基于Raspberry Pi Pico的云端温湿度监测站设计

一、介绍

使用Pi Pico 搭配扩展板以及各种传感器模块，再加上网络相关模块将搜集到的数据上传云端，完成一个简易的云端温湿度监测站。

二、软件安装

安装Thonny IDE以及MircoPython Firmware的刻录。

三、硬件配置

我们这次会使用到的模块有SHT3x温湿度模块、1.3吋 OLED、LED灯模块以及AM7020 NBIoT网络模块，接线方式如下对照图表所示。

实际功能为将读取到的温湿度数据显示到1.3吋 OLED上，以及定时将数据透过AM7020上传云端，并且提供远程网页控制LED灯的功能，除了控制LED灯外也可结合继电器实现控制家电（e.g.电灯、电扇、浇水设备……等）。

四、云端设定

这次我们会使用Adafruit IO做为云端平台，它将会存放温度、湿度，以及LED灯控制讯息相关数据，并且透过内建服务Dashboard将数据以图形化方式呈现。

进到Adafruit IO官网新增三个Feed，分别为「temperature」、「humidity」、「led」，如下图所示。

接着请新增一个Dashboard，名称为「pico」，如下图所示。

继续在pico Dashboard内新增折线图表以及按钮开关，折线图数据源选择Feed「temperature」、「humidity」，按钮开关数据源选择Feed「led」，如下图所示。

五、程序撰写

本篇所用到的范例程序代码可至下列连结下载。

https://github.com/JiekangHuang/pi_pico_adafruitIO_nbiot

(一)加载相关Library

为了简化程序代码复杂度，我们将会使用AM7020、SHT31、OLED 的MicroPython Library 来处理Driver 的部分，请将这三个Library 预先存入Pi Pico内以便之后主程序呼叫。

首先使用Thonny从本机开启要存入的档案，并选择档案>>另存新檔>>Raspberry pi pico>>输入文件名(需与原档名相同)。

Pico Library档案结构如下图所示。

第一层为lib文件夹

lib文件夹里为「am7020」文件夹、「sht31.py」、「ssd1306.py」。

am7020文件夹里为「am7020_modem.py」、「am7020_mqtt.py」、「am7020_nb.py」。

(二)程序设计

开启打开范例「example/adafriotIO_pico.py」并执行。

1 fromutime import ticks_ms, sleep_ms

2 fromam7020.am7020_nb import AM7020NB

3 fromam7020.am7020_mqtt import AM7020MQTT

4

5 importsht31

6 frommachine import Pin, I2C

7 fromssd1306 import SSD1306_I2C

8

9 sht31_i2c= I2C(1, scl=Pin(7), sda=Pin(6), freq=400000)

10sensor = sht31.SHT31(sht31_i2c, addr=0x44)

11

12 WIDTH= 128 # oled 显示宽度

13HEIGHT = 64 #oled 显示高度

14

15 # 初始化 I2C 物件 I2C0 SCL =1, I2C0 SDA = GP0

16oled_i2c = I2C(0, scl=Pin(9), sda=Pin(8), freq=200000)

17

18 oled= SSD1306_I2C(WIDTH, HEIGHT, oled_i2c)

19

20 led =Pin(20, Pin.OUT)

21

22 #NBIoT 相关设定

23 apn ="twm.nbiot" # 存取点名称

24 band= 28 # 通讯频道

25CHECK_NET_INTERVAL_MS = 1000 # 网络检查间隔时间

26

27#相关设定

28MQTT_BROKER = "io.adafruit.com"

29 PORT= 1883

30 MQTT_USERNAME= ""

31MQTT_PASSWORD = ""

32TEMP_TOPIC = MQTT_USERNAME + "/feeds/pico.temperature"

33HUM_TOPIC = MQTT_USERNAME + "/feeds/pico.humidity"

34LED_TOPIC = MQTT_USERNAME + "/feeds/pico.led"

35UPLOAD_INTERVAL_MS = 30000 # 讯息上传间隔时(毫秒)

36

37 nb =AM7020NB(0, 9600, 0, 1, 3, False) # 建立连接对象

38 mqtt= AM7020MQTT(nb) # 建立 MQTT 通讯对象

39

40

41 defnbConnect(): # ⾃订联机程序

42 print("Initializing modem...")

43 while((not nb.init() or (notnb.nbiotConnect(apn, band)))):

44 print(".")

45

46 print("Waiting for network...")

47 while(not nb.waitForNetwork()):

48 print(".")

49 sleep_ms(5000)

50

51 print(" success")

52

53

54 defreConnBroker(): # MQTT Broker 重新联机程序

55 print("Connecting to",MQTT_BROKER, end="...")

56 if(mqtt.connBroker(MQTT_BROKER, PORT,MQTT_USERNAME, MQTT_PASSWORD, mqtt_id="ICSHOP_AM7020_MQTT_ID")):

57 print(" success")

58 print("subscribe: ",LED_TOPIC, end="")

59 if(mqtt.subscribe(LED_TOPIC,mqttCallback)):

60 print(" success")

61 else:

62 print(" fail")

63 else:

64 print(" fail")

65

66 #MQTT 订阅内容讯息回调函数

67

68

69 defmqttCallback(msg):

70 print(LED_TOPIC, ":", msg)

71 if(msg == "ON"):

72 led.on()

73 else:

74 led.off()

75

76

77chk_net_timer = 0 # 联机状态查询周期定时器

78pub_data_timer = 0 # 讯息发布周期定时器

79

80 oled.fill(0) # 清除画面

81oled.text("Init modem...", 0, 0)

82oled.show()

83

84print("Initializing modem...")

85while(not nb.init()):

86 print(".")

87

88while(True):

89 # show SHT31 data

90 oled.fill(0) # 清除画面

91

92 t = round(sensor.get_temp_humi()[0], 1)

93 h = round(sensor.get_temp_humi()[1], 1)

94 # print("Temperature: {}".format(t))

95 # print("Humidity:{}".format(h))

96

97 if(ticks_ms() > chk_net_timer): # 联机状态查询周期

98 chk_net_timer = ticks_ms() +CHECK_NET_INTERVAL_MS

99 if(not nb.chkNet()):

100 oled.fill(0) # 清除画面

101 oled.text("ISP Connecting", 0, 0)

102 oled.show()

103 nbConnect()

104 oled.fill(0) # 清除画面

105 oled.text("ISPConnected", 0, 0)

106 oled.show()

107 if(not mqtt.chkConnBroker()):

108 oled.fill(0) # 清除画面

109 oled.text("MQTTConnecting", 0, 0)

110 oled.show()

111 reConnBroker()

112 oled.fill(0) # 清除画面

113 oled.text("MQTTConnected", 0, 0)

114 oled.show()

115

116 if(ticks_ms() > pub_data_timer): # 讯息发布周期

117 pub_data_timer = pub_data_timer +UPLOAD_INTERVAL_MS

118 print("publish: ", t,end="")

119 if(mqtt.publish(TEMP_TOPIC, str(t))):

120 print(" success")

121 else:

122 print(" Fail")

123 print("publish: ", h,end="")

124 if(mqtt.publish(HUM_TOPIC, str(h))):

125 print(" success")

126 else:

127 print(" Fail")

128 mqtt.procSubs() # 检查订阅频道状态

129 oled.text("MQTT Connected", 0,0)

130 # 加入文字内容

131 oled.text("Temp: ", 0, 10)

132 oled.text(str(t), 50, 10)

133 oled.text("*C", 90, 10)

134

135 oled.text("Humi: ", 0, 20)

136 oled.text(str(h), 50, 20)

137 oled.text("%", 90, 20)

138 oled.show() # 显示绘制内容

程序代码说明：

1. 引入这次实作所需模块。

2. 建立并传入I2C1建立SHT31对象，用来读取温湿度；建立并传入I2C0建立OLED对象，用来操作OLED，OLED设定宽高为128*64；建立LED对象，pin设定为20，并设为输出，用来显示网页控制开关状态。

3. 设定NBIoT 模块所使用的APN、Band（不同电信商会不一样，此为台湾大哥大，Band 28），设定MQTT相关参数，Broker 使用Adafruit IO，Port 使用1883，账号密码请自行修改，设定温湿度、LED Topic，请务必与云端设定相同，35行设定数据上传云端的间隔，使用者可自行依需求调整，这里设为30秒上传一次；建立AM7020、AM7020MQTT对象，用来将数据发送至云端平台。

4. 定义NBIoT 联机程序，呼叫AM7020对象init 初始化方法以及nbiotConnect 方法直到成功，接着呼叫waitForNetwork 方法等待联机完成。

5. 定义MQTT 重新联机程序，使用AM7020MQTT对象的connBroker 方法联机到指定Broker，这里须注意每个装置的mqtt_id不可相同，若相同Broker 将会剔除上一次的联机，联机完毕后使用AM7020MQTT 对象的subscribe 方法订阅LED的 Topic，并传入callback（于下一段说明），用以接收LED开关状态。

6. 定义LED数据的Callback，当AM7020MQTT对象收到LED主题数据时就会呼叫此方法，在此方法里面判断讯息并控制LED亮灭。

7. 建立检查联机状态、发布数据的定时器；将OLED画面清除并显示初始化讯息，并等待NBIOT模块初始化成功。

8. 进入无穷循环，92~93行读取温湿度数据，97~114定时检查NBIOT以及MQTT的联机状态，若中间有断线便会呼叫上面定义的重新联机方法，并透过OLED显示目前状态。

9. 透过定时器的方式定时发送温湿度数据到云端（默认为30秒上传一次），发送数据使用AM7020MQTT对象的publish方法，参数带入目标Topic以及要发布的讯息。

10. 128行使用AM7020MQTT对象的procSubs方法检查是否有订阅数据到达；将温湿度数据显示到OLED上。

六、执行结果

完成以上步骤，并执行范例程序代码，我们就可以在OLED及云端上看到温湿度数据，并且可以直接透过网页按钮控制Pico 的LED灯，如下图所示。

审核编辑：汤梓红