基于NodeMCU與OneNET的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)分析

楚琳琳 徐江濤

摘 要：文章以無(wú)線網(wǎng)絡(luò)為背景，確定通信協(xié)議為MQTT，有序完成節(jié)點(diǎn)微控制器單元（NodeMCU）與云平臺(tái)（OneNET）的連接，嘗試進(jìn)行信息傳遞。在系統(tǒng)開(kāi)發(fā)期間，含有四個(gè)組成要素：項(xiàng)目準(zhǔn)備、設(shè)備運(yùn)行、程序運(yùn)行、平臺(tái)控制，以系統(tǒng)試運(yùn)行方式，展現(xiàn)數(shù)據(jù)收集、環(huán)境監(jiān)測(cè)、信息處理過(guò)程，驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)微控制器單元與云平臺(tái)的聯(lián)合使用功效。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);節(jié)點(diǎn)微控制器單元;云平臺(tái)

0?引言

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在原有網(wǎng)絡(luò)環(huán)境基礎(chǔ)上，開(kāi)展了功能延伸、模塊擴(kuò)展，旨在多元網(wǎng)絡(luò)連接技術(shù)使用基礎(chǔ)上，借助信息傳感技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，完成物物、物人的關(guān)聯(lián)與信息傳遞，同時(shí)積極處理收集數(shù)據(jù)，形成遠(yuǎn)程智能控制體系，具有自動(dòng)化運(yùn)作能力。為此，以節(jié)點(diǎn)微控制器單元、云平臺(tái)為背景，探索物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用方法，為相關(guān)技術(shù)研發(fā)提供參考依據(jù)。

1?系統(tǒng)開(kāi)發(fā)準(zhǔn)備工作

1.1? 環(huán)境準(zhǔn)備

在系統(tǒng)開(kāi)發(fā)前期，應(yīng)選擇穩(wěn)定的管道、運(yùn)行流暢的通信協(xié)議，以此保障節(jié)點(diǎn)微控制器單元與云平臺(tái)連接的順利性，提升數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性。為此，以消息隊(duì)列遙測(cè)傳輸協(xié)議為通信協(xié)議，此傳輸協(xié)議發(fā)行于20世紀(jì)90年代，作為輕量級(jí)通信協(xié)議，能夠在各種平臺(tái)間進(jìn)行高效性通信傳輸。此協(xié)議在使用期間，具有功能開(kāi)放、程序簡(jiǎn)單、操作靈活等特點(diǎn)，在物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品中使用較為廣泛。

在研究期間，云平臺(tái)確定為移動(dòng)單位發(fā)行的開(kāi)放平臺(tái)，集合了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與產(chǎn)業(yè)性能。節(jié)點(diǎn)微控制器單元確定為開(kāi)發(fā)板，具有能耗低、集成能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)。此開(kāi)發(fā)板功能完備，同時(shí)完成了程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言的錄入。

1.2? 項(xiàng)目設(shè)定

在云平臺(tái)進(jìn)行信息處理、命令傳輸各項(xiàng)任務(wù)時(shí)，應(yīng)完成產(chǎn)品設(shè)備的創(chuàng)建與設(shè)立。用戶在平臺(tái)注冊(cè)信息時(shí)，可依據(jù)開(kāi)放平臺(tái)的流程提示，或者選擇開(kāi)發(fā)者文檔。在用戶登錄系統(tǒng)時(shí)，能夠在開(kāi)發(fā)者中心模塊中完成產(chǎn)品的處理。值得關(guān)注的問(wèn)題是：在技術(shù)參數(shù)添加時(shí)，應(yīng)進(jìn)行設(shè)備通信協(xié)議的確定，比如聯(lián)網(wǎng)形式為無(wú)線、設(shè)備接入?yún)f(xié)議為MQTT[1]。

用戶在操作產(chǎn)品名時(shí)，能夠順利進(jìn)入操作產(chǎn)品的管理程序。在設(shè)備列表中，選擇目標(biāo)，進(jìn)行設(shè)備管理。在設(shè)備添加時(shí)，依據(jù)要求添加的“鑒權(quán)信息”，作為產(chǎn)品信息的唯一標(biāo)識(shí)，同樣是設(shè)備登錄參數(shù)的信息。此外，平臺(tái)對(duì)于產(chǎn)品、設(shè)備給予的地址信息，用戶應(yīng)準(zhǔn)確記錄。“鑒權(quán)信息”“設(shè)備列表”“產(chǎn)品與設(shè)備地址”3個(gè)要素在終端平臺(tái)連接時(shí)，能夠保障數(shù)據(jù)交換平穩(wěn)性。

2 開(kāi)發(fā)調(diào)試

2.1? 連接網(wǎng)絡(luò)

網(wǎng)絡(luò)模塊為系統(tǒng)開(kāi)發(fā)提供了驅(qū)動(dòng)程序。在系統(tǒng)開(kāi)發(fā)期間，應(yīng)對(duì)無(wú)線網(wǎng)類(lèi)進(jìn)行調(diào)用，完成無(wú)線網(wǎng)對(duì)象的創(chuàng)設(shè)，同時(shí)將無(wú)線網(wǎng)對(duì)象設(shè)定為STA模式，再運(yùn)行數(shù)據(jù)接收方法，激活無(wú)線網(wǎng)被調(diào)用的對(duì)象。在此基礎(chǔ)上，在無(wú)線網(wǎng)對(duì)象的連接方式中，完成無(wú)線網(wǎng)目標(biāo)的密碼信息輸入，在單片機(jī)處于連電狀態(tài)時(shí)，進(jìn)行單片機(jī)與無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的有序連接。

2.2? 執(zhí)行程序

系統(tǒng)執(zhí)行與開(kāi)發(fā)，運(yùn)行了MicroPython腳本。此腳本作為Python3開(kāi)發(fā)語(yǔ)言的升級(jí)版，能夠以簡(jiǎn)短精練的語(yǔ)言，完成系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，在微控制器、多條件環(huán)境中具有運(yùn)行能力。MicroPython腳本中，含有多種高級(jí)功能，比如交互式信息提醒，各類(lèi)精度的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)等。語(yǔ)言表達(dá)足夠精簡(jiǎn)，在256 k代碼環(huán)境、16 k芯片中具有運(yùn)行適用性。

現(xiàn)階段，使用MicroPython腳本，將其程序在單片機(jī)系統(tǒng)中運(yùn)行，是較為關(guān)鍵的程序設(shè)計(jì)方法，主要是借助一款軟件、一款在線客戶端進(jìn)行設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。在軟件應(yīng)用時(shí)，選擇的是MicroPython腳本的運(yùn)行軟件，具有工具體積小、數(shù)據(jù)傳輸能力強(qiáng)。然而，在單片機(jī)運(yùn)行時(shí)，應(yīng)保障單片機(jī)與計(jì)算機(jī)終端連接的有序性，同時(shí)在計(jì)算機(jī)終端完成驅(qū)動(dòng)安裝。

MicroPython網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的客戶端在與開(kāi)發(fā)板處于相同網(wǎng)絡(luò)環(huán)境時(shí)，能夠在網(wǎng)頁(yè)上完成文化傳輸，再將信息傳輸至單片機(jī)。與此同時(shí)，在單片機(jī)終端完成腳本下載。然而，客戶端中的固件，其默認(rèn)程序?yàn)椤瓣P(guān)閉”。因此，在首次運(yùn)行客戶端時(shí)，應(yīng)進(jìn)行程序啟動(dòng)的設(shè)置：讓單片機(jī)與計(jì)算機(jī)終端相互連接，再啟動(dòng)軟件，選擇對(duì)應(yīng)的開(kāi)啟操作端口，能夠在操作平臺(tái)對(duì)開(kāi)發(fā)板傳送“運(yùn)行”指令。

在命令傳輸期間，在輸入框中進(jìn)行“運(yùn)行啟動(dòng)”的命令編輯，繼而結(jié)合信息提示內(nèi)容，完成功能密碼設(shè)計(jì)。在此技術(shù)上，每次軟件運(yùn)行將會(huì)保持并再次運(yùn)行此配置。此外，在輸入框中添加的“運(yùn)行啟動(dòng)”“程序開(kāi)始”等內(nèi)容，能夠有效開(kāi)啟網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，保障單片機(jī)與在線終端處于遠(yuǎn)程連接狀態(tài)。由于網(wǎng)絡(luò)啟動(dòng)的調(diào)用程序與無(wú)線網(wǎng)調(diào)用對(duì)象的啟動(dòng)方式具有相似性，均在開(kāi)發(fā)板上完成電力接通，繼而有序執(zhí)行程序命令。在一般情況下，此種指令程序無(wú)須進(jìn)行任何改動(dòng)。應(yīng)將兩種程序啟動(dòng)代碼補(bǔ)充在程序啟動(dòng)程序中[2]。

3 指令運(yùn)行

3.1? 測(cè)定環(huán)境條件

dht11是一種傳感器，傳感對(duì)象為溫度、濕度，具有精確感應(yīng)、數(shù)字輸出優(yōu)勢(shì)。其溫度感應(yīng)精準(zhǔn)度在±5%RH范圍內(nèi)，溫度感應(yīng)精度為±2攝氏度，量程濕度感應(yīng)取值為[20，90]%RH，量程溫度感應(yīng)取值為[0，50]攝氏度。dht11傳感器在開(kāi)發(fā)固件中有錄入，能夠在dht模塊完成信息導(dǎo)入。因此，借助傳感器信息調(diào)取方法，能夠有效獲取傳感器采取的各項(xiàng)信息，比如環(huán)境溫度、環(huán)境濕度等。

應(yīng)該關(guān)注的問(wèn)題是：在dht11信息調(diào)取方法中，如若使用零號(hào)引腳完成對(duì)象創(chuàng)建，將會(huì)在實(shí)際接線時(shí)，對(duì)傳感器進(jìn)行再次引腳，繼而進(jìn)行引腳連接。

3.2? 收集有效信息

以區(qū)域氣象監(jiān)測(cè)站的實(shí)例，此項(xiàng)目是以節(jié)點(diǎn)微控制器單元（NodeMCU）與云平臺(tái)（OneNET）的連接為背景下，運(yùn)行了物聯(lián)項(xiàng)目氣象監(jiān)控，對(duì)周邊氣象信息具有一定收集整合能力，信息整合項(xiàng)目包括壓力、溫度等。項(xiàng)目硬件組成包括：NodeMCU分線板×1，dht11傳感器×1，壓力傳感器×1，電阻測(cè)定儀器×1，跳線一根。此物聯(lián)項(xiàng)目同時(shí)配置了應(yīng)用程序、在線程序服務(wù)功能。在運(yùn)行此項(xiàng)目時(shí)，能夠獲取局部地區(qū)的氣象信息，包括溫度、濕度等，數(shù)據(jù)讀取為平均數(shù)。

在運(yùn)行此項(xiàng)物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目時(shí)，借助Python進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)感應(yīng)數(shù)據(jù)采集，同時(shí)運(yùn)行urllib標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)的信息請(qǐng)求模塊，或者進(jìn)行多個(gè)請(qǐng)求三方庫(kù)的調(diào)取，以此保障感應(yīng)數(shù)據(jù)采集的全面性。請(qǐng)求模塊在節(jié)點(diǎn)微控制器單元中，不具備運(yùn)行能力，在MicroPython腳本中對(duì)請(qǐng)求模塊的進(jìn)行重新定義，使請(qǐng)求模塊在節(jié)點(diǎn)微控制器單元中擁有了運(yùn)行能力。因此，在氣象監(jiān)測(cè)物聯(lián)項(xiàng)目中，可以使用請(qǐng)求模塊進(jìn)行感應(yīng)信息的收集。

現(xiàn)階段針對(duì)氣象條件溫度、濕度進(jìn)行采集時(shí)，大致分為兩種方法：

運(yùn)行g(shù)et方法，在方法內(nèi)輸入網(wǎng)絡(luò)地址，以 UTF-8編碼規(guī)則，對(duì)所收集的信息的解碼，獲取文本的全部采集信息。

使用正則表達(dá)式，有效截取采集信息的可用信息，剔除無(wú)關(guān)信息。針對(duì)正則表達(dá)式的應(yīng)用，MicroPython給出了運(yùn)行的替代模塊，保障正則表達(dá)式的運(yùn)行能力。比如，在使用search方法調(diào)取氣象信息時(shí)，同時(shí)對(duì)于動(dòng)態(tài)變化的氣象參數(shù)使用通配符予以替代。在通配符中，“·”符號(hào)，能夠代表任意單個(gè)字符，“·#”符號(hào)，具有字符匹配回溯性，能夠進(jìn)行字符多次匹配，對(duì)于符合條件的匹配僅有1次。在search方法運(yùn)行完成時(shí)，運(yùn)行g(shù)roup方法，依次返回通配符信息，獲取匹配到的各項(xiàng)信息[3]。

3.3? 處理收集數(shù)據(jù)

在主腳本的主函數(shù)中，進(jìn)行數(shù)據(jù)的集中接收傳送處理。在此程序運(yùn)行期間，MQTT軟件運(yùn)行大類(lèi)，在umqtt.robust庫(kù)中完成調(diào)取，同時(shí)創(chuàng)建MQTT對(duì)象，作為客戶端運(yùn)行對(duì)象。在此基礎(chǔ)上，運(yùn)行客戶端對(duì)象的連接方法函數(shù)，完成節(jié)點(diǎn)微控制器單元（NodeMCU）與云平臺(tái)（OneNET）的連接。在案例物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目中，首選運(yùn)行set _ callback方法，借助此方向完成回調(diào)函數(shù)的設(shè)計(jì)，再對(duì)系統(tǒng)特定主體進(jìn)行申請(qǐng)。在此基礎(chǔ)上，示例腳本中含有兩種指令接受的方式，其一為wait _ msg方法，其二為check _ msg方法。第一種指令接受方法程序，能夠暫停程序的運(yùn)行，對(duì)新指令進(jìn)行傳達(dá)。第二種指令接受方法程序，先確定指令內(nèi)容，如若無(wú)指令，則運(yùn)行后續(xù)程序。在節(jié)點(diǎn)微控制器單元接收云平臺(tái)指令后，程序?qū)?huì)運(yùn)行回調(diào)函數(shù)，以decode方法，對(duì)接收指令信息進(jìn)行解碼，獲取指令信息，達(dá)成終端與云平臺(tái)的連接目標(biāo)。

4?結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在節(jié)點(diǎn)微控制器單元（NodeMCU）與云平臺(tái)（OneNET）的連接背景下，形成了全新的物聯(lián)網(wǎng)信息交流體系，便于用戶在物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，有序觀看網(wǎng)絡(luò)氣象信息的動(dòng)態(tài)情況。實(shí)踐證明：此種物聯(lián)網(wǎng)組建方式，具有可行性，能夠高效完成數(shù)據(jù)處理。

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（編輯 何 琳）