Funpack第二季第三期任务一基于FireBeetle ESP32-E水质检测物联网系统

一 .FireBeetle ESP32-E硬件介绍

       FireBeetle是一个高性能且更mini的Arduino开源开发板系列，现在FireBeetle不仅完全兼容arduino的开发环境，并且拥有更丰富的软硬件资源,它将支持makecode、Mind+、pinpong、MicroPython的开发环境（即将完善），无论是图形化编程、C语言、python编程还是JS编程都可以随心所欲的操作硬件。

FireBeetle ESP32-E是一款基于ESP-WROOM-32E双核芯片的主控板，它专为IoT设计。

它的主要特性如下

• DFRobot FireBeetle V2系列兼容，体积小巧仅25.4 × 60 mm
• ESP32双核低功耗主控，WiFi+BT4.0二合一
• GDI显示接口，单线连接显示屏
• 板载充电电路以及PH2.0锂电池接口

详细参数如下

• 工作电压：3.3V
• 输入电压：3.3V~5.5V
• 支持低功耗：10uA
• 支持最大放电电流：600mA@3.3V LDO
• 支持最大充电电流：500mA
• 支持USB充电
• 处理器：Tensilica LX6双核处理器（一核处理高速连接；一核独立应用开发）
• 主频：240MHz
• SRAM：520KB
• Flash：4MB
• Wi-Fi标准：FCC/CE/TELEC/KCC
• Wi-Fi协议：802.11 b/g/n/d/e/i/k/r (802.11n，速度高达150 Mbps)，A-MPDU和A-MSDU聚合，支持0.4us防护间隔
• 频率范围：2.4~2.5 GHz
• 蓝牙协议：符合蓝牙v4.2 BR/EDR和BLE标准
• 蓝牙音频：CVSD和SBC音频低功耗：10uA
• 工作电流：80mA（平均）
• 频率范围：2.4~2.5GHz
• 支持Arduino一键下载
• 支持micropython
• 片上时钟：40MHz晶振、32.768KHz晶振
• 数字I/O x10（arduino默认）
• 模拟输入 x5（arduino默认）
• SPI x1（arduino默认）
• I2C x1（arduino默认）
• I2S x1（arduino默认）
• RGB_LED：5/D8
• 接口方式：FireBeetle V2系列兼容
• 工作温度：-40℃~+85℃
• 模块尺寸：25.4 × 60(mm)
• 安装孔尺寸：M2安装孔 孔径2.0mm

外观指示图和引脚布局如图1所示。

图.1

• Type-C： USB接口：4.75v-5.5v
• PH2.0锂电池接口：3.5-4.2v
• 2/D9 LED灯：使用2/D9引脚控制的LED灯
• 充电指示灯：指示充电方式的红色LED，通过三种方式指示充电状态：1、充满电或未充电时熄灭2、充电时常亮3、USB供电，未连接锂电池时高频闪烁
• RST复位引脚：单击复位按钮，将程序复位
• 5/D8 WS2812指示灯：使用5/D8引脚控制的WS2812RGB灯珠
• 低功耗焊盘：此焊盘专为低功耗设计，默认为连接状态，使用小刀轻轻刮断中间的细线即可断开，断开后可降低500μA静态功耗，通过程序控制主控进入睡眠模式后可将功耗降低至13μA。注意：焊盘断开后仅USB方式供电可驱动RGB灯
• GDI显示接口：DFRobot专用显示屏接口，详情后文GDI显示接口
• ESP32模组：乐鑫公司推出的最新ESP32-E模组
• 按钮：连接27/D4 的按钮

二.开发环境搭建

1. FireBeetle ESP32-E的开发环境主要有Arduino IDE和Micropython我这里使用的是arduino 的开发环境，开发环境的搭建参考了官方文档。首先是驱动的安装，将设备连接至PC，打开设备管理器为设备安装 FTDI驱动 。
2. 在Arduino官网安装arduino。
3. 库文件的安装，打开 Arduino IDE,选择 文件->首选项->设置如图2所示

图.2

4.将http://download.dfrobot.top/FireBeetle/package_DFRobot_index.json复制到 附加开发板管理器。

5.选择 工具->开发板:->开发板管理器...在新弹出的对话框中,输入并搜索 FireBeetle ESP32-E,点击安装到此Arduino的开发环境配置完毕。

三.任务说明和软件编写

我这里选择的是任务1详细内容如下

任务一：水质监控系统
用FireBeetle ESP32-E开发板作为控制单元，观察养殖水质参数（温度/浊度/tds/pH值/电位/溶解氧中两项指标以上）的变化，并能把数据上传到IoT网站上，可实时动态显示监测水质的变化情况。

所需器件：

• FireBeetle ESP32-E一套
• 温度传感器DS18S20
• 浊度传感器SEN0189

根据题目要求，我所实现的是FireBeetle ESP32-E开发板作为控制单元把水质的温度和浊度进行采集，通过WIFI把数据传输到阿里云的IOT的平台上，进行实时监控。

软件部分

使用Arduino进行编写程序，程序主要包括温度传感器模块的初始化、WIFI模块和阿里云物联网平台初始化。

温度传感器模块的初始化以及温度获取程序如下

/*DS18S20引脚*/
const int DS18S20_Pin = 3;//扩展版0，对应板子D3
OneWire ds(DS18S20_Pin);  // on digital pin 2
//温度获取函数
float getTemp(){
      //returns the temperature from one DS18S20 in DEG Celsius

      byte data[12];
      byte addr[8];

      if ( !ds.search(addr)) {
          //no more sensors on chain, reset search
          ds.reset_search();
          return -1000;
      }

      if ( OneWire::crc8( addr, 7) != addr[7]) {
          Serial.println("CRC is not valid!");
          return -1000;
      }

      if ( addr[0] != 0x10 && addr[0] != 0x28) {
          Serial.print("Device is not recognized");
          return -1000;
      }

      ds.reset();
      ds.select(addr);
      ds.write(0x44,1); // start conversion, with parasite power on at the end

      byte present = ds.reset();
      ds.select(addr);
      ds.write(0xBE); // Read Scratchpad


      for (int i = 0; i < 9; i++) { // we need 9 bytes
        data[i] = ds.read();
      }

      ds.reset_search();

      byte MSB = data[1];
      byte LSB = data[0];

      float tempRead = ((MSB << 8) | LSB); //using two's compliment
      float TemperatureSum = tempRead / 16;

      return TemperatureSum;

    }

WIFI模块和阿里云物联网平台初始化程序如下

*配置WIFI名和密码*/
const char* WIFI_SSID = "TP-LINK_900F";
const char* WIFI_PASSWORD = "cxd12345";

/*配置设备证书信息*/
String ProductKey = "hrg0EoTy4t4";//DS18S20设备ProductKey
String ClientId = "12345"; /*自定义ID*/
String DS18S20_DeviceName = "firebeetle";//温度传感器
String DS18S20_DeviceSecret = "1fd0df31a0946620d6f1b13faa89e351";

/*配置域名和端口号*/
String ALIYUN_SERVER = "iot-as-mqtt.cn-shanghai.aliyuncs.com";
uint16_t PORT = 1883;

/*需要操作的产品标识符*/
String TempIdentifier = "temperature";
String NTUIdentifier="zd_val";

/*需要上报TOPIC*/

const char* pubTopic = "/sys/hrg0EoTy4t4/firebeetle/thing/event/property/post";  //******post

DFRobot_Aliyun myAliyun;
WiFiClient espClient;
PubSubClient client(espClient);


void connectWiFi() {
  Serial.print("Connecting to ");
  Serial.println(WIFI_SSID);
  WiFi.begin(WIFI_SSID, WIFI_PASSWORD);
  while (WiFi.status() != WL_CONNECTED) {
    delay(500);
    Serial.print(".");
  }
  Serial.println();
  Serial.println("WiFi connected");
  Serial.print("IP Adderss: ");
  Serial.println(WiFi.localIP());
}

/*灯的callback
void callback(char* topic, byte* payload, unsigned int len) {
  Serial.print("Recevice [");
  Serial.print(topic);
  Serial.print("] ");
  for (int i = 0; i < len; i++) {
    Serial.print((char)payload[i]);
  }
  Serial.println();
  StaticJsonBuffer<300> jsonBuffer;
  //arduino json5
  JsonObject& root = jsonBuffer.parseObject((const char*)payload);
 // DeserializationError root = deserializeJson(jsonBuffer, payload);
//arduino json5
  if (!root.success()) {
    Serial.println("parseObject() failed");
    return;
  }  
  const uint16_t LightStatus = root["params"][Identifier];
  //if (root)
 // {
  // / //  return;
  //} 
//const uint16_t LightStatus = root["params"][Identifier];
  if (LightStatus == 1) {
    openLight();
  } else {
    closeLight();
  }
  String tempMseg = "{\"id\":" + ClientId + ",\"params\":{\"" + Identifier + "\":" + (String)LightStatus + "},\"method\":\"thing.event.property.post\"}";
  char sendMseg[tempMseg.length()];
  strcpy(sendMseg, tempMseg.c_str());
  client.publish(pubTopic, sendMseg);
}
*/
//温度的callback
void callback(char * topic, byte * payload, unsigned int len){
  Serial.print("Recevice [");
  Serial.print(topic);
  Serial.print("] ");
  for (int i = 0; i < len; i++){
    Serial.print((char)payload[i]);
  }
  Serial.println();
}
void ConnectAliyun() {
  while (!client.connected()) {
    Serial.print("Attempting MQTT connection...");
    /*根据自动计算的用户名和密码连接到Alinyun的设备，不需要更改*/
    if (client.connect(myAliyun.client_id, myAliyun.username, myAliyun.password)) {
      Serial.println("connected");
     // client.subscribe(subTopic);
    } else {
      Serial.print("failed, rc=");
      Serial.print(client.state());
      Serial.println(" try again in 5 seconds");
      delay(5000);
    }
  }
}
void setup() {
  Serial.begin(115200);
  //pinMode(BEDROOD_LIGHT, OUTPUT);

  /*连接WIFI*/
  connectWiFi();

  /*初始化Alinyun的配置，可自动计算用户名和密码*/
  myAliyun.init(ALIYUN_SERVER, ProductKey, ClientId, DS18S20_DeviceName, DS18S20_DeviceSecret);

  client.setServer(myAliyun.mqtt_server, PORT);

  /*设置回调函数，当收到订阅信息时会执行回调函数*/
  client.setCallback(callback);

  /*连接到Aliyun*/
  ConnectAliyun();


}

最后是主循环，循环读取水的温度和浊度数据上传到阿里云平台上详细程序如下

void loop() {
  if (!client.connected()) {
    ConnectAliyun();
  }
  int sensorValue = analogRead(A0);// read the input on analog pin 0:
  float voltage = sensorValue * (5.0 / 2200.0); // Convert the analog reading (which goes from 0 - 1023) to a voltage (0 - 5V):
  float temp=0;
  float zd_val=0;
  //浊度换算
  if(voltage<2.5)
  {
      zd_val=3000;    
  }
  else
  {
    
    temp=-1120.4*voltage*voltage+5742.3*voltage-4352.9;
    zd_val=temp<0?0:temp;
  }

  float temp_val=getTemp();
  Serial.println(zd_val); // print out the zd_val
  Serial.println(temp_val); // print out the temp_val
  client.publish(pubTopic,("{\"id\":"+ClientId+",\"params\":{\""+TempIdentifier+"\":"+temp_val+",\""+NTUIdentifier+"\":"+zd_val+"},\"method\":\"thing.event.property.post\"}").c_str());
  delay(500);
  client.loop();
}

四.结果与总结

4.1结果

板子连接上电脑后，打开Arduino软件，打开串口监视器串口波特率设置为115200，打开阿里云IOT平台，可以观察到温度和浊度数据实时的显示如图3所示。详细的演示过程在视频中。

图.3

4.2总结

很高兴参加硬禾学堂举办的Funpack第二季第三期的活动，学习了FireBeetle ESP32-E使用，温度和浊度传感器的使用，以及阿里云平台的使用，同时更加熟悉了arduino的使用。