來，分配設(shè)備名稱并點(diǎn)擊Next 。

添加數(shù)據(jù)庫字段

好的。此時(shí)，我們需要在設(shè)備的數(shù)據(jù)庫中定義字段，這些字段將托管從 Stratus 設(shè)備通過 MQTT 發(fā)送的測量值。

在 Datacake 中，導(dǎo)航到“配置”選項(xiàng)卡并向下滾動到“字段”部分，然后單擊“添加字段”按鈕。

這將打開一個(gè)具有多種數(shù)據(jù)類型的模式。在本文中，我們將添加以“ Float ”類型的溫度開頭的多個(gè)字段。Datacake 會自動填寫“標(biāo)識符”字段。有關(guān)詳細(xì)信息，請參閱下面的片段。

完成字段詳細(xì)信息后，單擊“添加字段”即可完成此字段。您將在下面看到我們?yōu)榇耸纠龖?yīng)用程序添加的所有不同字段。這些字段包括：

RSRP - LTE 信號強(qiáng)度值

電池 - 用于記錄連接的鋰聚合物電池的電壓

IMEI - Conexio Stratus 國際移動設(shè)備識別碼 （IMEI） 號碼

版本 - 設(shè)備上運(yùn)行的固件版本

溫度 - BME280 傳感器的環(huán)境溫度讀數(shù)

濕度 - BME280 傳感器的相對濕度讀數(shù)

壓力 - BME280 傳感器的環(huán)境壓力讀數(shù)

添加集成

接下來，在 Fields 部分的正下方，您將找到Integrations部分。要通過 MQTT 從您的設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，必須建立與 Datacake 的連接。單擊配置，將彈出MQTT 集成信息窗口。

Datacake 平臺提供具有 TLS 加密的 MQTT 代理，它允許訂閱和記錄數(shù)據(jù)。

在該平臺的幫助下，您可以：

通過 MQTT 將傳入的設(shè)備數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到外部服務(wù)

通過 MQTT 將數(shù)據(jù)存儲到 Datacake Cloud

為了將測量記錄到 Datacake Cloud，我們將把數(shù)據(jù)發(fā)布到相應(yīng)的主題結(jié)構(gòu)中，如 MQTT 集成窗口中所示。

注意：復(fù)制上面的代理名稱和我們稍后將在固件配置中使用的主題。

Datacake 的 MQTT 主題前綴遵循以下結(jié)構(gòu)：

dtck-pub/《product_slug》/《device_id》/《field_name》

主題結(jié)構(gòu)中的最后一個(gè)元素是測量值的字段名稱，它出現(xiàn)在我們之前創(chuàng)建的數(shù)據(jù)庫字段中。該字段（標(biāo)識符）是我們將發(fā)布來自 Stratus 設(shè)備的不同測量值的地方。

生成訪問令牌

在 Datacake 平臺創(chuàng)建和注冊用戶帳戶時(shí)，會自動生成用戶訪問令牌。此 API 令牌充當(dāng)安全性并允許設(shè)備訪問用戶的帳戶。

注意：我們將需要此令牌來使用 Datacake 平臺驗(yàn)證我們的 Stratus 設(shè)備。

要查看您的個(gè)人訪問令牌，請單擊“ Edit Profile ”，然后單擊“ API ”。

要查看您的訪問令牌，請單擊“顯示”?，F(xiàn)在將這個(gè)訪問令牌復(fù)制到一個(gè)安全的地方，因?yàn)槲覀兩院髸枰?/p>

至此，我們已經(jīng)具備了將 Conexio Stratus 設(shè)備中的數(shù)據(jù)連接和發(fā)布到 Datacake 所需的所有詳細(xì)信息。現(xiàn)在讓我們轉(zhuǎn)到設(shè)備固件方面。

MQTT 應(yīng)用程序代碼

我們擴(kuò)展了 nRF Connect SDK 中提供的示例 MQTT 應(yīng)用程序，以便輕松地將 Stratus 套件連接到 MQTT 代理，從 Datacake 平臺發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。

擴(kuò)展的示例應(yīng)用程序連接到 Datacake 并將數(shù)據(jù)發(fā)布到配置的發(fā)布主題。在按鈕按下事件時(shí)，應(yīng)用程序?qū)⒃O(shè)備生命值發(fā)布到 Datacake 并定期發(fā)布環(huán)境數(shù)據(jù)，例如溫度和濕度。

完整的應(yīng)用程序可以在本文下方找到。

將 Datacake 憑據(jù)添加到應(yīng)用程序代碼

首先，我們必須將 Datacake 訪問令牌添加到應(yīng)用程序代碼中。您將需要conexio_stratus_firmware/samples/datacake/prj.conf使用您的 Datacake 訪問令牌進(jìn)行編輯。更新以下參數(shù)。

# MQTT application configuration authentication
CONFIG_MQTT_PASS="DATACAKE_ACCESS_TOKEN"
CONFIG_MQTT_USER="DATACAKE_ACCESS_TOKEN"

注意用戶名和密碼是一樣的。

MQTT 代理配置

接下來，我們需要配置 MQTT 代理主機(jī)名和端口。使用以下內(nèi)容更新 Datacake 代理配置：

# MQTT broker configuration
CONFIG_MQTT_BROKER_HOSTNAME="mqtt.datacake.co"
CONFIG_MQTT_BROKER_PORT=8883

我們將使用使用 CA 簽名服務(wù)器證書的端口 8883。

MQTT 發(fā)布/訂閱配置

要將測量記錄到設(shè)備的特定數(shù)據(jù)庫字段，我們將更新 MQTT 發(fā)布主題，如下所示：

# MQTT topics for recording measurement values
# Change this as per your Datacake MQTT Integration and fields
CONFIG_MQTT_PUB_TOPIC_TEMP="dtck-pub///TEMPERATURE"
CONFIG_MQTT_PUB_TOPIC_HUM="dtck-pub///HUMIDITY"
CONFIG_MQTT_PUB_TOPIC_PRES="dtck-pub///PRESSURE"
CONFIG_MQTT_PUB_TOPIC_VER="dtck-pub///VERSION"
CONFIG_MQTT_PUB_TOPIC_IMEI="dtck-pub///IMEI"
CONFIG_MQTT_PUB_TOPIC_BAT="dtck-pub///BATTERY"
CONFIG_MQTT_PUB_TOPIC_RSRP="dtck-pub///RSRP"
CONFIG_MQTT_PUB_TOPIC_BUTTON="dtck-pub///BUTTON"

# MQTT subscription topics
CONFIG_MQTT_SUB_TOPIC="dtck/conexio-stratus///+"

例如，使用 Product-Slug my-product ， Device-ID 6b98a3bb-9ae1-418f-9375-f23091a849cd和 Field-IdentifierTEMPERATURE將發(fā)布消息到：

dtck-pub/my-product/6b98a3bb-9ae1-418f-9375-f23091a849cd/TEMPERATURE

有效負(fù)載將保存您要記錄到該特定數(shù)據(jù)庫字段中的值。

publish("dtck-pub/my-product/6b98a3bb-9ae1-418f-9375-f23091a849cd/TEMPERATURE", 25.00)

到這一步已經(jīng)設(shè)置好了 MQTT 參數(shù)配置。

對 Stratus 設(shè)備進(jìn)行編程

要編譯應(yīng)用程序，請?jiān)趹?yīng)用程序目錄中打開一個(gè)終端窗口并發(fā)出以下west命令

west build -b conexio_stratus_ns
成功編譯應(yīng)用程序后，連接 Stratus 設(shè)備并將其置于 DFU 模式。

使用 newtmgr 刷寫編譯好的固件：

newtmgr -c serial image upload build/zephyr/app_update.bin
打開串行控制臺并重置 Stratus 設(shè)備。終端中將顯示以下串行 UART 輸出。如果您是第一次連接 Stratus 設(shè)備，請花幾分鐘時(shí)間注冊到網(wǎng)絡(luò)并與塔建立 LTE 連接。由于 Stratus 設(shè)備已預(yù)先配置為自動連接到 LTE 網(wǎng)絡(luò)，因此無需額外的 SIM 激活。

*** Booting Zephyr OS build v2.6.99-ncs1 ***
mqtt_app: Stratus MQTT Datacake sample started, version: v1.0.0
watchdog: Watchdog timeout installed. Timeout: 60000
watchdog: Watchdog started
watchdog.watchdog_feed_enable: Watchdog feed enabled. Timeout: 30000
mqtt_app: Provisioning certificates
mqtt_app: LTE Link Connecting...
+CEREG: 2,"412D","03382810",7
+CSCON: 1
+CEREG: 5,"412D","03382810",7,,,"11100000","11100000"
%CESQ: 35,1,10,1
mqtt_app: LTE Link Connected!
mqtt_app.modem_rsrp_handler: Incoming RSRP status message, RSRP value is 35
mqtt_app: IPv4 Address found 144.126.245.197
mqtt_app: client_id: 352656103852334
mqtt_app: TLS enabled
env_sensors: Environmental sensors initialized
mqtt_app: MQTT client connected mqtt_app: Subscribing to: dtck/conexio-stratus/4fbfe839-c8aa-4882-a890-02f981753f6d/+ len 59 mqtt_app: SUBACK packet id: 1234
mqtt_app: Publishing: 26.06
mqtt_app: to topic: dtck-pub/conexio-stratus/4fbfe839-c8aa-4882-a890-02f981753f6d/TEMPERATURE len: 73
mqtt_app: Publishing: 23.24
mqtt_app: to topic: dtck-pub/conexio-stratus/4fbfe839-c8aa-4882-a890-02f981753f6d/HUMIDITY len: 70

建立 LTE 連接后，您會注意到 Stratus 連接到 Datacake MQTT 代理，之后它將傳感器數(shù)據(jù)發(fā)布到配置的主題。您的 Stratus 設(shè)備現(xiàn)在處于活動狀態(tài)并正在與 Datacake 云進(jìn)行通信。

在 Datacake 儀表板上可視化天氣數(shù)據(jù)

固件啟動并運(yùn)行后，返回 Datacake 儀表板并將圖形小部件添加到您的工作區(qū)。您現(xiàn)在將看到設(shè)備數(shù)據(jù)流入 Datacake 并填充漂亮的圖表。下面是我們創(chuàng)建的示例儀表板。

您可以從世界任何地方訪問實(shí)時(shí)設(shè)備儀表板和數(shù)據(jù)：https ：//app.datacake.de/pd/f66e9fed-996e-4b84-b44f-e3d4e458cd3e

組裝最終部署就緒的硬件

現(xiàn)在我們已經(jīng)啟動并運(yùn)行了初始固件和儀表板，讓我們組裝完整的硬件以進(jìn)行部署。在這里，我們將一個(gè)小型太陽能電池板連接到 Stratus 護(hù)罩，用于為 LiPo 電池充電。通過滑動 Stratus 主板側(cè)面的開關(guān)打開設(shè)備后，完整的硬件安裝在亞克力外殼內(nèi)，如下所示：

結(jié)論

這篇文章演示了您可以使用 Conexio Stratus 蜂窩物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備創(chuàng)建的眾多應(yīng)用程序之一?，F(xiàn)在我們有了像 Datacake 這樣的無代碼或低代碼云平臺，發(fā)送和可視化 IoT 設(shè)備數(shù)據(jù)變得比以前容易得多。借助預(yù)付的 500MB 蜂窩數(shù)據(jù)，您無需 WiFi、藍(lán)牙甚至 SD 卡即可從世界任何地方跟蹤和記錄您的天氣數(shù)據(jù)。