使用 Arduino Uno 和 IBM IoT Foundation 构建云就绪的温度传感器，第 2 部分: 编写 sketch...

在这个由 4 部分组成的教程系列的第 1 部分 中，我讨论了一个监视我的配线箱中的温度的项目的设计，该项目是使用 Arduino Uno 和 Virtuabotix DHT11 温度传感器来构建的。我展示了该项目的电路构造，演示了 Arduino IDE 的安装和如何使用不同的 Arduino 示例 sketch 测试项目的各个组件。您现在已准备好了解将 IoT 项目部署到云中的 sketch 设计，以及实现远程实时监视温度和湿度数据的步骤。但是，首先我需要讨论一下用来与 IBM IoT Foundation 进行通信的协议：MQTT。

什么是 MQTT？

MQTT（以前称为 Message Queueing Telemetry Transport）是一个轻量型、快速的通信协议，专为物联网而设计。它起源于 IBM（最初由 Andy Stanford-Clark 在这里开发），自那时起就提交给了 Organization for the Advancement of Structured Information Standards (OASIS) 来进行标准化，该协议标准的最新版本为 3.1 版。MQTT V3.1 协议规范 规定，它的用途是用作一个 “轻量型、基于代理的发布/订阅消息协议，它的设计开放、简单、轻量且容易实现。”自它引入后，“容易实现” 部分已经过实践检验，因为已经开发了多个实现 MQTT 客户端的不同库。您可以在 Eclipse Paho 项目页面 上找到几乎所有这些库的链接。

MQTT 非常适合用在嵌入式设备中，因为它：

• 是异步的，具有多种不同的服务质量水平，这在 Internet 连接不可靠时很重要。
• 发送较短、紧凑的消息，这使得它很适合用于低带宽情形。
• 不需要太多软件来实现客户端，这使它非常适合像 Arduino 这样具有有限的内存的设备。

MQTT 是 IBM IoT Foundation QuickStart 设计获取输入时所依据的协议。

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下载并安装 Arduino MQTT 库

“ 在本教程中，您将使用 IBM Internet of Things Foundation Quickstart 的内置特性描绘来自 Arduino 传感器的实时数据的图表。 ”

为 Arduino 安装针对 MQTT 的客户端库很简单，就像查找和安装您已在第 1 部分 中看到的针对特定硬件设备的库一样。用于您的项目的特定的库可以在 Arduino Client for MQTT 网站上找到，该网站介绍了该库，链接到相关文档，并提供了一个额外的 GitHub 链接，从该链接也可以下载它。

在我的示例中，我使用了来自 GitHub 链接的 V1.9.1 客户端。下载 ZIP 或 TAR 文件，然后将该归档文件中的 PubSubClient 目录解压到您的 Arduino IDE 目录的 libraries 子目录。然后重新启动 Arduino IDE。 PubSubClient>mqtt_auth 、 PubSubClient>mqtt_basic 和 PubSubClient>mqtt_publish_in_callback 菜单项现在应该可供使用，如图 1 所示。

图 1. PubSubClient 菜单

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在本地测试 MQTT

目前位置在本教程系列中采用的流程是，向解决方案中引入一个新组件或技术，然后独立地测试它，以确保它能正常运行。在下载并安装 MQTT 客户端软件后，我们将对它执行同样的操作。但是，仍然需要一个额外的软件来测试您的客户端。

MQTT 是一个基于代理的协议：客户端连接到一个协调它们之间的通信的代理。事实上，这个流程非常简单。一组客户端向该代理注册它们感兴趣的一个主题。另一个客户端向该主题发布一条消息，该代理将该消息转发到订阅客户端。

您将用于本地测试的代理是另一个叫做 Mosquitto 的开源产品。可将它安装在您用于编写 Arduino 程序的本地 PC，然后测试 Arduino 能否与代理进行通信。

Mosquitto

您可以从 Mosquitto 网站 下载 Mosquitto。它可用于 Windows®、Mac 和大多数 Linux® 变体。安装它很简单：对于 Linux，只需要安装一个新包；对于 Windows，可采用 Windows 服务或一个单独的可执行文件的形式来安装该系统。如果使用 Windows，一定要清除安装为服务的复选框。从命令行运行它更容易，因为可更轻松地查看它记录的调试信息。

安装 Mosquitto 后，运行以下命令来从（任何平台上的）命令行启动它：

mosquitto -v

-v 标志表示 “详细” 日志，它表示可以查看所建立的连接的信息以及接收或发送的消息。开始将消息发送到本地代理后，在一分钟内就可以看到结果。

下载示例 sketch

下一步是下载将所有部分衔接在一起的示例 sketch（参见下载）。您将通过 MQTT 将一条消息发布到一个 MQTT 代理（首先发送到本地代理，然后将它发送到 IoT Foundation QuickStart 中包含的代理）。要让 IoT Foundation QuickStart 最终解析和显示传感器数据，必须将它发布到一个名为 iot-2/evt/status/fmt/json 的主题。类似地，还必须以某种特定的方式格式化该数据。如果在 IoT Foundation QuickStart 文档中查找 “ 将我的设备连接到 QuickStart ” 秘诀，就会看到数据必须具有以下 JavaScript 对象表示法 (JSON) 格式：

{     "d": {          "name1": "stringvalue",          "name2": intvalue,          ...     } }

示例 sketch 是一个简单的程序。从我在第 1 部分 中指出了其他 Arduino 示例，可以看到所有 Arduino 程序都具有相同的结构。它们包含一个标准的函数集（名为 setup() 和 loop() ），以及一些可选的变量声明和您在 setup() 或 loop() 函数中使用的任何实用程序函数的声明。首先，需要在代码的开头对其中一些变量声明执行一些更改，以便可以在本地测试该程序。

对示例 sketch 的更改

与所有其他 Arduino sketch 一样，最顶部的程序包含对您在 sketch 中使用的库的引用：

#include <SPI.h> #include <Ethernet.h> #include <PubSubClient.h> #include <dht11.h>

您可以看到，该 sketch 使用了以太网库来驱动以太网扩展卡，使用 DHT11 库来实现对来自 DHT11 的读数的访问，就像在第 1 部分 中看到的示例那样。但是，第一次还要使用 PubSubClient 库。要利用这些特性，需要对代码执行两处更改，以便针对本地服务器测试它：

// Update this to either the MAC address found on the sticker on your Ethernet shield (newer shields) // or a different random hexadecimal value (change at least the last four bytes) byte mac[]    = {0xDE, 0xED, 0xBA, 0xFE, 0xFE, 0xED }; char macstr[] = "deedbafefeed"; // Note this next value is only used if you intend to test against a local MQTT server byte localserver[] = {192, 168, 1, 98 }; // Update this value to an appropriate open IP on your local network byte ip[]     = {192, 168, 1, 20 };

从第一条注释中可以看出，需要执行的第一处更改是更新 mac 和 macstr 变量，使之与以太网扩展卡的 MAC 地址相匹配。较新的以太网扩展卡已将此信息打印在该卡的标签上。如果使用较旧的卡，可以将最后 4 位十六进制字符更改为其他任何有效的十六进制值。接下来，将 ip 变量更改为本地网络上一个开放的 IP 地址。以太网库能够使用 DHCP，如果感兴趣的话，您可以了解一下如何做，但尽可能地使用固定 IP 地址会更简单。接下来，将 localserver 变量更新为您在其上使用 Mosquitto 服务器的计算机的 IP 地址。最后，更新 sketch 以连接到您的本地 MQTT 服务器，而不是 IBM IoT Foundation QuickStart 服务器。

在代码中找到下面这一节：

// Uncomment this next line and comment out the line after it to test against a local MQTT server //PubSubClient client(localserver, 1883, 0, ethClient); PubSubClient client(servername, 1883, callback, ethClient);

取消注释包含以 client(localserver 开头的构造函数的一行，并注释掉它之下的以 client(servername 开头的一行。然后保存 sketch。

执行必要的更改后，可以快速查看这个简单程序的剩余部分。在两个代码段之间，我们已看到一组变量声明：

char servername[]="messaging.quickstart.internetofthings.ibmcloud.com"; String clientName = String("d:quickstart:arduino:") + macstr; String topicName = String("iot-2/evt/status/fmt/json"); dht11 DHT11; float tempF = 0.0; float tempC = 0.0; float humidity = 0.0; EthernetClient ethClient;

可以看到，拥有针对华氏和摄氏度的温度的变量，以及针对湿度的变量。还有一个变量将包含将由 PubSub 客户端使用的以太网客户端的实例。

接下来是 setup() 函数的定义：

void setup()  {   // Start the Ethernet client, open up serial port for debugging, and attach the DHT11 sensor   Ethernet.begin(mac, ip);   Serial.begin(9600);   DHT11.attach(3); }

此函数非常简单；它使用提供的 MAC 地址和以太网客户端运行时使用的静态 IP 地址来启动该客户端。它然后启动串行端口（用于出于调试用途而与串行监视器通信），最后在引脚 3 上打开与 DHT11 的通信。

下一个要检查的函数是 loop() ，只要 Arduino 在运行，就会持续调用该函数：

void loop() {   char clientStr[34];   clientName.toCharArray(clientStr,34);   char topicStr[26];   topicName.toCharArray(topicStr,26);   getData();   if (!client.connected()) {     Serial.print("Trying to connect to: ");     Serial.println(clientStr);     client.connect(clientStr);   }   if (client.connected() ) {     String json = buildJson();     char jsonStr[200];     json.toCharArray(jsonStr,200);     boolean pubresult = client.publish(topicStr,jsonStr);     Serial.print("attempt to send ");     Serial.println(jsonStr);     Serial.print("to ");     Serial.println(topicStr);     if (pubresult)       Serial.println("successfully sent");     else       Serial.println("unsuccessfully sent");   }   delay(5000); }

可以看到，此函数的大部分内容专门用于生成调试输出。但是，还有一些重要元素需要注意。靠近该函数顶部是对 getData() 函数（接下来将解释）的调用，用于获取来自 DHT11 的传感器数据。然后， loop() 函数会检查 PubSubClient 客户端是否已连接。如果未连接，那么 loop() 函数会尝试连接到 MQTT 代理。如果已经连接，那么 loop() 函数会使用 buildJson() 格式化一个 JSON 字符串，然后使用 PubSubClient 的 publish() 方法将该字符串发布到 MQTT 代理。最后， loop() 在函数底部等待 5,000 毫秒，之后 Arduino 运行时周期返回并再次调用该函数。

接下来看看 getData() 函数：

void getData() {   int chk = DHT11.read();   switch (chk)   {   case 0:     Serial.println("Read OK");     humidity = (float)DHT11.humidity;     tempF = DHT11.fahrenheit();     tempC = DHT11.temperature;     break;   case -1:     Serial.println("Checksum error");     break;   case -2:     Serial.println("Time out error");     break;   default:     Serial.println("Unknown error");     break;   } }

此函数检查来自 DHT11 库的数据的状态，然后读取已准备好的传感器数据值；否则，它在控制台上打印一条提供信息的消息。

最后看看格式化 JSON 输出的函数：

String buildJson() {   String data = "{";   data+="/n";   data+= "/"d/": {";   data+="/n";   data+="/"myName/": /"Arduino DHT11/",";   data+="/n";   data+="/"temperature (F)/": ";   data+=(int)tempF;   data+= ",";   data+="/n";   data+="/"temperature (C)/": ";   data+=(int)tempC;   data+= ",";   data+="/n";   data+="/"humidity/": ";   data+=(int)humidity;   data+="/n";   data+="}";   data+="/n";   data+="}";   return data; }

在 Arduino 中实现的 Processing 的一个缺陷是，它缺乏用来处理字符串的良好工具。您可能已注意到，需要在 String 类实例与字符类型之间制定一些古怪的约定，以便调用需要一种或另一种实例的函数。类似地，由于缺乏很好的字符串格式化库，格式化一个像这样的简单 JSON 字符串都可能很难 — 即使存在这样的函数来格式化控制台输出。

对一个本地 Mosquitto 代理执行测试

现在，您基本上完成第一部分了。接下来按照第 1 部分 中讨论的上传过程，将修改的 sketch 上传到 Arduino。在 Arduino IDE 的状态栏中看到状态 “Done uploading.” 后，立即按下 Ctrl-Shift-M 打开串行监视器。

验证您的输出

现在，假设一切正常，您应该在启动 Mosquitto 的终端窗口中看到以下类型的输出：

1405807697: mosquitto version 1.2.3 (build date 22/12/2013 13:36:32.54) starting 1405807697: Using default config. 1405807697: Opening ipv6 listen socket on port 1883. 1405807697: Opening ipv4 listen socket on port 1883. 1405807718: New connection from 192.168.1.20 on port 1883. 1405807718: New client connected from 192.168.1.20 as d:quickstart:arduino:deedb afefeed (c2, k15). 1405807718: Sending CONNACK to d:quickstart:arduino:deedbafefeed (0) 1405807718: Received PUBLISH from d:quickstart:arduino:deedbafefeed (d0, q0, r0,  m0, 'iot-2/evt/status/fmt/json', ... (100 bytes)) 1405807723: Socket error on client d:quickstart:arduino:deedbafefeed, disconnect ing. 1405807723: New connection from 192.168.1.20 on port 1883. 1405807723: New client connected from 192.168.1.20 as d:quickstart:arduino:deedb afefeed (c2, k15). 1405807723: Sending CONNACK to d:quickstart:arduino:deedbafefeed (0) 1405807723: Received PUBLISH from d:quickstart:arduino:deedbafefeed (d0, q0, r0,  m0, 'iot-2/evt/status/fmt/json', ... (100 bytes)) 1405807729: Received PUBLISH from d:quickstart:arduino:deedbafefeed (d0, q0, r0,  m0, 'iot-2/evt/status/fmt/json', ... (100 bytes)) 1405807734: Received PUBLISH from d:quickstart:arduino:deedbafefeed (d0, q0, r0,  m0, 'iot-2/evt/status/fmt/json', ... (100 bytes))

了解您正确完成了操作的关键是，您将在最后几行中看到 Received PUBLISH from... 。这意味着 Arduino sketch 已成功连接到 Mosquitto 代理。现在查看您的串行监视器；它应该包含类似以下信息的消息：

Read OK Trying to connect to d:quickstart:arduino:deedbafefeed attempt to send { "d": { "myName": "Arduino DHT11", "temperature (F)": 71, "temperature (C)": 22, "humidity": 43 } } to iot-2/evt/status/fmt/json successfully sent

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将 Arduino 连接到 IoT Foundation Quickstart

所有功能都能在本地运行后，可以尝试对 IoT Foundation QuickStart 运行这些功能了。在浏览器中访问 IBM Internet of Things Foundation 网站，如图 2 所示。

图 2. IBM IoT Foundation 主页

单击显示 Try it out with our Quickstart 的按钮。您将看到图 3 中所示的页面。

图 3. IBM IoT Foundation Quickstart 欢迎页面

在本教程中，您将使用 IBM IoT Foundation Quickstart 的内置特性描绘来自 Arduino 传感器的实时数据的图表。在第 3 部分 和第 4 部分 中，将编写一个应用程序来对您收到的数据执行一些更有趣的操作。

IoT Foundation 有一些针对其他设备的令人兴奋的方案。如果您有一个更加复杂的设备，比如 Intel Galileo 或 Raspberry Pi，您可能希望尝试这些方案。对于目前，只需键入您的 Arduino 的 MAC 地址。但在单击 Go 之前，还需要在 sketch 中执行一项更改。

更改 sketch

您是否还记得之前您将 sketch 更改为指向本地 MQTT 服务器，而不是 IoT Foundation 上的 MQTT 服务器？现在是时候更改回来了。注释和取消注释您在原始代码中更改的行：

// Uncomment this next line and comment out the line after it to test against a local MQTT server //PubSubClient client(localserver, 1883, 0, ethClient); PubSubClient client(servername, 1883, callback, ethClient);

执行此更改后，保存 sketch 并将它上传到 Arduino。如果想要重新启动串行监视器，可以这么做，但在您查看 IoT Foundation 时才会看到结果如何。返回到浏览器中，单击 Mac 地址页面上的 Go 按钮，然后等待几分钟。

描绘数据的图表

如果各项功能运行正常，您会看到一个页面显示了您的温度读数的图表，如图 4 中所示。

图 4. 数据曲线图

大功告成！您现在已经构建了一个可作为全球 IoT 的一部分的设备。对于我的这个具体的简单情形，这是我需要的全部功能：一个曲线图，我可以观察其中的几小时数据，以检查配线箱内部的温度。坏消息是，甚至在热天的中午，预计的温度也绝不会高于 73 华氏度，所以我又不得不返回到制图板上来查找我的问题。而您学习如何利用 IoT 的旅程才刚刚开始。

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结束语

在本系列的接下来两部教程中，您将编写自己的应用程序（在 IBM® Bluemix 上运行™），它可保留从 Arduino 发送的数据，支持显示和对比当前数据与历史数据。

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