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5G元年的列車早已駛出，人工智能、大數(shù)據(jù)的浪潮還在涌動(dòng)，云辦公、云問診成為防疫期間的熱詞。

現(xiàn)如今，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)正處于時(shí)代發(fā)展的風(fēng)口，相較于傳統(tǒng)的硬件設(shè)備，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)使得各種硬件設(shè)備能夠通過信息傳輸設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，繼而進(jìn)行信息的傳遞，以實(shí)現(xiàn)智能化識別與管理，為人們的日常生活帶來便捷。

在上節(jié)課中，我們利用行空板設(shè)計(jì)了一個(gè)智慧農(nóng)業(yè)可視化系統(tǒng)，模擬了對農(nóng)業(yè)中莊稼生長環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測和改善，然而，在這其中，監(jiān)測到的數(shù)據(jù)只能顯示在行空板的屏幕上，我們必須走近行空板方能進(jìn)行觀察，很不方便。那有什么辦法能讓我們待在家中，遠(yuǎn)程就能知曉實(shí)時(shí)的環(huán)境數(shù)據(jù)呢？

這節(jié)課，就讓我們試著利用強(qiáng)大的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，用DFRobot的行空板來模擬一個(gè)智慧農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，解決這個(gè)問題吧！

任務(wù)目標(biāo)

將通過土壤濕度傳感器檢測到的濕度值顯示在屏幕上，同時(shí)，開啟SIoT物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，將數(shù)據(jù)同步傳輸?shù)轿锫?lián)網(wǎng)平臺以便進(jìn)行查看，當(dāng)觀察到的土壤濕度值不佳時(shí)，通過在物聯(lián)網(wǎng)平臺的網(wǎng)頁端輸入指定字符“on”和“off”來控制繼電器和水泵澆水。

知識點(diǎn)

1、認(rèn)識物聯(lián)網(wǎng)、MQTT、SIoT

2、學(xué)習(xí)使用SIoT庫連接物聯(lián)網(wǎng)平臺的方法

3、學(xué)習(xí)使用SIoT庫向物聯(lián)網(wǎng)平臺發(fā)送消息的方法

4、學(xué)習(xí)使用SIoT庫接收物聯(lián)網(wǎng)平臺消息的方法

材料清單

硬件清單：

軟件使用：Mind+編程軟件x1

其他：

1、帶植物的花盆 x1

2、盛有水的燒杯 x1

3、十字/一字兩用螺絲刀 x1

知識儲備

1、物聯(lián)網(wǎng)

物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things，簡稱IoT）是借助互聯(lián)網(wǎng)、傳統(tǒng)電信網(wǎng)等信息承載體，讓所有能行使獨(dú)立功能的普通物體實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通的網(wǎng)絡(luò)。

物聯(lián)網(wǎng)是互聯(lián)網(wǎng)的一個(gè)延伸，互聯(lián)網(wǎng)的終端是計(jì)算機(jī)（PC、服務(wù)器），而物聯(lián)網(wǎng)的終端是硬件設(shè)備（手機(jī)、電腦、傳感器等等）。通過物聯(lián)網(wǎng)，我們可以用中心計(jì)算機(jī)將各種機(jī)器、設(shè)備連接起來，進(jìn)行集中管理，實(shí)現(xiàn)物物相連。比如，將家中的燈、風(fēng)扇、空調(diào)等電器連入物聯(lián)網(wǎng)中后可以通過手機(jī)來控制它們開關(guān)。

2、MQTT

計(jì)算機(jī)為了聯(lián)網(wǎng)，就必須規(guī)定通信協(xié)議，就好比一群不同國家的人在一塊兒，只有說同一種語言才能實(shí)現(xiàn)互相交流。同樣地，要想實(shí)現(xiàn)萬物互聯(lián)，也需要一套協(xié)議。事實(shí)上，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的搭建可通過很多協(xié)議來實(shí)現(xiàn)，常用的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層協(xié)議包括MQTT、HTTP、XMPP、CoAP等。這里我們采用的是MQTT，通過該協(xié)議，我們可以在物聯(lián)網(wǎng)上傳輸消息。

MQTT是一個(gè)基于客戶端-服務(wù)器的消息發(fā)布/訂閱傳輸協(xié)議，服務(wù)器就是我們要搭建的物聯(lián)網(wǎng)平臺的載體。客戶端可以是信息發(fā)布者或訂閱者。每個(gè)客戶端都可以連接到服務(wù)器。舉個(gè)例子，郵局大家都不陌生，我們可以到郵局寄信和收信。當(dāng)我們寄信時(shí)，對于郵局而言我們就是信息發(fā)布者，當(dāng)收信時(shí)我們就成了訂閱者。同時(shí)，無論是寄信者還是收信者，我們都是客戶。而郵局這個(gè)收寄信的平臺就是所謂的服務(wù)器，為我們提供收信和寄信的服務(wù)。

當(dāng)發(fā)布者具有要分發(fā)的新數(shù)據(jù)時(shí)，它會(huì)將包含數(shù)據(jù)的控制消息發(fā)送到服務(wù)器。然后，服務(wù)器將信息分發(fā)給已訂閱該主題的任何客戶端。發(fā)布者不需要有關(guān)于訂閱者數(shù)量或位置的任何數(shù)據(jù)，而訂閱者又不必配置有關(guān)發(fā)布者的任何數(shù)據(jù)。

另外，MQTT傳輸?shù)南⒖煞譃椋篢opic和payload兩部分

（1）Topic，可以理解為消息的類型，訂閱者訂閱后，就會(huì)收到該主題的消息內(nèi)容（Payload）；

（2）payload，可以理解為消息的內(nèi)容，是指訂閱者具體要接收的內(nèi)容。

3、SIoT

SIoT是一個(gè)為教育定制的跨平臺的開源MQTT服務(wù)器程序，S指科學(xué)（science）、簡單（simple）的意思。SIoT支持Win10、Win7、Mac、Linux等操作系統(tǒng)，一鍵啟動(dòng)，無需用戶注冊或者系統(tǒng)設(shè)置即可使用。

SIoT也是為了幫助中小學(xué)生理解物聯(lián)網(wǎng)原理，并且能夠基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開發(fā)各種創(chuàng)意應(yīng)用。因?yàn)槠渲攸c(diǎn)關(guān)注物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的收集和導(dǎo)出，是采集科學(xué)數(shù)據(jù)的最好選擇之一。

這里，于行空板而言，SIoT應(yīng)用程序已經(jīng)被內(nèi)置在了板子上，因此在使用時(shí)，我們可直接在應(yīng)用開關(guān)內(nèi)通過點(diǎn)擊它來開啟服務(wù)。同時(shí)，為了便于它的使用，我們開發(fā)了名為“SIoT”的Python庫，旨在通過編寫Python程序來連接MQTT服務(wù)器以及實(shí)現(xiàn)消息的傳輸。

在實(shí)際使用時(shí)，開啟SIoT服務(wù)的行空板我們就可以當(dāng)作一臺服務(wù)器，連接傳感器以檢測數(shù)據(jù)的行空板（設(shè)備）我們可以當(dāng)作客戶端。

而如果在同一塊板子上既開啟SIoT服務(wù)，又連接傳感器來檢測數(shù)據(jù)，那么它既是客戶端又是服務(wù)器。

Tips：在這節(jié)課上，我們將通過一塊板子來實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)功能，而下節(jié)課中，我們將使用三塊板子來模擬多節(jié)點(diǎn)的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。

4、SIoT庫常見函數(shù)

（1）init()、connect()、loop()函數(shù)初始化并連接物聯(lián)網(wǎng)平臺

SIoT庫中的init()函數(shù)可以用來初始化與物聯(lián)網(wǎng)平臺的連接，使用前，我們首先需要導(dǎo)入庫，之后設(shè)定好連接物聯(lián)網(wǎng)平臺所需的參數(shù)，包括服務(wù)器IP地址、物聯(lián)網(wǎng)平臺的賬號用戶名、賬號對應(yīng)的密碼，接著使用init()函數(shù)進(jìn)行連接驗(yàn)證，驗(yàn)證成功后再通過connect()和loop()函數(shù)進(jìn)行與平臺的連接。

import siot # 導(dǎo)入SIoT庫

SERVER = "10.1.2.3" # MQTT服務(wù)器IP，輸入個(gè)人實(shí)際Ip

CLIENT_ID = "" # 在SIoT上，CLIENT_ID可以留空

IOT_UserName = 'siot' # 用戶名

IOT_PassWord = 'dfrobot' # 密碼

siot.init(CLIENT_ID, SERVER, user=IOT_UserName,password=IOT_PassWord) # 初始化，確定輸入的用戶名和密碼正確

siot.connect() # 連接SIoT物聯(lián)網(wǎng)平臺

siot.loop() # 循環(huán)

其中，SERVER指的是開啟siot服務(wù)用以連接的服務(wù)器的IP地址；CLIENT_ID指的是客戶端標(biāo)識符，它是客戶端到服務(wù)器的唯一標(biāo)識，這里我們可以不輸入內(nèi)容； user指的是物聯(lián)網(wǎng)平臺賬戶的用戶名；password指賬號對應(yīng)的密碼。

（2）publish()函數(shù)向物聯(lián)網(wǎng)平臺發(fā)送消息

在連接上SIoT物聯(lián)網(wǎng)平臺后，通過SIoT庫的publish函數(shù)可以實(shí)現(xiàn)將消息發(fā)送到平臺，使用時(shí)需要先后指定發(fā)送的主題Topic(目的地)和發(fā)送的消息內(nèi)容。

IOT_pubTopic = '智慧農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)/Soil_moisture_value' # 濕度topic，“項(xiàng)目名稱/設(shè)備名稱”

Soil_moisture_value = adc0.read_analog() # 讀取模擬值

siot.publish(IOT_pubTopic, Soil_moisture_value) # 發(fā)布信息至物聯(lián)網(wǎng)平臺

其中，IOT_pubTopic指主題Topic，包括項(xiàng)目ID和設(shè)備名稱；Soil_moisture_value指要發(fā)送的土壤濕度數(shù)據(jù)消息。

Tips：SIoT平臺上同時(shí)用Topic表示了項(xiàng)目ID和設(shè)備名稱，因此Topic中需要有“/”符號將兩者分開，否則物聯(lián)網(wǎng)平臺看不到項(xiàng)目。

（3）subscribe()函數(shù)訂閱物聯(lián)網(wǎng)平臺消息

在連接上SIoT物聯(lián)網(wǎng)平臺后，通過SIoT庫的subscribe()函數(shù)可以訂閱平臺發(fā)送來的消息，使用時(shí)需要先后指定發(fā)送的主題Topic(目的地)以及接收到平臺消息后所要執(zhí)行的操作。

IOT_pubTopic = '智慧農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)/Soil_moisture_value' # 濕度topic，“項(xiàng)目名稱/設(shè)備名稱”

def sub_relay(client, userdata, msg):

topic = msg.topic

payload = msg.payload.decode()

'''定義接收到指令時(shí)的操作'''

print("\nTopic:" + topic + " Message:" + payload) # 打印接收到的信息

if payload == 'on': # 如果接收到“on”

img.config(w=240, h=320, image='img/澆水1.png')

relay.write_digital(1) # 繼電器輸出高電平

elif payload == 'off': # 如果接收到“off”

img.config(w=240, h=320, image='img/關(guān)水1.png')

relay.write_digital(0) # 繼電器輸出低電平

siot.subscribe(IOT_pubTopic, sub_relay) # 訂閱消息

其中，IOT_pubTopic指主題Topic，包括項(xiàng)目ID和設(shè)備名稱；sub_relay是定義的接收到平臺消息后所要執(zhí)行的功能函數(shù)；msg.topic指的是消息中的Topic主題；msg.payload指的是消息的內(nèi)容；decode()是將消息內(nèi)容轉(zhuǎn)換為字符串方便后續(xù)條件判斷。

動(dòng)手實(shí)踐

任務(wù)描述1：發(fā)送濕度數(shù)據(jù)至SIoT物聯(lián)網(wǎng)平臺

啟動(dòng)SIoT物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，通過外接土壤濕度傳感器檢測濕度值后，將數(shù)據(jù)顯示在屏幕上的同時(shí)也發(fā)送至SIoT物聯(lián)網(wǎng)平臺并在平臺網(wǎng)頁端查看。

1、硬件搭建

STEP1：通過USB連接線將行空板連接到計(jì)算機(jī)

STEP2：將土壤濕度傳感器接入行空板的P21引腳

STEP3：將土壤濕度傳感器插入花盆中

STEP4：啟動(dòng)SIoT服務(wù)

按下HOME鍵進(jìn)入菜單，單擊“應(yīng)用開關(guān)”，找到SIoT應(yīng)用后點(diǎn)擊啟用，如下圖所示。

STEP5：查看ip并記錄

按下HOME鍵進(jìn)入菜單，單擊“查看網(wǎng)絡(luò)信息”，找到SIoT應(yīng)用后點(diǎn)擊啟用，如下圖所示。

Tips：“10.1.2.3”為板子通過USB線連接電腦后的固定IP地址。這里我們將它記錄下來，后續(xù)有用。

2、程序編寫

STEP1：創(chuàng)建與保存項(xiàng)目文件

啟動(dòng)Mind+,另存項(xiàng)目并命名為“009、智慧農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)”。

STEP2：創(chuàng)建與保存Python文件

創(chuàng)建一個(gè)Python程序文件“main1.py”，雙擊打開。

STEP3：導(dǎo)入圖片文件夾

在項(xiàng)目文件夾中導(dǎo)入背景圖文件夾。（圖片文件夾與程序文件同在項(xiàng)目文件夾中，下載鏈接見附錄1）

STEP4：程序編寫

(1) 導(dǎo)入所需功能庫

在這個(gè)任務(wù)中，我們需要使用Pinpong庫來使土壤濕度傳感器讀取數(shù)值并顯示在屏幕上，因此，我們需要導(dǎo)入Pinpong庫和unihiker庫中的GUI模塊，同時(shí)，為了能將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送至SIoT物聯(lián)網(wǎng)平臺，我們還需導(dǎo)入SIoT庫。

(2) 實(shí)例化GUI類并初始化板子和引腳

之后我們創(chuàng)建gui對象并初始化板子和引腳以便后續(xù)能使用屏幕功能和控制傳感器工作。

gui = GUI() # 實(shí)例化gui對象 Board().begin() # 初始化行空板adc0 = Pin(Pin.P21, Pin.ANALOG) # 初始化21引腳為模擬輸入模式

(3) 設(shè)置參數(shù)并連接SIoT平臺

接下來，我們將創(chuàng)建與SIoT物聯(lián)網(wǎng)平臺的連接，在這之前，我們先設(shè)定好連接時(shí)所需要的參數(shù)，包括ip地址，CLIENT_ID，用戶名，密碼以及topic，之后進(jìn)行連接并保持連接狀態(tài)。

Tips：這里的IP地址為之前記錄的“10.1.2.3”。

SERVER = "10.1.2.3" # MQTT服務(wù)器IP，輸入個(gè)人實(shí)際Ip CLIENT_ID = "" # 在SIoT上，CLIENT_ID可以留空IOT_UserName = 'siot' # 用戶名IOT_PassWord = 'dfrobot' # 密碼IOT_pubTopic = '智慧農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)/Soil_moisture_value' # 濕度topic，“項(xiàng)目名稱/設(shè)備名稱” siot.init(CLIENT_ID, SERVER, user=IOT_UserName,password=IOT_PassWord) # 初始化，確定輸入的用戶名和密碼正確siot.connect() # 連接SIoT物聯(lián)網(wǎng)平臺siot.loop() # 循環(huán)

(4) 顯示背景圖、填充矩形和初始文字

緊接著，我們在行空板的屏幕上顯示一張背景圖，并添加填充矩形和初始文字，以便后續(xù)直接在此更新數(shù)據(jù)顯示。

# 顯示背景圖片img = gui.draw_image(w=240, h=320, image='img/關(guān)水1.png') # 繪制填充矩形并在矩形框內(nèi)顯示文字gui.fill_rect(x=65, y=35, w=70, h=30, color="white") # 繪制矩形“濕度值”gui.fill_rect(x=148, y=35, w=55, h=30, color="white") # 繪制矩形以顯示濕度值數(shù)據(jù) text_1 = gui.draw_text(x=68, y=36, color="red", text='濕度值:') # 顯示"濕度值:"text_value = gui.draw_text(x=155, y=36, color="red", text="") # 顯示濕度值數(shù)據(jù)

(5) 檢測土壤濕度并將數(shù)據(jù)顯示在屏幕及發(fā)送到SIoT物聯(lián)網(wǎng)平臺

最后，我們設(shè)置通過傳感器來讀取檢測數(shù)據(jù)，將濕度值發(fā)送到物聯(lián)網(wǎng)平臺的同時(shí)也顯示在屏幕上，而為了使得上述操作能每隔一秒不停地執(zhí)行，這里，我們使用while語句。

while True: # 循環(huán) Soil_moisture_value = adc0.read_analog() # 讀取模擬值 print(Soil_moisture_value) # 打印顯示濕度值 siot.publish(IOT_pubTopic, Soil_moisture_value) # 發(fā)布信息至物聯(lián)網(wǎng)平臺 text_value.config(text=Soil_moisture_value) # 更新濕度值 time.sleep(1) # delay1秒

Tips：完整示例程序如下：

from unihiker import GUI # 導(dǎo)入unihiker庫GUI模塊from pinpong.board import Board, Pin # 導(dǎo)入pinpong庫下的Board, Pin模塊import time # 導(dǎo)入time庫import siot # 導(dǎo)入SIoT庫 gui = GUI() # 實(shí)例化gui對象 Board().begin() # 初始化行空板adc0 = Pin(Pin.P21, Pin.ANALOG) # 初始化21引腳為模擬輸入模式 SERVER = "10.1.2.3" # MQTT服務(wù)器IP，輸入個(gè)人實(shí)際Ip CLIENT_ID = "" # 在SIoT上，CLIENT_ID可以留空IOT_UserName = 'siot' # 用戶名IOT_PassWord = 'dfrobot' # 密碼IOT_pubTopic = '智慧農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)/Soil_moisture_value' # 濕度topic，“項(xiàng)目名稱/設(shè)備名稱” siot.init(CLIENT_ID, SERVER, user=IOT_UserName,password=IOT_PassWord) # 初始化，確定輸入的用戶名和密碼正確siot.connect() # 連接SIoT物聯(lián)網(wǎng)平臺siot.loop() # 循環(huán) # 顯示背景圖片img = gui.draw_image(w=240, h=320, image='img/關(guān)水1.png') # 繪制填充矩形并在矩形框內(nèi)顯示文字gui.fill_rect(x=65, y=35, w=70, h=30, color="white") # 繪制矩形“濕度值”gui.fill_rect(x=148, y=35, w=55, h=30, color="white") # 繪制矩形以顯示濕度值數(shù)據(jù) text_1 = gui.draw_text(x=68, y=36, color="red", text='濕度值:') # 顯示"濕度值:"text_value = gui.draw_text(x=155, y=36, color="red", text="") # 顯示濕度值數(shù)據(jù) while True: # 循環(huán) Soil_moisture_value = adc0.read_analog() # 讀取模擬值 print(Soil_moisture_value) # 打印顯示濕度值 siot.publish(IOT_pubTopic, Soil_moisture_value) # 發(fā)布信息至物聯(lián)網(wǎng)平臺 text_value.config(text=Soil_moisture_value) # 更新濕度值 time.sleep(1) # delay1秒

3、程序運(yùn)行

STEP1：遠(yuǎn)程連接行空板，運(yùn)行程序并觀察效果

觀察行空板，可以看到在智慧農(nóng)業(yè)的背景圖上，每隔一秒顯示著檢測到的土壤濕度值。

STEP2：平臺網(wǎng)頁端查看消息

（1）打開瀏覽器，輸入“10.1.2.3”后回車，進(jìn)入行空板的網(wǎng)頁菜單，找到應(yīng)用開關(guān)下的SIoT服務(wù)，點(diǎn)擊“打開頁面”。

（2）輸入默認(rèn)的賬號“siot”,密碼“dfrobot”,點(diǎn)擊登錄

（3）點(diǎn)擊“智慧農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)”項(xiàng)目下的“查看設(shè)備列表”

可以看到“項(xiàng)目ID”、“名稱”分別對應(yīng)為程序中“IOT_pubTopic”的信息

（4）點(diǎn)擊“查看消息”

隨后我們就可以查看到“智慧農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)/Soil_moisture_value”這個(gè)Topic的MQTT消息記錄啦，并伴有具體的消息內(nèi)容及發(fā)送時(shí)間，這就是我們檢測到的該時(shí)刻的土壤濕度值，如下圖。

（5）點(diǎn)擊“自動(dòng)刷新消息”

通過刷新消息，我們發(fā)現(xiàn)土壤濕度數(shù)據(jù)每隔一秒進(jìn)行了更新，如下圖，

（6）點(diǎn)擊“隱藏/顯示圖標(biāo)”

點(diǎn)擊后，我們可以發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)以圖表的形式呈現(xiàn)了出來，如下圖。

（7）點(diǎn)擊“導(dǎo)出查詢結(jié)果”

這里我們可以將數(shù)據(jù)以表格的形式下載下來以便后續(xù)作進(jìn)一步分析。

任務(wù)描述2：平臺網(wǎng)頁端控制澆水

在上一任務(wù)中，我們實(shí)現(xiàn)了將土壤濕度傳感器檢測到的數(shù)據(jù)上傳到SIoT物聯(lián)網(wǎng)平臺，并從平臺的網(wǎng)頁端實(shí)時(shí)查看濕度值，接下來，我們給板子添加訂閱平臺消息的功能，使得我們能夠在土壤較干燥的時(shí)候通過SIoT物聯(lián)網(wǎng)平臺的網(wǎng)頁端來及時(shí)控制澆水。