将您的 IoT 设备连接到云端 - Wio Terminal

在本课程的这一部分，您将把 Wio Terminal 连接到 IoT Hub，以发送遥测数据并接收命令。

将设备连接到 IoT Hub

下一步是将您的设备连接到 IoT Hub。

任务 - 连接到 IoT Hub

1. 在 VS Code 中打开 soil-moisture-sensor 项目。

2. 打开 platformio.ini 文件。移除 knolleary/PubSubClient 库依赖项。该库用于连接到公共 MQTT 代理，但连接到 IoT Hub时不需要。

3. 添加以下库依赖项：

   seeed-studio/Seeed Arduino RTC @ 2.0.0
   arduino-libraries/AzureIoTHub @ 1.6.0
   azure/AzureIoTUtility @ 1.6.1
   azure/AzureIoTProtocol_MQTT @ 1.6.0
   azure/AzureIoTProtocol_HTTP @ 1.6.0
   azure/AzureIoTSocket_WiFi @ 1.0.2

   Seeed Arduino RTC 库提供与 Wio Terminal 的实时时钟交互的代码，用于跟踪时间。其余库允许您的 IoT 设备连接到 IoT Hub。

4. 在 platformio.ini 文件底部添加以下内容：

   build_flags =
       -DDONT_USE_UPLOADTOBLOB

   这设置了一个编译器标志，在编译 Arduino IoT Hub 代码时需要。

5. 打开 config.h 头文件。移除所有 MQTT 设置，并添加以下设备连接字符串常量：

   // IoT Hub settings
   const char *CONNECTION_STRING = "<connection string>";

   将 <connection string> 替换为您之前复制的设备连接字符串。

6. 连接到 IoT Hub 使用基于时间的令牌。这意味着 IoT 设备需要知道当前时间。与 Windows、macOS 或 Linux 等操作系统不同，微控制器不会自动通过互联网同步当前时间。这意味着您需要添加代码从 NTP 服务器获取当前时间。一旦时间被检索，可以将其存储在 Wio Terminal 的实时时钟中，允许在设备未断电的情况下稍后请求正确时间。添加一个名为 ntp.h 的新文件，并包含以下代码：

   #pragma once
   
   #include "DateTime.h"
   #include <time.h>
   #include "samd/NTPClientAz.h"
   #include <sys/time.h>
   
   static void initTime()
   {
       WiFiUDP _udp;
       time_t epochTime = (time_t)-1;
       NTPClientAz ntpClient;
   
       ntpClient.begin();
   
       while (true)
       {
           epochTime = ntpClient.getEpochTime("0.pool.ntp.org");
   
           if (epochTime == (time_t)-1)
           {
               Serial.println("Fetching NTP epoch time failed! Waiting 2 seconds to retry.");
               delay(2000);
           }
           else
           {
               Serial.print("Fetched NTP epoch time is: ");
   
               char buff[32];
               sprintf(buff, "%.f", difftime(epochTime, (time_t)0));
               Serial.println(buff);
               break;
           }
       }
   
       ntpClient.end();
   
       struct timeval tv;
       tv.tv_sec = epochTime;
       tv.tv_usec = 0;
   
       settimeofday(&tv, NULL);
   }

   这些代码的细节超出了本课程的范围。它定义了一个名为 initTime 的函数，该函数从 NTP 服务器获取当前时间并用它设置 Wio Terminal 的时钟。

7. 打开 main.cpp 文件，移除所有 MQTT 代码，包括 PubSubClient.h 头文件、PubSubClient 变量的声明、reconnectMQTTClient 和 createMQTTClient 方法，以及对这些变量和方法的任何调用。该文件应仅包含连接到 WiFi、获取土壤湿度并创建 JSON 文档的代码。

8. 在 main.cpp 文件顶部添加以下 #include 指令，以包含 IoT Hub 库和设置时间的头文件：

   #include <AzureIoTHub.h>
   #include <AzureIoTProtocol_MQTT.h>
   #include <iothubtransportmqtt.h>
   #include "ntp.h"

9. 在 setup 函数末尾添加以下调用以设置当前时间：

   initTime();

10. 在文件顶部的 #include 指令下方添加以下变量声明：

    IOTHUB_DEVICE_CLIENT_LL_HANDLE _device_ll_handle;

    这声明了一个 IOTHUB_DEVICE_CLIENT_LL_HANDLE，用于连接到 IoT Hub 的句柄。

11. 在此下方添加以下代码：

    static void connectionStatusCallback(IOTHUB_CLIENT_CONNECTION_STATUS result, IOTHUB_CLIENT_CONNECTION_STATUS_REASON reason, void *user_context)
    {
        if (result == IOTHUB_CLIENT_CONNECTION_AUTHENTICATED)
        {
            Serial.println("The device client is connected to iothub");
        }
        else
        {
            Serial.println("The device client has been disconnected");
        }
    }

    这声明了一个回调函数，当连接到 IoT Hub 的状态发生变化（例如连接或断开连接）时会被调用。状态会发送到串口。

12. 在此下方添加一个函数以连接到 IoT Hub：

    void connectIoTHub()
    {
        IoTHub_Init();
    
        _device_ll_handle = IoTHubDeviceClient_LL_CreateFromConnectionString(CONNECTION_STRING, MQTT_Protocol);
        
        if (_device_ll_handle == NULL)
        {
            Serial.println("Failure creating Iothub device. Hint: Check your connection string.");
            return;
        }
    
        IoTHubDeviceClient_LL_SetConnectionStatusCallback(_device_ll_handle, connectionStatusCallback, NULL);
    }

    此代码初始化 IoT Hub 库代码，然后使用 config.h 头文件中的连接字符串创建连接。此连接基于 MQTT。如果连接失败，错误信息会发送到串口——如果您在输出中看到此信息，请检查连接字符串。最后设置连接状态回调。

13. 在 setup 函数中调用此函数，位置在 initTime 调用下方：

    connectIoTHub();

14. 与 MQTT 客户端类似，此代码运行在单线程上，因此需要时间处理由 Hub 发送和发送到 Hub 的消息。在 loop 函数顶部添加以下内容以实现此功能：

    IoTHubDeviceClient_LL_DoWork(_device_ll_handle);

15. 构建并上传此代码。您将在串口监视器中看到连接：

    Connecting to WiFi..
    Connected!
    Fetched NTP epoch time is: 1619983687
    Sending telemetry {"soil_moisture":391}
    The device client is connected to iothub

    在输出中，您可以看到 NTP 时间被获取，然后设备客户端连接。连接可能需要几秒钟，因此在设备连接时，您可能会在输出中看到土壤湿度。

    💁 您可以使用像 unixtimestamp.com 这样的网站将 NTP 的 UNIX 时间转换为更易读的格式。

发送遥测数据

现在您的设备已连接，您可以将遥测数据发送到 IoT Hub，而不是 MQTT 代理。

任务 - 发送遥测数据

1. 在 setup 函数上方添加以下函数：

   void sendTelemetry(const char *telemetry)
   {
       IOTHUB_MESSAGE_HANDLE message_handle = IoTHubMessage_CreateFromString(telemetry);
       IoTHubDeviceClient_LL_SendEventAsync(_device_ll_handle, message_handle, NULL, NULL);
       IoTHubMessage_Destroy(message_handle);
   }

   此代码从传递的字符串参数创建一个 IoT Hub 消息，将其发送到 Hub，然后清理消息对象。

2. 在 loop 函数中调用此代码，位置在将遥测数据发送到串口的行之后：

   sendTelemetry(telemetry.c_str());

处理命令

您的设备需要处理来自服务器代码的命令以控制继电器。这是通过直接方法请求发送的。

任务 - 处理直接方法请求

1. 在 connectIoTHub 函数之前添加以下代码：

   int directMethodCallback(const char *method_name, const unsigned char *payload, size_t size, unsigned char **response, size_t *response_size, void *userContextCallback)
   {
       Serial.printf("Direct method received %s\r\n", method_name);
   
       if (strcmp(method_name, "relay_on") == 0)
       {
           digitalWrite(PIN_WIRE_SCL, HIGH);
       }
       else if (strcmp(method_name, "relay_off") == 0)
       {
           digitalWrite(PIN_WIRE_SCL, LOW);
       }
   }

   此代码定义了一个回调方法，当 IoT Hub 库收到直接方法请求时会调用该方法。请求的方法通过 method_name 参数传递。此函数将调用的方法打印到串口，然后根据方法名称打开或关闭继电器。

   💁 这也可以通过单个直接方法请求实现，将继电器的期望状态作为有效负载传递，该有效负载可以通过方法请求传递并从 payload 参数中获取。

2. 在 directMethodCallback 函数末尾添加以下代码：

   char resultBuff[16];
   sprintf(resultBuff, "{\"Result\":\"\"}");
   *response_size = strlen(resultBuff);
   *response = (unsigned char *)malloc(*response_size);
   memcpy(*response, resultBuff, *response_size);
   
   return IOTHUB_CLIENT_OK;

   直接方法请求需要响应，响应分为两部分——文本响应和返回码。此代码将创建以下 JSON 文档作为结果：

   {
       "Result": ""
   }

   然后将其复制到 response 参数中，并在 response_size 参数中设置响应的大小。此代码随后返回 IOTHUB_CLIENT_OK，表示方法已正确处理。

3. 在 connectIoTHub 函数末尾添加以下代码以连接回调：

   IoTHubClient_LL_SetDeviceMethodCallback(_device_ll_handle, directMethodCallback, NULL);

4. loop 函数将调用 IoTHubDeviceClient_LL_DoWork 函数以处理 IoT Hub 发送的事件。由于 delay 的原因，这仅每 10 秒调用一次，这意味着直接方法每 10 秒才会处理一次。为了提高效率，可以将 10 秒的延迟分成多个较短的延迟，每次调用 IoTHubDeviceClient_LL_DoWork。为此，在 loop 函数上方添加以下代码：

   void work_delay(int delay_time)
   {
       int current = 0;
       do
       {
           IoTHubDeviceClient_LL_DoWork(_device_ll_handle);
           delay(100);
           current += 100;
       } while (current < delay_time);
   }

   此代码将重复循环，调用 IoTHubDeviceClient_LL_DoWork 并每次延迟 100 毫秒。它会根据 delay_time 参数的值重复多次。这意味着设备最多等待 100 毫秒来处理直接方法请求。

5. 在 loop 函数中，移除对 IoTHubDeviceClient_LL_DoWork 的调用，并将 delay(10000) 替换为以下代码以调用新函数：

   work_delay(10000);

💁 您可以在 code/wio-terminal 文件夹中找到此代码。

😀 您的土壤湿度传感器程序已连接到 IoT Hub！