Behind the project…
我是最近一段時間才開始摸索 IoT 生態的，是興趣；但相對我過去的工作經驗，應該是算是業餘的嘗鮮族。然後，發現雖然不是電子背景出身要動動手當個【創客】好像不是件太困難的事。於是，我跟在智慧家電領域的同學 Harvey 聊了這個想法，他毫不考慮了丟了個 Arduino 套件讓我嘗試。這真是有趣的世界，我好像可以去做一些事，一些以前不認為可以獨力幹的事。這也開始了我的創客生活。
回到我那個搞智慧家電的同學 Harvey，在玩弄他丟給我的 Arduino 一段間後，有一天他又問我說能不能搞個空氣品質觀測的應用，因為… 有這個需求。聽起來很有趣，於是有了這個 project 的想法。
他說就很簡單，弄個空氣品質感測器，然後把測得的數據顯示出來，然後…
最好可以把數據資料給保存起來 (Database/Cloud?)
最好可以把數據資料整理再呈現 (Analysis and vistualization?)
最好可以透過不同的介面被呈現 (LCD/TFT/Web/App?)
最好可以盡可能地把體積小型化 (7688/Duo?)
最好可以把整體費用壓到最便宜 (Arduino+Wifi or 7688/Duo?)
最好可以… 明天醒來這一切都實現了。
Arduino 讓很多創客可以輕易的踏出第一步，而且獲得成就感。
但是隨著想法和功能越趨複雜，就發現 Arduino 開發板好像要疊的積木更多，要寫的 sketch code 更長，然後 Flash Rom 的 size 好像也開始不夠用了。於是，我開始尋找具備相當整合性的開發板：我想至少幫我把網路(Ethernet 或 Wifi 都好)整合在開發板吧，或至少讓我除了有 Arduino C 以外，還具備更有伸展性的開發環境吧(可以來點跟互聯網相關的嗎)！
我在想把這類裝置和互聯網連接上是一件有趣的事(我在講什麼！IoT 不就是為了這檔事嗎？)，事實上我很喜歡這樣的結果。
於是我幾番考慮後決定使用【LinkIt Smart 7688 Duo】。當然，其他開發板也做得到，而且功能也更強大，只是我比較背骨偏偏選擇這個新上市的薄薄的一片來玩。
事實上，因為 7688/Duo 才上市(2015.12.25)不久，網路上的資源有限，摸索 MCU 和 MPU 的互動過程中也讓我吃了不少閉門羹，畢竟我只是幾個月的創客生手，這摸索的路是必經的過程就不再多做文章了。
有感這一路學習的資源都是透過互聯網來的，很多觀念和程式技巧的養成都是分享自許多前人的貢獻，我真的很感激（鞠躬＋讚嘆）。那天跟 LASS 的哈爸在臉書訊息上聊了一下，發現除了 7688/Duo 資源的短缺著實讓很多人學習過程受挫外，開源共享的模式也還未遍地開花結果，很多成功的經驗自然無法繼續被擴充和延續。有鑑於此，既然自己是喝互聯網的奶水長大的，就也分享自己的奶水（呵）給大家吧，我決定把自己這走這一遭的經驗全部給紀錄並公開給大家參考，希望可以幫助更多初心者一路好走，ㄟ 是起步的順利一點。
Ready? Let’s Go!
有了之前一些嘗試的經驗，這次我決定要以簡潔和滿足最低功能需求的前提下去實作這個 project。
一開場就梭哈了，以下是這次硬體上我所用上的元件：
- Planter PMS3003(G3)/PMS5003(G5)
- LinkIt Smart 7688 Duo
- Grove Breakout for LinkIt Smart 7688 Duo
- Hitachi HD44780U 1602 LCD (I2C)
- DS1307 RTC(I2C)
選擇 PMS3003（或是叫 G3）的原因是有以下特點：
- 數據準確：鐳射檢測，穩定、一致性好
- 回應速度快速：使用環境變更時回應時間小於 10 秒
- 獨立運作：使用標準的通訊埠輸出量測資料
- 不須外加元件：自備風扇，不須外加。
- 分析能力高：分辨顆粒最小直徑達 0.3 微米
為了降低實作過程中硬體配置的接線複雜度(另一方面是偷懶)，我選擇搭配了 Grove Breakout for LinkIt Smart 7688 Duo 這塊擴充版來串接另外兩個 I2C 設備（用在 1602 LCD 和 RTC)；當然這不是必要的，你也可以有另外兩個替代方案：
- 如果想降低成本或是先做開發測試，可以使用麵包板(breadboard)用杜邦線來處理配線。
- 如果想簡化整個硬體的體積，可以考慮剪裁一張適當的PCB來焊接處理配線。
接下來的步驟就像玩樂高積木一樣，請把它們組合起來。
- 7688/Duo 開發板直接對準腳位插上 Grove Breakout就可以。
- 另外 LCD 和 RTC 因為都是選用 grove I2C 規格，也直接插上去 Grove Breakout 就可以。
- 加工(1)，因為 PMS3003 的排線是 Molex 1.25mm 8P 的規格，為了方便和開發板那端接，我自己裁了一小塊PCB然後把這8條線焊上標準的 2.54mm 排插（參考附圖)。
- 加工(2)，非必要，請視實際情況參考，因為我選用LCD元件供電是5v，另外 PMS3003 的供電也是 5v，但是開發板上的 5v 只有一個插槽，我就直接利用加工(1)裁的那塊PCB焊上一條5v共腳的單排插，把所有要用到5v的供電的元件都一起接過來，然後再接一條線過去開發板上的5v。
- 非必要，請視實際情況參考，把LCD元件的 VCC/5v 改接到PCB 剛剛焊的 5v 共腳排插。
- 參考 PMS3003 的 datasheet 把: PIN(1) VCC/5v 接到 PCB 剛剛焊的 5v 共腳排插。
- 參考 PMS3003 的 datasheet 把: PIN(2) GND 接到開發板的 GND 端。
- 參考 PMS3003 的 datasheet 把: PIN(4) RXD 接到開發板的 D10 端。
- 參考 PMS3003 的 datasheet 把: PIN(5) TXD 接到開發板的 D09 端。
PMS3003 PIN out
PMS3003 G3 PM2.5 粉塵感測器接腳圖。資料出處：https://www.dfrobot.com/wiki/index.php?title=PM2.5_laser_dust_sensor_SKU:SEN0177
8 Pin 接腳和 5v共腳排插加工PCB
整體實物佈線配置(由於我還沒有整理線路，所以圖片凌亂的線路傷眼睛請不要怪我)
另外圖中配線有一大把接到 LCD 的原因是那塊 LCD 和 I2C 控制晶片模組是我分開買自己再用杜邦排線焊接的，直接選購帶I2C控制晶片模組的 1602 LCD 省事多了，又免掉一堆線路。
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Plan for the software architecture
接下來我們可以開始來聊聊程式架構和佈局了。
但是，在此之前我想先借用 Linkit Smart 7688 Duo Developers’ Guide 上面的一張圖片來引導7688/Duo程式架構可能的方式有哪些，以及我選擇用什麼模式來開發。
如果你選擇了 Linkit Smart 7688 Duo 這個開發板，你應該（或許）知道這個板子上面比 Linkit Smart 7688 多了一顆 ATMega32u4 MCU 晶片。這意味著兩件事，（１）你可以在 7688/Duo 上面實現大部分 Arduino(UNO) 可以做的事。（２）你的軟體開發模式可以有更多元的模式，如上圖（右）揭露的三種方式。
我的開發模式選擇第二種模型，也就是預設的方法，因為在這裡我不需要 MPU 下任何溝通指導給 MCU，單單僅要用它丟過來的資料即可：
我的想法是，既然開發板同時有 MPU(MT7688) 和 MCU(ATMega32u4)，那麼就讓兩顆晶片分工做他們擅長的事吧；也就是對sensors 讀取資料的事完全交給 MCU 做，讀到的資料透過內部 Serial Port 協定傳給 MPU，然後所有邏輯處理和聯網作業就交給 MPU。以上理由是我自己掰的，不管有沒有道理聽聽就好，重點他真的可以跑得動（初心者，我好感動！）。
接下就是整體的架構規劃了，我把整個實作又再切成兩大塊，第一部分是純粹發生在 Linkit Smart 7688 Duo 身上的程式，這也是我會多著墨的地方，以及第二部分是在網頁呈現的部分這部分就偏離 7688/Duo 的探討範圍，我會僅就 UI 的呈現說明，不細究程式的撰寫。
在 Linkit Smart 7688 Duo 上面運行的程式分 MCU 端以及 MPU 端的工作，我們可以用兩隻獨立的程式來滿足不同的功能需求：
- MCU 主要的工作有3件事，（１）讀取 sensors 資料，（２）把讀取到的 sensors 資料顯示在 LCD，（３）打包 sensors 資料給 MPU
- MPU 的工作有就只有一件事，把收到來自 MCU 的 sensors 資料寫入資料庫。
在資料保存和網頁呈現端有兩種可以選擇，就端看你熟悉怎樣的程式技巧了。如果熟 PHP 可以考慮用第一種，如果非常懂Node.js 可以走第二種方法。我比較偷懶，用第一種架構(PHP)來實作資料保存。
MCU(ATMega32u4) side programming
MCU 程式下載 (.ino)
我要說好在 7688/Duo 用的 MCU 是和 Arduino(UNO) 相同的 ATMega32u4 晶片，所以我們可以把 Arduino IDE 開發的那套經驗，完全套用在這裡甚至不用修改程式碼（我試過了，移植性是 100%）。有關 Arduino IDE 的環境操作就請自己練習了，我唯一要提醒的是：請務必記得依照 Linkit Smart 7688 Duo Developer’s Guide 把 Arduino IDE 的開發板環境設定成 7688/Duo 啊～ 不然你的紅色錯誤訊息會一直出現…
我們直接切入主題，上面說我們規劃的時候，就只打算讓 MCU 負責以下3件事：
- （１）讀取 sensors 資料
- （２）把讀取到的 sensors 資料顯示在 LCD
- （３）打包 sensors 資料給 MPU
（１）讀取 sensors 資料
RTC時間的讀取 和 LCD 資料的顯示應該算超簡單的練習，相信直接看 sketch code 就可以懂，這裡就不贅述了。我們直接來看 PMS3003 (G3) 這顆 sensor 的參數特性：
首先，它可以採樣測定的空氣懸浮微粒有三種規格 0.3-1.0um/1.0-2.5um/2.5-10um，也就是說我們可以拿到 PM1.0/PM2.5/PM10 的測定資料(ug/m3)。而且PMS3003 的 datasheet 寫到他有兩套檢定空氣品質濃度的方法，分別是可以獲得「大氣環境下」和「標準顆粒物」兩組資料值，所以程式裡面每一次從 sensor 那邊得到的資料就會有２組，６個測定值。（這裡我會在意的是「大氣環境下」測得的這組）
這裡我要補充說明的是，範例裡面使用程式去讀取 PMS3003 資料那段邏輯在網路上有多種不同的實作（讀到的資料值都相同啦），我是參考一個程式寫的很簡潔的網友的(雖然他的方法也偷懶少做了checksum)，如果看不懂建議您直接看一下 PMS3003 的 datasheet。或是參考下面這另一個出處的邏輯：https://www.dfrobot.com/wiki/index.php?title=PM2.5_laser_dust_sensor_SKU:SEN0177
再來，它的資料介面使用標準序列阜(Serial port baudrate: 9600; Parity: None; Stop Bits: 1; packet length is fixed at 24 bytes.)讀取，從PIN(4)和PIN(5)接腳可以和他溝通 (RX/TX)。這裡有個注意的地方，如果我們直接以 Arduino 的 Serial1 類別去讀取 RX/TX 將會有問題。原因是 7688 把預設的第一組 UART(D0/D1) 保留給 MCU 和 MPU 的溝通使用，所以把 PMS3003的 RX/TX 插上 7688/Duo 的 D0/D1 是讀不到資料的，請記得預設情況下在 7688/Duo 裡面，Serial1是MCU丟資料給MPU的通道口。
我使用另一個替代方法即用 SoftwareSerial() 類別去實作 serialport 和他溝通，這個方法可以選用 7688/Duo 上面有限定可用的數位腳位去指定(RX/TX)。所以記得程式一開始必須把SoftwareSerial.h 這句宣告(#include)包含進來。
（２）打包 sensors 讀取的資料
在這裡我選用 JSON 資料格式來打包 PMS3003 讀取到的資料和 DS1307 RTC 得到的日期和時間。所以在程式裡面一開始就會看到關於 ArduinoJson.h 宣告(#include)就是這個原因。
這裡我舉一個採集到的資料，他被包成 JSON 格式後的範例給大家參考：
{
"sensor": "PMS3003",
"date": "2016-03-13",
"time": "05:34:11",
"pm010_TSI": "07",
"pm010_ATM": "07",
"pm025_TSI": "10",
"pm025_ATM": "10",
"pm100_TSI": "16",
"pm100_ATM": "16"
}
資料名稱 _ATM 指的就是「大氣環境下」方法測得的數據。
資料名稱 _TSI 指的就是「標準顆粒物」方法測得的數據。
接下來打包完的 JSON 資料，就是要把資料往 MPU 送。
之前寫個這一段，後來我重新看過程式，發現 FIRMATA protocol 只被我宣告，但是在我的 code 裡面宣告後一直沒有使用（因為我發現那個是我移植另一個測試用的），所以下面粉紅色這塊注釋裡面，我把之前 sketch code 裡面這兩行給直接刪除掉（程式已經更新了）。
Firmata.h 的宣告那行(#include)
Firmata.begin(Serial1);
設定MCU/MPU溝通(Serial Port) 的 Baud Rate Rate = 57600，然後把打包的 JSON 資料物件(這裡的範例是 Jasonroot)直接寫進去 Serial1即可：
Serial1.begin(57600);
Jasonroot.printTo(Serial1);
最後我們把範例程式 compiler 完 upload 到 7688/Duo 板子後，打開 Arduino IDE 的 Serial Monitor 觀看執行結果，應該會如同下圖所示。
LCD 端的顯示應該如下圖：
補充說明，程式中設定每隔 10 秒 (10,000 ms) 去讀取 sensors 資料一次。
MPU(MT7688AN) side programming
MPU 程式下載 (.js)
我們複習一下，在這個設定好的故事裡面 MPU 的工作有就只有一件事，把揭開來自 MCU 的 sensors 資料寫入資料庫。
當我們把 MCU 的 sketch 給 upload 後，sensor 所讀到的值經包裝成 JSON 後將會源源不絕的被送到 Serial1。既然我們知道源頭的水進入 Serial1 這條水管後，我就可以在另一頭接水使用了，MPU 的工作就從接水開始。
MPU 端的程式我選擇用 Node.js 來實作，好處就是他已經是出廠就安裝好的開發環境，不用自己去煩心安裝主程式和相關套件的問題。
在 Node.js 中先宣告一個序列阜 serialport 的物件 ==> var com = require(“serialport”);
把這個序列阜物件設定以 Baud Rate = 57600 的速度連到 /dev/ttyS0 這個 port 串口， /dev/ttyS0 就是接水口，水源就是剛剛在 MCU 持續每隔10秒鐘寫入的 JSON 資料。
既然我們在 MCU 端包裝資料就是以 JSON 格式包裝，這裡我們就可以用 Node.js 的內建 JSON 函數把它解（parse）出來。這裡我非常簡單的檢查收到的資料是不是有無效的資料（ if (jobj.xxxxx==”undefined”)），如果有這一包資料我就不要了，直接忽略他。 當然你應用更嚴僅的方法去過濾垃圾資料，我這裡只是偷個懶，千萬別學我，不然程式執行過程是會有機會被無緣無故的垃圾操作給中斷的。
寫到這裡，當千辛萬苦的資料都到手了，現在要殺要刮就輕而易舉了，是不？（耶！下課了）在這個階段可以做的事太多了，但是以我的規劃，當MPU把資料拿到手後的下一步是寫進去資料庫存起來，我選用的辦法是，用 HTTP Client 去發動一個 PHP 程式帶必要的資料過去，然後由 PHP 處理資料建檔。
會喜歡 Node.js 的原因是，他剛好有內建 HTTP Server/Client 的服務，我只要把資料以合乎URL規範的格式編輯好再交付給 HTTP Client 去觸發執行即可。
比方說，我們用下的例子當範例：
MPU 當下收到的資料解開如下
[sensor]= PMS3003
[date]= 2016-03-13
[time]= 09:10:07
[pm010_TSI]= 10
[pm025_TSI]= 15
[pm100_TSI]= 18
[pm010_ATM]= 10
[pm025_ATM]= 15
[pm100_ATM]= 18
那我就會利用一隻位在 pm25.com 這部 web server 上面一隻已經編程好的 PHP 程式 cgi_insert_sensor_data.php 幫我做建檔資料，最簡單的 URL 字串可以寫成如下:（資料的傳遞是以 key=value 的方式用一個 & 符號串起組成）
http://pm25.com/cgi_insert_sensor_data.php?input_SID=PMS3003&input_datetime=2016-03-13T09:10:07&pm010_TSI=10&pm025_TSI=15&pm100_TSI=18&pm010_ATM=10&pm025_ATM=15&pm100_ATM=18
而當位在 pm25.com 這部 web server 上的 cgi_insert_sensor_data.php 收到後，我會把資料轉成如下 SQL 語言，然後呼叫資料庫函數寫入資料庫：
SQL Command String =INSERT INTO Resort.Weather(Sensor_Id, Sensor_Datetime, pm010_TSI, pm025_TSI, pm100_TSI, pm010_ATM, pm025_ATM, pm100_ATM) VALUES (‘PMS3003’, ‘2016-03-13T09:10:07’, 10, 15, 18, 10, 15, 18 )
這樣一來，資料建檔就可以被存放在任何有接通資料庫的互聯網主機上了。當然，如果資料庫是在近端的網域內，你可以直接考慮以 Node.js 直接寫入資料庫，而不用再維護一支遠端主機上的 cgi 程式。
實際操作方面，我假設你已經會用 SSH 遠端登錄到你的 7688/Duo ，並且會一些很基本的 Linux 指令，這是因為 7688/Duo 的 OS 是採用 Linux 近親 OpenWrt的緣故，如果你一點都不懂的話會很吃力，先找幾帖 Linux 大補帖惡補一下吧。
待 login root 後，請建立一個目錄例如:
root@mylinkit:~#mkdir app
切換到該目錄:
root@mylinkit:~#cd app
用任何拿手的 text editor 編輯一個新的文字檔如：
root@mylinkit:~/app#vi PM25_7688Duo.js
把範例程式碼貼上去，存檔後離開。
接下來我們要讓這個程式碼發生作用，必須用 node 啟動執行它：
root@mylinkit:~/app#node PM25_7688Duo.js
等個幾秒後，畫面應該就會 prompt 出一些資料，這是我把執行過程中的資料片段丟到畫面來觀測的緣故，當然這個階段程式會佔據你的控制權，您沒辦法做其他的事，事實上您也不需要在這時間做任何事，因為 node 程式正很忠實地幫你一分一秒做你要他做的事，那到底他做了什麼？我們上面的說明已經解釋過了（要終止這隻程式的獨佔模式而回到命令列可以同時按下 [control]+[c] 兩個按鍵，程式就會立即中止了）。
下面是啟動 node 程式執行的畫面截圖，可以供參考。
Data Visualisation
網頁端的資料呈現不是這個題目的範圍，我等有空在講個概念吧！
這裡我就先分享一個我初步弄出來的樣子供大家參考，各位可以構思自己的視覺呈現。
以上簡單的說明，希望對 Linkit Smart 7688 Duo 抱有期待又沒辦法突破的你有所幫助。