LOT|物联网温度传感器

作者: Linsw | 来源:发表于2016-12-01 18:16 被阅读684次

文章结构

<a id="1"></a>前言

前段时间从网上买了一个体重计，它自带了无线上网的功能，能够同步体重测量数据到网上。想到物联网已经有这么多产品了，于是就打算自己做一个物联网温度传感器。要做一个物联网的设备，不管是体重计还是温度传感器等等，首先要清楚物体是怎么联网的。

其中一种方式是通过 Wi-Fi 模块进行连接。配备有 Wi-Fi 模块的设备，能够搜索附近的无线热点，通过 Wi-Fi 用户名和密码连接 Wi-Fi。但是如何让设备知道所要连接的 Wi-Fi 和密码呢？

具体的方法可以参考这里：智能家居第一步： WiFi 设备怎么连上网。

由于我们要完成的是一个物联网温度传感器，我们选择一种相对简单、直接的方法：我们在程序里面直接设定好所要连接的 Wi-Fi 和密码，这样就能让传感器联网了。下面将会介绍具体的做法。

<a id="2"></a>物联网温度传感器

物联网温度传感器分为两大部分。一是传感器，用于采集和发送温度数据；二是远程服务器，用于收集温度数据和根据请求返回温度数据。

<a id="21"></a>传感器

对于传感器部分，需要一下材料：

ESP8266开发板（附带 Wi-Fi 模块和电源模块）;
DS18B20（温度传感器）;
连接线（USB线、导线）、电脑;

<a id="211"></a>ESP8266

ESP8266是一个小型的 Wi-Fi 模块，能够建立 Wi-Fi 热点和连接 Wi-Fi 热点，并且能够配置 Web Client 或 Web Server 。它在我们这个温度传感器中的作用就是，作为一个 Web Client ，在通过 Wi-Fi 联网后，实时向远程服务器发送本地的（温度）数据。

ESP8266有很多个型号，从 ESP-01 到 ESP-12F 。ESP-01 是最初的版本，它上面可用的 GPIO 引脚较少，而 ESP-12F 具有全部 GPIO 引脚。由于 ESP8266 的额定电压是 3.3V，而 USB 的电压是 5V ，因此如果要单独使用 ESP8266 的话，就需要外接电源转化模块。

我们选用的是 ESP-12E NodeMCU 开发板：

开发板上集成了电源模块，因此我们可以直接用 USB 给开发板供电，来使用 ESP8266，而不需要额外的电源模块。

开发板上附带有 CP2102（高度集成的 USB-UART 桥接器）因此我们只需要用一根 USB 线连接开发板与电脑，就能实现供电和下载程序。CP2102 在 Mac 和 PC 有相应的驱动程序，安装好驱动程序后，连接电脑，电脑就能识别出它的串口号。在接下去的烧写固件和下载程序都需要用到这个串口。

将开发板连上电脑后，接下去我们将烧写固件，并下载程序到 ESP8266 里。

<a id="2111"></a>烧写固件，调试开发板

一、烧写固件

烧写固件（firmware）需要用到 ESP8266Flasher。

首先，从 nodemcu-firmware 选择合适的固件，如：nodemcu_float_0.9.6-dev_20150704.bin 。

然后打开 ESP8266，在 "Config" 页面选择需要烧写的固件：

在 "Advanced" 页面设置好波特率，如：115200，一般这一页不需要修改。设置完成后，在 "Operation" 页面选择串口，点击 "Flash" 进行烧写。

二、调试开发板

烧写完成后，我们需要验证固件是否烧写成功。关闭烧写程序，重新连接开发板与计算机，打开调试软件，推荐使用 Tera Term。

初次打开 TeraTerm 需进行简单配置，在 "Serial" 选择相应的串口，点击 "OK" 进入主界面，此时输入：

print("hello world")

得到相应如下：

至此，烧写的固件已经运行在开发板中，下一步可以进行程序的编写和下载。

<a id="2112"></a>用 Arduino 编程

在 Mac 和 PC 上都可以用 Arduino 为 ESP8166 编程。

一、配置 Arduino ESP8266 开发平台

ESP8266 里的程序是支持 Lua 语言的。但是直接写 Lua 程序，然后通过其他的软件把程序下载到开发板上，这个过程并不容易。因为相应的开发软件并不好用，比如 ESPlorer，luatool，Lualoader。因此，我们选用 Arduino 来进行编程。一是因为 Arduino 用的比较多，比较专业，二是因为 Arduino 软件做的比较精致，上手相对容易一些。

Arduino 是开源软件，下载安装完成后，在"Presences"->"Additional Board Manager URLs" 里填入 http://arduino.esp8266.com/stable/package_esp8266com_index.json

然后从 "Tools"->"Board"->"Boards Manager" 打开 Boards Manager。搜索并安装 ESP8266 开发平台。安装完成后，记得在 "Tools"->"Board" 菜单里选择和你开发板型号一致的开发平台。

对于 Arduino ESP8266 开发平台的配置还有疑问的话，可以参考 esp8266/Arduino。

二、下载测试程序

连接开发板与电脑，在 Arduino 里选择相应的串口。将以下程序下载到开发板中，记得修改程序中 Wi-Fi 的名称和密码：

// Import required libraries
#include "ESP8266WiFi.h"
// WiFi parameters
const char* ssid = "YourWifiName";
const char* password = "WifiPassword";
void setup(void)
{
// Start Serial
Serial.begin(9600);
Serial.print("Connecting");
// Connect to WiFi
WiFi.begin(ssid, password);
while (WiFi.status() != WL_CONNECTED) {
delay(500);
Serial.print(".");
}
Serial.println("");
Serial.println("WiFi connected");
// Print the IP address
Serial.println(WiFi.localIP());
}
void loop() {
}

下载完成后，程序会自动运行。打开 "Tools"->"Serial Monitor" 查看串口的状态。在串口监视器上，会显示 Wi-Fi 的连接情况，一旦连接成功，就会打印出 IP 地址，如下图：

到这一步，我们已经完成了开发板的调试和程序下载。接下去我们将把 DS18B20 与 ESP8266 结合，实时发送温度数据到远程服务器。

<a id="212"></a>DS18B20

DS18B20是常用的温度传感器，具有体积小，硬件开销低，抗干扰能力强，精度高的特点。

DS18B20 有三个管脚：GND、DQ、VDD。GND 接地，VDD 接 +3.3V，温度数据只靠 DQ 引脚传输。

我们选用的是带有上拉电阻的 DS18B20 模块，这样就不必自己外接上拉电阻。

连线方式：

NodeMCU 开发板 3v3 -> DS18B20 VDD
NodeMCU 开发板 D1 -> DS18B20 DQ
NodeMCU 开发板 GND -> DS18B20 GND

为了读取传感器上的温度数据，还需要在 Arduino 上安装 DallasTemperature 库。在 "Sketch" -> "Include Library" -> "Manage Libraries.." 中搜索 DallasTemperature 并安装。

<a id="22"></a>远程服务器

<a id="221"></a>方案一：ThingSpeak

物联网服务器可以选用现成的、也可以自己设计搭建。
提供物联网服务的有 ThingSpeak，它提供了多种强大的物联网 API ，能够满足各种需求。这里我们简单介绍一下使用 Thingspeak 的物联网方案。

首先需要在 ThingSpeak 上注册帐号，获取帐号的 API key。然后使用下面的程序（需要修改 API key 以及 Wi-Fi 名称和密码）：

#include <OneWire.h>
#include <ESP8266WiFi.h>
#include <ESP8266WebServer.h>
#include <DallasTemperature.h>

#define ONE_WIRE_BUS D1

const char* host = "api.thingspeak.com"; // Your domain
String ApiKey = "EWWXFA64H1U55QFZ";
String path = "/update?key=" + ApiKey + "&field1=";

OneWire oneWire(ONE_WIRE_BUS);
DallasTemperature DS18B20(&oneWire);

const char* ssid = "YourWifiName";
const char* pass = "WifiPassword";

char temperatureString[6];

void setup(void){
  Serial.begin(9600);
  Serial.println("");

  WiFi.begin(ssid, pass);
  // Wait for connection
  while (WiFi.status() != WL_CONNECTED) {
    delay(100);
    Serial.print(".");
  }

  Serial.println("");
  Serial.print("Connected to ");
  Serial.println(ssid);
  Serial.print("IP address: ");
  Serial.println(WiFi.localIP());

  DS18B20.begin();

}

float getTemperature() {
  float temp;
  do {
    DS18B20.requestTemperatures();
    temp = DS18B20.getTempCByIndex(0);
    delay(100);
  } while (temp == 85.0 || temp == (-127.0));
  return temp;
}

void loop() {

  float temperature = getTemperature();

  dtostrf(temperature, 2, 2, temperatureString);
  // send temperature to the serial console
  Serial.println(temperatureString);

  WiFiClient client;
  const int httpPort = 80;
  if (!client.connect(host, httpPort)) {
    Serial.println("connection failed");
    return;
  }

  client.print(String("GET ") + path + temperatureString + " HTTP/1.1\r\n" +
               "Host: " + host + "\r\n" +
               "Connection: keep-alive\r\n\r\n");
  delay(500);

}

程序下载到开发板后，运行时，就会自动读取传感器的温度并上传到 ThingSpeak 上。通过 ThingSpeak 上数据读取的 API，就能在任何一台联网的设备上获得传感器的实时温度数据。

<a id="222"></a>方案二：自己搭建服务端

ThingSpeak 是现成的物联网服务，不使用它的话，我们如何自己搭建自己的物联网服务端呢？

物联网温度传感器的服务端主要由一下几个部分构成：

服务器主机
服务器程序
后台数据库

一、服务器主机

对与主机的选择，我们选用的是云主机，在淘宝上就可以购买到，选择动态 IP 的云主机即可。

二、服务器程序

服务器程序可以使用 PHP 编写，这里是我编写的温度传感器服务器程序。程序中的 host 默认是 localhost，可供本地调试使用，当配合云主机使用时，需要改成云主机的地址。

如果是在 Mac 上调试服务器程序，推荐使用 MAMP。更多关于服务器程序的编写，可以参考另一篇文章PHP：构建 JSON 数据接口的 Web 服务器。

三、后台数据库

只有主机和程序还不够，还需要配置好后台服务器。淘宝上购买的云主机一般都配有 MySQL 数据库。在数据库中添加名为 temperature 的表。然后在表中添加以下字段：

结合服务器程序，就能根据接收的请求，进行数据的存储与读取。

搭建完自己的服务端后，需要对上面的 Arduino 程序稍作修改，如下（需要修改 host 为自己的服务器地址或域名）：

#include <OneWire.h>
#include <ESP8266WiFi.h>
#include <ESP8266WebServer.h>
#include <DallasTemperature.h>

#define ONE_WIRE_BUS D1

const char* host = "YourDomain.com"; // Your domain
String key = "lsw";
String path = "/temperature.php?key=" + key + "&query=set&value=";

OneWire oneWire(ONE_WIRE_BUS);
DallasTemperature DS18B20(&oneWire);

const char* ssid = "test";
const char* pass = "149149149";

char temperatureString[6];

void setup(void){
  Serial.begin(9600);
  Serial.println("");
 
 boolean result = WiFi.softAP("ESPsoftAP_01", "lsw-soft-AP",1,true);
 WiFi.softAPdisconnect(true); 
  if(result == true){
    Serial.println("Ready");
  }else{
    Serial.println("Failed!");
  }
    
  WiFi.begin(ssid, pass);
  // Wait for connection
  while (WiFi.status() != WL_CONNECTED) {
    delay(100);
    Serial.print(".");
  }

  Serial.println("");
  Serial.print("Connected to ");
  Serial.println(ssid);
  Serial.print("IP address: ");
  Serial.println(WiFi.localIP());

  DS18B20.begin();

}

float getTemperature() {
  float temp;
  do {
    DS18B20.requestTemperatures();
    temp = DS18B20.getTempCByIndex(0);
    delay(100);
  } while (temp == 85.0 || temp == (-127.0));
  return temp;
}

void loop() {

  float temperature = getTemperature();

  dtostrf(temperature, 2, 2, temperatureString);
  // send temperature to the serial console
  Serial.println(temperatureString);

  WiFiClient client;
  const int httpPort = 80;
  if (!client.connect(host, httpPort)) {
    Serial.println("connection failed");
    return;
  }

  client.print(String("GET ") + path + temperatureString + " HTTP/1.1\r\n" +
               "Host: " + host + "\r\n" +
               "Connection: keep-alive\r\n\r\n");
  delay(500);

}

将程序下载到开发板中运行，就能实时发送温度数据到服务器上了。
实际运行效果如下（其中所连接的 Wi-Fi 名称是 “test”）：

在 Arduino 串口监视器里的显示状态

有任何疑问的话，欢迎在下方评论区讨论。

附上我的Github：LinShiwei (Lin Shiwei) · GitHub

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<a id="2112"></a>用 Arduino 编程

<a id="212"></a>DS18B20

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<a id="221"></a>方案一：ThingSpeak

<a id="222"></a>方案二：自己搭建服务端

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