2020-3-10 16:33:59 [显示全部楼层]
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[案例教程] 【TinkerNode NB-IoT物联网开发板】户外水质监测项目

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Hello,大家好。通过之前项目的学习,相信大家已经大致了解了阿里云平台的使用方法以及TinkerNode的基本功能。这次将制作一个远程采集水质参数的装置,它可以用来采集湖水的温度、pH、TDS值以及设备电量,并使用TinkerNode开发板的NB-IoT功能,将数据上传至阿里云平台。

QQ图片20200108113153.png

项目的主要目的:
①熟悉阿里云IoT平台的使用方法  
②通过户外水质监测项目,进一步了解TinkerNode,了解板载NB-IoT模组功能。
③了解NB-IoT的使用场景,调试并搭建一个户外水质监测的原型。

项目视频

为了方便大家进行学习,我们为大家提供了视频版本的项目教程。

元器件清单

本次项目用到的元器件清单如下:

TinkerNode NB-IoT开发板 x1
TinkerNode Gravity IO扩展板 x1
Gravity:I2C ADS1116 16位ADC模块 x1
DC - DC 直流升压模块 x1
Gravity:模拟量隔离模块x1
Gravity:模拟PH计 x1
Gravity:模拟TDS传感器 x1
Gravity:DS18B20数字防水温度传感器套件 x1
3.7V锂电池 x1
3.7V锂电池电量计 x1
太阳能板5V 1A x1


USB转接模块 x1
Ps:所使用到的USB转接模块是X宝上购买的,如下图所示,由于DF没有这款产品,大家可以自行购买。

202003102838..png

1. 项目相关功能介绍

低功耗
由于本次项目所制作的设备是在户外使用,且设备工作环境不易拉电,为了使设备在户外的工作时间更久,就需要设备尽可能的减少电量的消耗。而TinkerNode物联网开发板板载的NB-IoT模组可以借助 PSM(Power Saving Mode,节电模式)和 eDRX(Extended Discontinuous Reception,超长非连续接收)实现更长待机。接下来让我们来了解一下NB-IoT的低功耗功能。

202003041958..png

如上图所示,可以看到NB-IoT设备在进入PSM低功耗状态时会涉及三种状态,分别是Connected State连接状态、Idle State空闲待机状态和PSM State 低功耗状态。当设备尝试从Connected State进入PSM State时,会激活两个定时器,T3324和T3412。其中,定时器T3324决定了Idle State的时间,T3412决定了两次Connected State之间的时间。也就是说,当定时器T3324超时后,设备将进入PSM State;当定时器T3412超时后,设备将退出PSM State,进入下一个Connected State,如此循环。



太阳能
为了使设备可以在户外工作的时间更久,除了需要借助PSM来降低设备的功耗外,还需要使用TinkerNode集成的太阳能电源管理模块,外接5V的太阳能板,在阳光充足时,给外接的3.7V锂电池充电。


Data Logger

TinkerNode将多余的Falsh空间转化为一个8MB大小的U盘,可以进行数据的离线存储。在本次项目中,为了避免网络连接不稳定导致数据丢失的情况,我们就可以在数据上传到云端时,将数据同时备份在TinkerNode的板载U盘中。


2. 阿里云平台配置


新建项目

和之前的教程相同,我们首先需要在阿里云平台中新建一个项目,然后为项目创建产品和设备,配置产品自定义功能(物模型)。
在物联网平台的页面左侧,选择IoT Studio -> 项目管理,点击新建项目,新建一个空白项目,项目名称为“水质监测”,如下图所示。

202003104645..png

创建完成后,我们会进入“水质监测”项目的管理页面,如下图所示。

202003108506..png

新建产品

在项目管理页面左侧的功能栏点击产品,在弹出的产品页面中选择新建产品,如下图所示。


202003105679..png

产品的名称填写“KnowFlow”,所属品类选择“自定义品类”,其他选项默认,如下图所示。

202003105743..png

完成后点击保存,此时已经在项目下创建了一个名为“KnowFlow”的新产品。

功能定义

接下来,我们需要为产品添加功能,也叫作定义产品的“物模型”,物模型创建的过程就是通过协议描述产品的功能,定义产品有几组传感器数据,有什么控制功能,数据的类型是什么。
点击“KnowFlow”产品后的查看,进入产品的管理页面,如下图所示。


202003106773..png

选择功能定义 -> 自定义功能 -> 添加自定义功能 ,如下图所示

202003108530..png


本次项目中,需要采集温度、pH以及TDS三种水质参数,另外还需要采集电池电量的百分比,所以我们需要创建四个自定义功能(物模型),相关设定参数按照下表填写:


序号功能名称 标识符数据类型 取值范围 步长 单位
1 温度Tempfloat(单精度浮点型) -40~55 0.1 摄氏度
2 pH值PH float(单精度浮点型)0~140.1
3 TDS值Tds int32(整数型) 0~1000 1 百万分率/ppm
4 电池电量Precentage int32(整数型)0~100 1 百分比/%



创建完成后,产品的功能定义界面效果如下图所示。


202003106188..png

新增设备

完成了产品的功能定义之后,接下来我们为产品建立一个设备,这样我们就可以将由TinkerNode搭建的水质监测设备连接到阿里云平台了。
在项目管理页面左侧的功能栏点击设备,在弹出的设备页面中选择新增设备,如下图所示。


202003108238..png

在弹出的窗口中,产品选择“KnowFlow”,添加方式选择自动生成,设备数量填写1,点击提交,创建完成后如下图所示。


202003104080..png

3. 硬件相关配置

硬件连接


KnowFlow(Lite)V2.jpg

按照上图进行硬件连接。Ps:如果该图看不清楚,可以到帖子最下方下载附件查看。

pH计校准

本次项目中使用到了
Gravity:模拟pH计,按照产品wiki,我们需要进行校准操作。

pH使用注意事项:
请使用外接开关电源,使电压尽量接近+5.00V,电压越准,精度越高!
电极在每次连续使用前均需要使用标准缓冲溶液进行校正,为取得更正确的结果,环境温度最好在25℃左右,已知PH值要可靠,而且其PH值愈接近被测值愈好。如您测量的样品为酸性,请使用pH4.00的缓冲溶液对电极进行校正,如果您测量的样品为碱性,请使用pH9.18缓冲溶液对电极进行校正。分段进行校准,只是为了获得更好的精度。
pH电极每测一种pH不同的溶液,都需要使用清水清洗,建议使用去离子水清洗。
为保证测量精度,建议使用校准液对pH计定期校准,以防止出现较大误差。一般半年校准一次,如果测量的溶液中含有较多杂质,建议增加校准次数!

pH计的校准步骤:
(1)将各个设备按照图示方式连接,即:pH电极连接到pH meter电路板的BNC接口,然后用模拟连接线,将pH meter电路板连接到Arduino主控器的模拟口2。对Arduino主控器供电后,可以看到pH meter电路板的蓝色指示灯变亮。
(2)对Arduino主控器烧写校准样例代码。



[C] 纯文本查看 复制代码
#define SensorPin 0            //pH meter Analog output to Arduino Analog Input 0
#define Offset 0.00            //deviation compensate
#define LED 13
#define samplingInterval 20
#define printInterval 800
#define ArrayLenth  40    //times of collection
int pHArray[ArrayLenth];   //Store the average value of the sensor feedback
int pHArrayIndex=0;    
void setup(void)
{
  pinMode(LED,OUTPUT);  
  Serial.begin(9600);  
  Serial.println("pH meter experiment!");    //Test the serial monitor
}
void loop(void)
{
  static unsigned long samplingTime = millis();
  static unsigned long printTime = millis();
  static float pHValue,voltage;
  if(millis()-samplingTime > samplingInterval)
  {
      pHArray[pHArrayIndex++]=analogRead(SensorPin);
      if(pHArrayIndex==ArrayLenth)pHArrayIndex=0;
      voltage = avergearray(pHArray, ArrayLenth)*5.0/1024;
      pHValue = 3.5*voltage+Offset;
      samplingTime=millis();
  }
  if(millis() - printTime > printInterval)   //Every 800 milliseconds, print a numerical, convert the state of the LED indicator
  {
        Serial.print("Voltage:");
        Serial.print(voltage,2);
        Serial.print("    pH value: ");
        Serial.println(pHValue,2);
        digitalWrite(LED,digitalRead(LED)^1);
        printTime=millis();
  }
}
double avergearray(int* arr, int number){
  int i;
  int max,min;
  double avg;
  long amount=0;
  if(number<=0){
    Serial.println("Error number for the array to avraging!/n");
    return 0;
  }
  if(number<5){   //less than 5, calculated directly statistics
    for(i=0;i<number;i++){
      amount+=arr;
    }
    avg = amount/number;
    return avg;
  }else{
    if(arr[0]<arr[1]){
      min = arr[0];max=arr[1];
    }
    else{
      min=arr[1];max=arr[0];
    }
    for(i=2;i<number;i++){
      if(arr<min){
        amount+=min;        //arr<min
        min=arr;
      }else {
        if(arr>max){
          amount+=max;    //arr>max
          max=arr;
        }else{
          amount+=arr; //min<=arr<=max
        }
      }//if
    }//for
    avg = (double)amount/(number-2);
  }//if
  return avg;
}


(3)将pH电极插入到pH值为7.00的标准溶液中,或者直接短接BNC接口的两个输入,打开Arduino IDE的串口监视器,可以看到当前打印出的pH值,误差不会超过0.3。记录下此时打印的值,然后与7.00相比,记录此时的差值,在后续的步骤中,需要把差值修改到程序中的Offset处(差值 = 标准值(7.0) - 打印值)。比如,打印出的pH值为6.88,则差值为0.12,则在样例程序中把#define Offset 0.00改成#define Offset 0.12。

(4)将pH电极插入pH值为4.00的校准液中,等待一分钟后,调整增益电位器,使打印出的pH值尽量稳定在4.00左右。此时,酸性段校准已经完成,您可以测试酸性溶液的pH值。
注意:测量其他溶液时,必须清洗电极。
(5)依靠pH电极自身的线性特性,经过以上的校准,可以直接测量碱性溶液的pH值,但如果您想获得更好的精度,建议重新校准。碱性段校准采用pH值为9.18的标准液,同样是调节增益电位器,使之稳定在9.18左右。经过校准,此时您可以测量碱性溶液的pH值了。


代码调试

下载附件中的库文件,安装至Aruidno IDE中。点击查看如何安装库文件?
下载附件NB_Project2.ino,打开项目代码,根据阿里云的配置和pH计的校准参数,修改代码中对应的参数。

①阿里云相关配置
需要将阿里云中的配置信息,在代码中做对应的修改。

在设备页面查看设备证书信息,填写在代码中对应位置。
202003101358..png

[C] 纯文本查看 复制代码
//配置证书信息
String ProductKey = "Your_Product_Key";
String ClientId = "12345";
String DeviceName = "Your_Device_Name";
String DeviceSecret = "Your_Device_Secret";



在产品页面查看功能标识符,填写在代码中对应位置。

202003109322..png

[C] 纯文本查看 复制代码
//配置产品标识符
String TempIdentifier = "Your_Temp_Identifier";
String PHIdentifier = "Your_ph_Identifier";
String TDSIdentifier = "Your_TDS_Identifier";
String GaugeIdentifier = "Your_batGauge_Identifier";



在设备管理页面,查看物模型topic信息,填写在代码中对应位置。

202003104454..png

[C] 纯文本查看 复制代码
//需要发布和订阅的TOPIC
const char * subTopic = "Your_sub_Topic";//****set
const char * pubTopic = "Your_pub_Topic";//******post




②ph计校准数据配置
将刚刚校准时记录的offset参数,填写至下列代码中。比如,打印出的pH值为6.88,则差值为0.12,则在样例程序中把#define Offset 0.00改成#define Offset 0.12。


[C] 纯文本查看 复制代码
#define Offset 0.00            //deviation compensate


该行代码位置如下图所示。

202003101615..png

③低功耗唤醒时间配置
项目使用了低功耗的功能,可以通过调整代码中的参数,修改设备的唤醒时间。

[C] 纯文本查看 复制代码
//#define TIME_TO_SLEEP_SECOND  10         /* Time ESP32 will go to sleep (in seconds) */
#define TIME_TO_SLEEP_MINUTE  5         /* Time ESP32 will go to sleep (in mimutes) */


低功耗唤醒间隔设置有两种模式,分别是分钟设置和秒设置。样例中使用的是分钟模式,默认设定时间为5分钟。为了方便测试,大家可以任意修改。

该代码位置如下图所示。

202003107366..png

全部配置完成后,将代码上传至TinkerNode物联网开发板中,就可以在阿里云平台上查看相应的数据信息了。












NB_Prj2.ino

14.03 KB, 下载次数: 117

NB_Prj2_libs.zip

168.11 KB, 下载次数: 112

硬件连接图.zip

2.55 MB, 下载次数: 92

2.户外水质监测项目教程大纲.pdf

293.18 KB, 下载次数: 104

youjingisland  见习技师

发表于 2020-4-21 14:45:22

回帖奖励 +5 创造力

非常详细,棒
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Ken仔  见习技师

发表于 2020-6-8 11:54:08

回帖奖励 +5 创造力

辛苦了作者
终于有一个详细的教程!!!
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njbinbin  学徒

发表于 2020-6-9 03:23:54

回帖奖励 +5 创造力

我就想知道这么多设备,靠一块5V太阳能板能带得动吗?连续几天阴雨天是很正常的,电源管理怎么解决?断电了,遇到晴天电池恢复充电后,是否能自动重启?否则这么个监测系统放在野外三天两头去维护吗。。。
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hellonhy  见习技师

发表于 2020-6-23 15:42:57

回帖奖励 +5 创造力

njbinbin 发表于 2020-6-9 03:23
我就想知道这么多设备,靠一块5V太阳能板能带得动吗?连续几天阴雨天是很正常的,电源管理怎么解决?断电了 ...

可以每半个小时获取一次数据。甚至更长。
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