【得捷Follow me第3期】基于wifi的边缘数据记录仪

林太太 · 发表于2023-12-11 12:08

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本帖最后由林太太于 2023-12-11 12:08 编辑

必做任务1：使用MicroPython系统

首先先去micropython官方网站下载固件，下载C3的通用generic固件即可，记得下载的固件文件格式为bin，方便后续使用esptool进行安装。

接下来去乐鑫的官方github下载esptool，这是一个cmd工具，用来给C3刷写bin固件。

完成后把之前下载的bin文件移动到esptool根目录下，并重命名为firmware.bin。

插入XIAO C3，并在设备管理器里查看到相应的端口号，假设端口号为COM3

最后只需要在esptool根目录下打开cmd，并输入命令 esptool.exe --chip esp32c3 --port COM3 --baud 921600 --before default_reset --after hard_reset --no-stub write_flash --flash_mode dio --flash_freq 80m 0x0 firmware.bin 即可完成刷写，看到如下界面就算刷写成功

完成烧写后我们可以写一个简单的命令看看micropython有没有正常运行。我使用的是Thonny，在命令窗口写下一个python命令，可以收到反馈，说明micropython已正常工作。

必做任务2：驱动扩展板上的OLED屏幕

这里需要一个第三方库来驱动OLED，将ssd1306.py文件上传到开发板根目录，或lib目录都可。这里我们把后续任务需要的另一个库umqttsimple.py也一并放入。接下来进入我们的主程序文件main.py，导入整个项目所需的所有库文件：

import machine
import network
import ntptime
import time
from umqttsimple import MQTTClient
import json
from ssd1306 import SSD1306_I2C
import dht

接着写入以下初始化，就可以使用屏幕。我们简单在屏幕四周画两个框，并在中间显示文字，以验证功能。

i2c = machine.SoftI2C(sda=machine.Pin(9), scl=machine.Pin(10))
print(i2c.scan())
oled = SSD1306_I2C(128, 64, i2c)

oled.fill(1)
oled.rect(1, 1, 126, 62, 0)
oled.rect(3, 3, 122, 58, 0)
oled.text('Hello World!', 17, 29, 0)
oled.show()

必做任务3：控制蜂鸣器播放音乐

要实现蜂鸣器播放音乐，记得一定要使用无源蜂鸣器。有源蜂鸣器内置了震荡源，只能发出固定频率的声响。而无源蜂鸣器的震荡频率来源于单片机，因此可以发出不同频率的声音。这里我们使用micropython内置的PWM方法实现。首先先定义各个音高所代表的对应频率，接着我们封装一个函数，函数的功能是可以按字符串顺序一个一个的发出对应的频率。接下来我们将谱子以简谱方式写下，最后用我们自己封装的函数播放即可。

由于我使用的是面包板，而且又不想额外飞线，因此这里做了一个比较特殊的处理，我把GPIO引脚当作供电和地来使用：

vcc0 = machine.Pin(3, mode=machine.Pin.OUT, value=1, drive=machine.Pin.DRIVE_3)
gnd0 = machine.Pin(2, mode=machine.Pin.OUT, value=0, drive=machine.Pin.DRIVE_3)

将引脚设为数字输出模式，并将驱动力调至最大，一个引脚输出1，另一个输出0，就可以在供电要求不高的场合作为vcc和gnd来使用。目前测试下来一切正常。

def play(pin, melody):
    tones = {'1': 262, '2': 294, '3': 330, '4': 349, '5': 392, '6': 440, '7': 494, '-': 0}
    beeper = machine.PWM(machine.Pin(pin, machine.Pin.OUT))
    for tone in melody:
        freq = tones[tone]
        if freq:
            beeper.init(duty=1000, freq=freq)  # 调整PWM的频率，使其发出指定的音调
        else:
            beeper.duty(0)  # 空拍时不上电
        # 停顿一下 （四四拍每秒两个音，每个音节中间稍微停顿一下）
        time.sleep_ms(400)
        beeper.duty(0)  # 设备占空比为0，即不上电
        time.sleep_ms(100)
    beeper.deinit()  # 释放PWM
    
melody = "1155665-4433221-5544332-5544332-1155665-4433221"
vcc0 = machine.Pin(3, mode=machine.Pin.OUT, value=1, drive=machine.Pin.DRIVE_3)
gnd0 = machine.Pin(2, mode=machine.Pin.OUT, value=0, drive=machine.Pin.DRIVE_3)
play(4, melody)

必做任务4：连接WiFi网络

由于micropython自身的一些问题，wifi可能会卡在显示未连接，实际也未连接，但无法再次连接的情况。因此在wifi连接的函数中加入了一些异常处理的代码。连接上wifi后，会显示出ip，mac等相关信息，方便我们观察到已连接。随后，为了验证wifi功能，我使用了micropython内置的ntp库在互联网上同步了一下时间，并将时间显示在屏幕上。

def wifi():
    sta_if = network.WLAN(network.STA_IF)
    if not sta_if.isconnected():
        print('connecting to network...')
        try:
            sta_if.active(True)
            sta_if.disconnect()
            sta_if.connect(ssid, password)
        except Exception as error:
            print(error)
            sta_if.disconnect()
            sta_if.active(False)
        while not sta_if.isconnected():
            pass
    print('WiFi Connected:', sta_if.ifconfig())
    print("")
    
def ntp_get():
    for i in range(10):  # 最多尝试获取10次
        try:
            ntptime.settime()  # 获取网络时间
            _t=machine.RTC().datetime()
            machine.RTC().datetime((_t[0],_t[1],_t[2],_t[3],_t[4]+8,_t[5],_t[6],_t[7]))
            print("ntp time(BeiJing): ", machine.RTC().datetime())
            return True
        except:
            print("Can not get time!")
        time.sleep_ms(500)
        
wifi()
ntp_get()

datetime = machine.RTC().datetime()
oled.fill(1)
oled.rect(1, 1, 126, 62, 0)
oled.rect(3, 3, 122, 58, 0)
oled.text('Date:', 5, 6, 0)
oled.text(str(datetime[0]) + "-" + str(datetime[1]) + "-" + str(datetime[2]), 5, 6 + 12, 0)
oled.text('Time:', 5, 33, 0)
oled.text(str(datetime[4]) + ":" + str(datetime[5]) + ":" + str(datetime[6]), 5, 33 + 12, 0)
oled.show()

必做任务5：使用外部传感器

这个项目我选用的外部传感器是arduino常用的DHT11，这个传感器在3.3V下也可以正常工作。但需要注意的是这个传感器速度比较慢，每秒只可读取一次数值，而且micropython中如果读取数值出错，会直接报错并终止程序运行。为了避免一定概率会发生的出错导致整个系统宕机，这里使用了try方法。并且，如果是连续读取，不要忘记确保每次读取间隔不小于1秒。

d = dht.DHT11(machine.Pin(7))
vcc1 = machine.Pin(21, mode=machine.Pin.OUT, value=1, drive=machine.Pin.DRIVE_3)
gnd1 = machine.Pin(6, mode=machine.Pin.OUT, value=0, drive=machine.Pin.DRIVE_3)
def measure():
    d.measure()
    oled.fill(1)
    oled.rect(1, 1, 126, 62, 0)
    oled.rect(3, 3, 122, 58, 0)
    oled.text('Temperature:', 5, 6, 0)
    oled.text(str(d.temperature()) + " degree", 5, 6 + 12, 0)
    oled.text('Humidity:', 5, 33, 0)
    oled.text(str(d.humidity()) + " %", 5, 33 + 12, 0)
    oled.show()
    return d.temperature(), d.humidity()
while True:
    try:
        measure()
        break
    except Exception as error:
        print(error)
        time.sleep(1)

可选任务6：温湿度数据记录仪

这次项目的硬件除了XIAO C3外，我还带了两块树莓派zero，打算用在数据记录仪的制作中。因为xiao C3作为传感器模块，工作环境较为恶劣，不适合用作数据储存记录。一般的做法是xiao c3作为边缘传感器仅负责数据测量，测量到数据后通过网络发送回服务器，服务器配有专门的数据记录硬件，负责进行记录。这里两块树莓派zero就是充当了中央服务器的功能，一个树莓派作为MQTT服务器，负责数据的发送及接受；另一块树莓派和XIAO C3一样，作为MQTT客户端，负责数据的记录。

先看下XIAO C3部分的代码。数据以JSON字符串的形式进行发送：

def callback(topic, msg):
  print((topic, msg))
  if topic == topic_sub and msg == b'hello':
    print('ESP received hello message')

def connect_and_subscribe():
  client = MQTTClient(
      client_id = client_id,
      server = mqtt_server,
      port = port,
      user = user,
      password = pwd,
      keepalive = 10,
      lw_topic = topic_availability,
      lw_msg = "offline"
      )
  client.set_callback(callback)
  client.connect()
  client.subscribe(topic_sub)
  client.publish(topic_availability, "online")
  print('Connected to %s MQTT broker, subscribed to %s topic' % (mqtt_server, topic_sub))
  return client

def restart_and_reconnect():
  print('Failed to connect to MQTT broker. Reconnecting...')
  machine.reset()
  
try:
  client = connect_and_subscribe()
except:
  restart_and_reconnect()

def loop():
    time.sleep(1)
    client.check_msg()
    temperature, humidity = measure()
    msg = json.dumps({"temperature" : temperature, "humidity" : humidity})
    client.publish(topic_pub, msg)
    print("Published: " + msg)
    
while True:
    try:
        loop()
    except Exception as error:
        print(error)
        try:
            wifi()
            client = connect_and_subscribe()
        except:
            restart_and_reconnect()

接着我们需要在第一块树莓派上搭建一个MQTT服务器，搭建方法比较简单，先运行以下命令完成安装：

sudo apt update
sudo apt upgrade
sudo apt install mosquitto
sudo echo "listener 1883" >> /etc/mosquitto/mosquitto.conf
sudo echo "allow_anonymous true" >> /etc/mosquitto/mosquitto.conf
sudo systemctl restart mosquitto

接着在第二块树莓派上安装MQTT客户端，并订阅对应的topic，并将收到的数据记录到log文件中：

sudo apt update
sudo apt upgrade
sudo apt install mosquitto-clients

mosquitto_sub -h 192.168.50.231 -t "sensor/c3/pub" | tee -a log.txt

收到一段数据后，我们随时停止，并查看log记录，发现所有数据都有被正常记录。

源码下载：https://download.eeworld.com.cn/detail/%E6%9E%97%E5%A4%AA%E5%A4%AA/630254