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        在云端,物聯(lián)網(wǎng)初探

        2020-08-10 18:19:23朱曉光劉好杰王剛
        卷宗 2020年16期
        關(guān)鍵詞:物聯(lián)網(wǎng)

        朱曉光 劉好杰 王剛

        摘 要:物聯(lián)網(wǎng)是當(dāng)下的“網(wǎng)紅”,多少人都想一探究竟,但復(fù)雜的程序、高深的協(xié)議將大多數(shù)人拒之門(mén)外,本文正是針對(duì)此種狀況,選擇適合初學(xué)者的硬件和開(kāi)發(fā)集成環(huán)境,從基本概念到具體應(yīng)用,使讀者從整體解釋了物聯(lián)網(wǎng)的開(kāi)發(fā)流程,理解其本質(zhì)。

        關(guān)鍵詞:物聯(lián)網(wǎng);ESP8266;Mixly;Blynk

        物聯(lián)網(wǎng),顧名思義,即“萬(wàn)物相連的互聯(lián)網(wǎng)”,是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上延伸和擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò),將各種信息傳感設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合起來(lái)而形成的一個(gè)巨大網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)在任何時(shí)間、任何地點(diǎn),人、機(jī)、物的互聯(lián)互通。它起源于互聯(lián)網(wǎng)(計(jì)算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)),但它的連接實(shí)體已不僅僅局限于計(jì)算機(jī),而是包括了汽車(chē)、家電、醫(yī)療設(shè)備、智能儀器等萬(wàn)事萬(wàn)物,正如其英文名字——The Internet of Things,簡(jiǎn)稱IOT。

        1 物聯(lián)網(wǎng)基本理念

        物聯(lián)網(wǎng)的基本結(jié)構(gòu)是通過(guò)無(wú)線或有線的方式將萬(wàn)物連接到一個(gè)服務(wù)器平臺(tái)上,即所謂的“云”,云端包含了所有的信息交換,也儲(chǔ)存了所有的信息,這就是“大數(shù)據(jù)”,這些數(shù)據(jù)加以利用,便可分析用戶的各類(lèi)信息,因此,在物聯(lián)網(wǎng)的世界里,隱私是不存在的。但是,物聯(lián)網(wǎng)帶來(lái)的便利也是巨大的,最簡(jiǎn)單的應(yīng)用場(chǎng)景:在你下班回家之前,通過(guò)手機(jī)APP控制家里的空調(diào)提前工作,當(dāng)你回到家中,便是宜人的環(huán)境,舒適的溫度。

        當(dāng)然,你也是要付出信息代價(jià)的:你的下班時(shí)間、你喜歡的溫度、你空調(diào)的型號(hào)等等,利用這些信息可以分析你的工作性質(zhì)、生活習(xí)慣、住房面積、甚至你的經(jīng)濟(jì)情況,再綜合其他設(shè)備提供的信息,你的大數(shù)據(jù)就產(chǎn)生了。當(dāng)然,這也為你的生活帶來(lái)了便利,根據(jù)你的習(xí)慣和能力推薦適合你的產(chǎn)品。比如,在你的空調(diào)難以達(dá)到你的預(yù)設(shè)溫度時(shí),淘寶的推送就是一臺(tái)大功率的空調(diào),“云”似乎比你自己還了解你!

        當(dāng)前,這種情況涉及的討論越來(lái)越多,到底是我們利用大數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)了便捷,還是我們被大數(shù)據(jù)利用,成為數(shù)據(jù)的附庸?似乎“西部世界”中也討論了這樣的問(wèn)題。這不是我們今天要討論的重點(diǎn),既然享受服務(wù),自然要付出代價(jià)。但我們應(yīng)該了解的是這一切發(fā)生的過(guò)程,當(dāng)你再收到某些推送時(shí),你應(yīng)該了解的是這一系列產(chǎn)生的機(jī)制,哪些是你真正的需要,利用大數(shù)據(jù)的便利,而避免被“云”左右。說(shuō)了這么多,只是要引出今天要介紹的一款物聯(lián)網(wǎng)芯片——ESP8266。

        2 ESP8266簡(jiǎn)介

        說(shuō)到連接互聯(lián)網(wǎng),尤其是設(shè)備通過(guò)單片機(jī)聯(lián)網(wǎng),之前并不是件容易的事,開(kāi)發(fā)者需要增加硬件模塊,掌握互聯(lián)網(wǎng)的各類(lèi)協(xié)議,編寫(xiě)單片機(jī)與模塊的通信代碼,受限于單片機(jī)的存儲(chǔ)量和運(yùn)行速度,這方面的應(yīng)用并不廣泛,尤其是對(duì)于業(yè)余開(kāi)發(fā)者更是困難重重。直到2015年,由樂(lè)鑫公司出的一款WiFi芯片——ESP8266,它以其超低的價(jià)格,引起了物聯(lián)網(wǎng)業(yè)界的軒然大波,大大促進(jìn)了物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展!由于WiFi設(shè)備需要專(zhuān)業(yè)的射頻設(shè)計(jì),因此使用者往往直接購(gòu)買(mǎi)集成了ESP8266芯片的模組,如安信可的ESP-12集成了天線、Flash等元件的模組。

        ESP8266準(zhǔn)確來(lái)說(shuō)是集成了WiFi功能的MCU,它的開(kāi)發(fā)方式有以下幾種:

        1)AT指令方式:燒錄AT的固件包,使用AT指令與ESP8266交互,執(zhí)行相應(yīng)指令。該方式開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單,資料較多。只需知道AT指令集,以及它的通信方式即可。但缺點(diǎn)是浪費(fèi)資源,需要額外的MCU與其通信,不能獨(dú)立完成某項(xiàng)功能。

        2)樂(lè)鑫開(kāi)發(fā)包SDK,專(zhuān)門(mén)針對(duì)樂(lè)鑫芯片開(kāi)發(fā),但對(duì)于業(yè)余者相對(duì)吃力。

        3)NodeMCU的lua開(kāi)發(fā):燒錄NodeMCU的固件包,使用Lua語(yǔ)言開(kāi)發(fā),使用ESP內(nèi)部資源。該方法節(jié)省資源,開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單,代碼量少。但lua解釋器執(zhí)行效率較低,需要準(zhǔn)備相應(yīng)功能的固件,燒錄進(jìn)去,然后使用lua語(yǔ)言和工具與之調(diào)試。

        4)Arduino IDE下的開(kāi)發(fā):相當(dāng)于直接編寫(xiě)固件,編譯之后,燒錄進(jìn)ESP,使用ESP內(nèi)部資源。這種方式使用當(dāng)前非常流行的Arduino集成開(kāi)發(fā)環(huán)境,集編程和燒錄一體,使用方便。語(yǔ)言執(zhí)行效率高,節(jié)省資源,庫(kù)函數(shù)比較多,開(kāi)發(fā)語(yǔ)言簡(jiǎn)單,能夠很快上手。由于Arduino的用戶量巨大,樂(lè)鑫公司也推薦使用該方式進(jìn)行開(kāi)發(fā)。本文將重點(diǎn)介紹基于Arduino的ESP8266開(kāi)發(fā)。

        3 Mixly(米思齊)與Blynk

        硬件有了,接下來(lái)便是軟件,物聯(lián)網(wǎng)軟件包括兩大部分:MCU軟件和客戶端軟件,MCU軟件既ESP8266的程序,客戶端軟件則是在手機(jī)上或計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的與MCU進(jìn)行交互的界面,兩者并非直接通信,而是通過(guò)中介——云。MCU程序?qū)⒃O(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和各類(lèi)參數(shù)上傳到云端,經(jīng)過(guò)云端處理后發(fā)送到客戶端;客戶端的各類(lèi)指令同樣經(jīng)過(guò)云端中介后發(fā)送給MCU執(zhí)行。接下來(lái)重點(diǎn)介紹這兩種軟件的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境:Mixly(米思齊)與Blynk。

        Arduino是基于C語(yǔ)言為基礎(chǔ)的,如果開(kāi)發(fā)者有過(guò)51或AVR單片機(jī)學(xué)習(xí)經(jīng)歷,那么使用Arduino將得心應(yīng)手,可以說(shuō)更加方便簡(jiǎn)單,但對(duì)于很多非專(zhuān)業(yè)人員,尤其是想學(xué)習(xí)編程的青少年,仍有一定難度,加之當(dāng)前編程教育的興起,大量圖形化編程工具應(yīng)運(yùn)而生,最為著名的便是麻省理工學(xué)院開(kāi)發(fā)的Scratch。為了推廣創(chuàng)客教育,北京師范大學(xué)教育學(xué)部創(chuàng)客教育實(shí)驗(yàn)室傅騫教授團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的Mixly是一款專(zhuān)門(mén)針對(duì)Arduino的圖形化編程軟件,而且它允許外加函數(shù)庫(kù),大大豐富了其資源,針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)發(fā)甚至推出了專(zhuān)用版本——Mixly For IoT,這不得不說(shuō)是廣大物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)發(fā)愛(ài)好者的福音!

        Blynk既云平臺(tái),是一款服務(wù)器在國(guó)外的物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)發(fā)軟件,可以通過(guò)手機(jī)開(kāi)發(fā)客戶端程序,而且Mixly中已有專(zhuān)門(mén)針對(duì)Blynk的庫(kù)函數(shù),開(kāi)發(fā)者可以不必關(guān)注低層協(xié)議,而把重點(diǎn)放在創(chuàng)意實(shí)現(xiàn)上。此外Blynk允許自建服務(wù)器,可以選擇國(guó)內(nèi)物聯(lián)網(wǎng)愛(ài)好者搭建的一些服務(wù)平臺(tái),保證通信的穩(wěn)定性;也可以搭建自己的服務(wù)器,提高數(shù)據(jù)安全,并在必要時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。此外,云平臺(tái)還有阿里云、百度云、中國(guó)移動(dòng)的OneNet等等,對(duì)于初學(xué)者和個(gè)人用戶,Blynk相對(duì)而言上手較為簡(jiǎn)單,應(yīng)用比較靈活。

        4 典型應(yīng)用實(shí)例

        學(xué)習(xí)一個(gè)新事物,理論看的再多也難以理解其本質(zhì),只有通過(guò)一個(gè)具體的項(xiàng)目,完整的開(kāi)發(fā)過(guò)程才會(huì)使學(xué)習(xí)者形成整體認(rèn)知,避免只見(jiàn)樹(shù)木,不見(jiàn)森林的學(xué)習(xí)陷阱。我們以一個(gè)最簡(jiǎn)單的應(yīng)用場(chǎng)景為例進(jìn)行開(kāi)發(fā):遠(yuǎn)程控制。通過(guò)手機(jī)端發(fā)送指令,控制聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備工作,這個(gè)設(shè)備可以是熱水器、空調(diào)、電飯煲……在這里我們以LED代替,也就是說(shuō),手機(jī)客戶端控制LED的亮與滅。

        在這里我們使用的ESP8266模塊是NodeMCU,只要Arduino中安裝了ESP8266的開(kāi)發(fā)包,NodeMCU就包含其中,在米思齊中選擇開(kāi)發(fā)板型號(hào)為NodeMCU即可,其Blynk物聯(lián)網(wǎng)函數(shù)庫(kù)中也包含了大量資源,如圖1所示。

        在此實(shí)例的應(yīng)用中,ESP8266程序只需要做一件工作——聯(lián)網(wǎng)。在米思齊中,聯(lián)網(wǎng)只需要一個(gè)代碼模塊,如圖2所示。服務(wù)器地址可以選擇Blynk的官方服務(wù)器blynk-cloud.com,也可以選擇國(guó)內(nèi)服務(wù)器,如筆者用的116.62.49.166。在此需要特別注意的是,在使用國(guó)內(nèi)服務(wù)器時(shí),需要將IP地址格式的“.”用英文輸入法的“,”代替。此后便是WiFi名稱和密碼,根據(jù)實(shí)際情況輸入即可。關(guān)鍵在于第四個(gè)參數(shù)Blynk授權(quán)碼,此授權(quán)碼是客戶端與MCU端進(jìn)行通信的“接頭暗號(hào)”,由Blynk App創(chuàng)建新項(xiàng)目時(shí)生成的具有唯一性的編碼,通過(guò)此編碼,手機(jī)客戶端和ESP8266開(kāi)發(fā)板實(shí)現(xiàn)相互對(duì)應(yīng)。這些信息設(shè)置完成后,上傳程序,NodeMCU開(kāi)發(fā)板便連接到了設(shè)定的服務(wù)器上,此后的工作便是通過(guò)手機(jī)客戶端控制其端口輸出0/1,D6端口連接LED,輸出為“1”,燈亮,反之,燈滅。在此需要注意的是NodeMCU開(kāi)發(fā)板的D6端口并不對(duì)應(yīng)ESP8266的GPIO6,而是GPIO12,如圖所示,因此,客戶端程序?qū)τ贓SP 8266的控制端應(yīng)為GP12。

        最后一項(xiàng)就是開(kāi)發(fā)手機(jī)端的Blynk程序,開(kāi)發(fā)流程如下:1)在注冊(cè)賬號(hào)時(shí)設(shè)置自定義服務(wù)器地址,否則默認(rèn)官方服務(wù)器;2)創(chuàng)建新工程,我們命名為“遠(yuǎn)程控制”;3)在工程設(shè)置界面可以獲取Blynk授權(quán)碼Auth Token,此碼即為前文提及的與ESP8266的“接頭暗號(hào)”;4)在開(kāi)發(fā)界面添加組件Button;5)對(duì)組件進(jìn)行設(shè)置,名稱為“按鈕”,OUTPUT設(shè)置為GP12,MODE(按鈕形式)設(shè)置為SWITCH,其他默認(rèn);6)完成設(shè)置后界面顯示按鈕及其對(duì)應(yīng)端口,單擊右上角三角形進(jìn)行運(yùn)行發(fā)布;7)如果此時(shí)ESP8266已通電并聯(lián)網(wǎng),界面顯示設(shè)備在線信息,單擊按鈕可實(shí)現(xiàn)LED的亮滅控制。至此,遠(yuǎn)程控制LED項(xiàng)目完成,將硬件電路略作修改,將LED換為其他元件,如繼電器等,便可實(shí)現(xiàn)用電設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。

        5 結(jié)束語(yǔ)

        本文通過(guò)一個(gè)最為簡(jiǎn)單的應(yīng)用場(chǎng)景,利用ESP8266的NodeMCU開(kāi)發(fā)板,基于Mixly與Blynk實(shí)現(xiàn)了手機(jī)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制,跟隨筆者的步驟,可實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目開(kāi)發(fā),激發(fā)學(xué)習(xí)熱情,并結(jié)合自身學(xué)習(xí)過(guò)程遇到的問(wèn)題,有效幫助初學(xué)者避開(kāi)陷阱,提高學(xué)習(xí)效率,輕松入門(mén)。

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