基于Raspberry Pi Pico的云端溫濕度監(jiān)測站設計

一、介紹

使用Pi Pico 搭配擴展板以及各種傳感器模塊，再加上網(wǎng)絡相關模塊將搜集到的數(shù)據(jù)上傳云端，完成一個簡易的云端溫濕度監(jiān)測站。

二、軟件安裝

安裝Thonny IDE以及MircoPython Firmware的刻錄。

三、硬件配置

我們這次會使用到的模塊有SHT3x溫濕度模塊、1.3吋 OLED、LED燈模塊以及AM7020 NBIoT網(wǎng)絡模塊，接線方式如下對照圖表所示。

實際功能為將讀取到的溫濕度數(shù)據(jù)顯示到1.3吋 OLED上，以及定時將數(shù)據(jù)透過AM7020上傳云端，并且提供遠程網(wǎng)頁控制LED燈的功能，除了控制LED燈外也可結合繼電器實現(xiàn)控制家電（e.g.電燈、電扇、澆水設備……等）。

四、云端設定

這次我們會使用Adafruit IO做為云端平臺，它將會存放溫度、濕度，以及LED燈控制訊息相關數(shù)據(jù)，并且透過內(nèi)建服務Dashboard將數(shù)據(jù)以圖形化方式呈現(xiàn)。

進到Adafruit IO官網(wǎng)新增三個Feed，分別為「temperature」、「humidity」、「led」，如下圖所示。

接著請新增一個Dashboard，名稱為「pico」，如下圖所示。

繼續(xù)在pico Dashboard內(nèi)新增折線圖表以及按鈕開關，折線圖數(shù)據(jù)源選擇Feed「temperature」、「humidity」，按鈕開關數(shù)據(jù)源選擇Feed「led」，如下圖所示。

五、程序撰寫

本篇所用到的范例程序代碼可至下列連結下載。

https://github.com/JiekangHuang/pi_pico_adafruitIO_nbiot

(一)加載相關Library

為了簡化程序代碼復雜度，我們將會使用AM7020、SHT31、OLED 的MicroPython Library 來處理Driver 的部分，請將這三個Library 預先存入Pi Pico內(nèi)以便之后主程序呼叫。

首先使用Thonny從本機開啟要存入的檔案，并選擇檔案>>另存新檔>>Raspberry pi pico>>輸入文件名(需與原檔名相同)。

Pico Library檔案結構如下圖所示。

第一層為lib文件夾

lib文件夾里為「am7020」文件夾、「sht31.py」、「ssd1306.py」。

am7020文件夾里為「am7020_modem.py」、「am7020_mqtt.py」、「am7020_nb.py」。

(二)程序設計

開啟打開范例「example/adafriotIO_pico.py」并執(zhí)行。

1 fromutime import ticks_ms, sleep_ms

2 fromam7020.am7020_nb import AM7020NB

3 fromam7020.am7020_mqtt import AM7020MQTT

4

5 importsht31

6 frommachine import Pin, I2C

7 fromssd1306 import SSD1306_I2C

8

9 sht31_i2c= I2C(1, scl=Pin(7), sda=Pin(6), freq=400000)

10sensor = sht31.SHT31(sht31_i2c, addr=0x44)

11

12 WIDTH= 128 # oled 顯示寬度

13HEIGHT = 64 #oled 顯示高度

14

15 # 初始化 I2C 物件 I2C0 SCL =1, I2C0 SDA = GP0

16oled_i2c = I2C(0, scl=Pin(9), sda=Pin(8), freq=200000)

17

18 oled= SSD1306_I2C(WIDTH, HEIGHT, oled_i2c)

19

20 led =Pin(20, Pin.OUT)

21

22 #NBIoT 相關設定

23 apn ="twm.nbiot" # 存取點名稱

24 band= 28 # 通訊頻道

25CHECK_NET_INTERVAL_MS = 1000 # 網(wǎng)絡檢查間隔時間

26

27#相關設定

28MQTT_BROKER = "io.adafruit.com"

29 PORT= 1883

30 MQTT_USERNAME= ""

31MQTT_PASSWORD = ""

32TEMP_TOPIC = MQTT_USERNAME + "/feeds/pico.temperature"

33HUM_TOPIC = MQTT_USERNAME + "/feeds/pico.humidity"

34LED_TOPIC = MQTT_USERNAME + "/feeds/pico.led"

35UPLOAD_INTERVAL_MS = 30000 # 訊息上傳間隔時(毫秒)

36

37 nb =AM7020NB(0, 9600, 0, 1, 3, False) # 建立連接對象

38 mqtt= AM7020MQTT(nb) # 建立 MQTT 通訊對象

39

40

41 defnbConnect(): # ?訂聯(lián)機程序

42 print("Initializing modem...")

43 while((not nb.init() or (notnb.nbiotConnect(apn, band)))):

44 print(".")

45

46 print("Waiting for network...")

47 while(not nb.waitForNetwork()):

48 print(".")

49 sleep_ms(5000)

50

51 print(" success")

52

53

54 defreConnBroker(): # MQTT Broker 重新聯(lián)機程序

55 print("Connecting to",MQTT_BROKER, end="...")

56 if(mqtt.connBroker(MQTT_BROKER, PORT,MQTT_USERNAME, MQTT_PASSWORD, mqtt_id="ICSHOP_AM7020_MQTT_ID")):

57 print(" success")

58 print("subscribe: ",LED_TOPIC, end="")

59 if(mqtt.subscribe(LED_TOPIC,mqttCallback)):

60 print(" success")

61 else:

62 print(" fail")

63 else:

64 print(" fail")

65

66 #MQTT 訂閱內(nèi)容訊息回調(diào)函數(shù)

67

68

69 defmqttCallback(msg):

70 print(LED_TOPIC, ":", msg)

71 if(msg == "ON"):

72 led.on()

73 else:

74 led.off()

75

76

77chk_net_timer = 0 # 聯(lián)機狀態(tài)查詢周期定時器

78pub_data_timer = 0 # 訊息發(fā)布周期定時器

79

80 oled.fill(0) # 清除畫面

81oled.text("Init modem...", 0, 0)

82oled.show()

83

84print("Initializing modem...")

85while(not nb.init()):

86 print(".")

87

88while(True):

89 # show SHT31 data

90 oled.fill(0) # 清除畫面

91

92 t = round(sensor.get_temp_humi()[0], 1)

93 h = round(sensor.get_temp_humi()[1], 1)

94 # print("Temperature: {}".format(t))

95 # print("Humidity:{}".format(h))

96

97 if(ticks_ms() > chk_net_timer): # 聯(lián)機狀態(tài)查詢周期

98 chk_net_timer = ticks_ms() +CHECK_NET_INTERVAL_MS

99 if(not nb.chkNet()):

100 oled.fill(0) # 清除畫面

101 oled.text("ISP Connecting", 0, 0)

102 oled.show()

103 nbConnect()

104 oled.fill(0) # 清除畫面

105 oled.text("ISPConnected", 0, 0)

106 oled.show()

107 if(not mqtt.chkConnBroker()):

108 oled.fill(0) # 清除畫面

109 oled.text("MQTTConnecting", 0, 0)

110 oled.show()

111 reConnBroker()

112 oled.fill(0) # 清除畫面

113 oled.text("MQTTConnected", 0, 0)

114 oled.show()

115

116 if(ticks_ms() > pub_data_timer): # 訊息發(fā)布周期

117 pub_data_timer = pub_data_timer +UPLOAD_INTERVAL_MS

118 print("publish: ", t,end="")

119 if(mqtt.publish(TEMP_TOPIC, str(t))):

120 print(" success")

121 else:

122 print(" Fail")

123 print("publish: ", h,end="")

124 if(mqtt.publish(HUM_TOPIC, str(h))):

125 print(" success")

126 else:

127 print(" Fail")

128 mqtt.procSubs() # 檢查訂閱頻道狀態(tài)

129 oled.text("MQTT Connected", 0,0)

130 # 加入文字內(nèi)容

131 oled.text("Temp: ", 0, 10)

132 oled.text(str(t), 50, 10)

133 oled.text("*C", 90, 10)

134

135 oled.text("Humi: ", 0, 20)

136 oled.text(str(h), 50, 20)

137 oled.text("%", 90, 20)

138 oled.show() # 顯示繪制內(nèi)容

程序代碼說明：

1. 引入這次實作所需模塊。

2. 建立并傳入I2C1建立SHT31對象，用來讀取溫濕度；建立并傳入I2C0建立OLED對象，用來操作OLED，OLED設定寬高為128*64；建立LED對象，pin設定為20，并設為輸出，用來顯示網(wǎng)頁控制開關狀態(tài)。

3. 設定NBIoT 模塊所使用的APN、Band（不同電信商會不一樣，此為臺灣大哥大，Band 28），設定MQTT相關參數(shù)，Broker 使用Adafruit IO，Port 使用1883，賬號密碼請自行修改，設定溫濕度、LED Topic，請務必與云端設定相同，35行設定數(shù)據(jù)上傳云端的間隔，使用者可自行依需求調(diào)整，這里設為30秒上傳一次；建立AM7020、AM7020MQTT對象，用來將數(shù)據(jù)發(fā)送至云端平臺。

4. 定義NBIoT 聯(lián)機程序，呼叫AM7020對象init 初始化方法以及nbiotConnect 方法直到成功，接著呼叫waitForNetwork 方法等待聯(lián)機完成。

5. 定義MQTT 重新聯(lián)機程序，使用AM7020MQTT對象的connBroker 方法聯(lián)機到指定Broker，這里須注意每個裝置的mqtt_id不可相同，若相同Broker 將會剔除上一次的聯(lián)機，聯(lián)機完畢后使用AM7020MQTT 對象的subscribe 方法訂閱LED的 Topic，并傳入callback（于下一段說明），用以接收LED開關狀態(tài)。

6. 定義LED數(shù)據(jù)的Callback，當AM7020MQTT對象收到LED主題數(shù)據(jù)時就會呼叫此方法，在此方法里面判斷訊息并控制LED亮滅。

7. 建立檢查聯(lián)機狀態(tài)、發(fā)布數(shù)據(jù)的定時器；將OLED畫面清除并顯示初始化訊息，并等待NBIOT模塊初始化成功。

8. 進入無窮循環(huán)，92~93行讀取溫濕度數(shù)據(jù)，97~114定時檢查NBIOT以及MQTT的聯(lián)機狀態(tài)，若中間有斷線便會呼叫上面定義的重新聯(lián)機方法，并透過OLED顯示目前狀態(tài)。

9. 透過定時器的方式定時發(fā)送溫濕度數(shù)據(jù)到云端（默認為30秒上傳一次），發(fā)送數(shù)據(jù)使用AM7020MQTT對象的publish方法，參數(shù)帶入目標Topic以及要發(fā)布的訊息。

10. 128行使用AM7020MQTT對象的procSubs方法檢查是否有訂閱數(shù)據(jù)到達；將溫濕度數(shù)據(jù)顯示到OLED上。

六、執(zhí)行結果

完成以上步驟，并執(zhí)行范例程序代碼，我們就可以在OLED及云端上看到溫濕度數(shù)據(jù)，并且可以直接透過網(wǎng)頁按鈕控制Pico 的LED燈，如下圖所示。