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 并连接到 IBM IoT Foundation Quickstart
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 AndyStanford-Clark 在这里开发），自那时起就提交给了 Organization for the Advancement of Structured InformationStandards (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：
1.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。
2.发送较短、紧凑的消息，这使得它很适合用于低带宽情形。
3.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。
下载并安装 Arduino MQTT 库
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 ArduinoIDE 目录的 libraries 子目录。然后重新启动 ArduinoIDE。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
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
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 RaspberryPi，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。
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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