用7688 Duo遠端控制PM2.5偵測裝置

作者：阿海

搭給厚！哇希肉多多Ａ阿海（台語）。最近常常有 LASS 的社群夥伴問我：「我可以在自己的PM2.5偵測裝置上，加上LCD ，或者控制空氣清淨機嗎？」相信各位專業的 Maker 一定可以馬上異口同聲『有何不可！』，沒錯！有何不可呢？

只是情境上，LASS 的PM2.5偵測裝置的設置，應該是在屋頂或者是窗外，在窗外的裝置裝上一個螢幕顯示，並且還有智慧插座，要觀看數值還要跑到戶外，這樣的情境，阿海怎麼都想不通啊！阿海心中，怎麼都想放一個獨立的抬頭顯示器在室內，並且讓它默默的工作才對啊！

大多數的物聯網開發版範例，很多都是將自己的資料，上傳到一個資料平台來閱覽，或者只是透過手機操作平台，來遠端操作裝置，而這樣和 MQTT 當初提供點對點相連的概念，可能稍微有點差距。如果我們能夠在屋頂裝設感測器，在屋內放一個能夠顯示、又可以連動控制的面板，不就能解決這個問題了嗎？

剛好轟動 Maker林、驚動 Arduino板海市場的 LinkIt Smart 7688 Duo 剛上市不久，不如阿海就繼續透過這片好棒棒的開發板，結合128 x 64的 OLED，來實做一個全新的 LASS M2M節點裝置吧！以下，阿海詳述了設計和製作的過程，分享如何一步一步的完成所需要的功能。

必備物品

• Mediatek LinkItSmart 7688 Duo x1
• SSD1306相容的128 x 64 I2C OLED模組 x1

選配物品(控制空氣清淨機)

1. 5V Relay 模組  x1
2. 電力配線用一連明盒附插座  x1
3. 有插頭的多芯電線  x1

設計步驟一：分析系統架構

想要了解LASS的架構，必定要先了解MQTT，如果要把MQTT用一個簡單的說法來解釋，就是把它想成無線電台，想要跟對方互相通訊，就要轉到正確的頻道，當大家的頻道都相同時，別人廣播什麼你就聽得見了(就像收音機一般）。

而在MQTT裡面，頻道的概念就叫做「Topic」，所以想要接收來自另外一端的消息，我們就得先去訂閱你想知道的Topic，目前所有的PM2.5公開測試，都定義在「LASS/TEST/PM2.5」這一個Topic上，我得知原先哈爸是有規劃Private Topic的欄位的，但是因為陰錯陽差在Field Try釋出的版本並沒能帶上，因此想要找到自身站台的訊息，就勢必要從所有站點的訊息海裡面「撈」出來了。

設計步驟二：取得，並測試線上正在運作的各種資料

要開發和測試 MQTT，Chrome 上有一套很簡單的 App 叫做 MQTTLens，透過這個工具你可以輕鬆的在 MQTT上的頻道訂閱/發佈 訊息，來看看如何安裝並且啟動它吧！

接下來就要連上 LASS 的了，在啟動畫面後左上角 Connection 右邊，有一個「+」號，點擊後會帶出新增連線的畫面。

LASS的MQTT伺服器位址是 「gpssensor.ddns.net」，服務Port一樣是 「1883」，填寫完後點擊右下角的「Create Connection」。
填寫範例如下：

填寫完畢來訂閱主題，測試看看通訊會不會成功吧！請在對話框內輸入訂閱 Topic「LASS/Test/+」 ，然後按下「Subscribe」，如果連線成功就會如下圖這樣，畫面會顯示站台上的訊息，陸陸續續湧進。

觀察此頻道的固定格式如下：

|ver_format=3|fmt_opt=0|app=PM25|ver_app=0.7.13|device_id=FT1_004|tick=260989326|date=2016-01-21|time=06:27:23|device=LinkItONE|s_0=67852.00|s_1=100.00|s_2=1.00|s_3=0.00|s_4=662.00|s_d0=66.00|s_t0=21.40|s_h0=72.50|s_d1=81.00|gps_lat=23.284105|gps_lon=120.275816|gps_fix=1|gps_num=16|gps_alt=5

其中 ，「Device_ID 是站台編號」、「s_d0 就是PM2.5的資料欄位」、「s_d1是PM10的資料」「s_t0 為溫度的資料」、「s_h0 則是溼度的資料」，以及日期和時間，這是驗證裝置上線情形和觀察原始資料最直接的辦法了！

為了開發時方便，等等先不要訂閱主頻道，因為這樣會面對海量的訊息，所以我們來創建一個新的頻道叫「DeveloperTest」，仿照上面的格式來測試發佈訊息，並且按下「Subscribe」訂閱這個頻道後按下「Publish」發佈一段訊息，確認伺服器收送正常工作。

設計步驟三：分析開發版的資源並規劃實作方式

一說到 Linkti Smart 7688 Duo，就來複習一下它的架構：它是由兩個主要單元組成，上半部能網路連線的通訊端為 OpenWRT 系統，於500Mhz 的 MT7628 MPU 上運行，第二是 Arduino 相容的 ATMEGA32U4 在 8Mhz 的速度運行。

直觀上我們會選擇在 OpenWRT 端訂閱 MQTT，並且在海量的訊息中，找到想要特定站台傳來的資料處理好，再透過 UART 傳送到 Arduino 端，Arduino 收到 UART(Serial1) 的資料後，對這些資料進行處理，並進行相對應的控制，最後顯示在 OLED 上。

設計步驟四：於Linux端取得MQTT資料分封傳送

LASS的Github上，已經有陳伶志博士提供：MQTT資料轉送到Thingspeak的程式，只要將它進行稍微的修改就可以達到本次需要的目標了，開源專案的最大好處就是如此，站在巨人的肩膀上，輕輕一跳大家就可以到更高的地方！

為了要使用 Serial Library 和 MQTT 這兩個 library，在設備上要安裝 pyserial 和 paho-mqtt 這兩個套件，我們連線進 7688 Duo 下以下兩個指令：你可以使用 PuTTy 連線 mylinkit.local 這個位址，連線成功之後，操作安裝指令。

pip install pyserial paho-mqtt

接下來，將 lass-pm25-friend.py 這隻程式放到 7688 Duo 上，Windows上可以用SCP這套軟體來傳輸。

在Linux-like系統上，直接在Terminal 終端機程式。

scp lass-pm25-friend.py root@mylinkit.local:/root/

阿海將這隻程式修改，讓收到訂閱的MQTT Message程式部分，再加幾行代碼，使收到的資料「原封不動」，只加分行符號「’\n’」轉送下去。也許有人會疑惑，為什麼要這樣設計呢？

明明都已經正確的解析出資料了，卻不傳送已經解析過的資料，是的，這是因為：Arduino 上有許多板子可以直接支援MQTT的(訂閱/傳送)，為了未來移植到其他版子方便，阿海就將字串解析的工作交給 MCU 了。(詳細的程式碼請見 Github 上的原始碼會比較清楚)

python 程式內部有一些相關的參數可以調整，說明如下：

################################################
# Please configure the following settings for your environment

MQTT_SERVER = "gpssensor.ddns.net" #伺服器位址
MQTT_PORT = 1883 #伺服器連接阜
MQTT_ALIVE = 90 #連接Timeout的時間
MQTT_TOPIC = "LASS/Test/#" #訂閱的主題開頭 '#'代表全部的任意字串
SERIALPORT="/dev/ttyS0" #所使用的Serial port名稱
BUADRATE=57600 #LinkitSmart 7688 Duo Serial1 端的 buadrate
###############################################

接下來要執行這隻程式，指令如下：

python lass-pm25-friend.py [你的站號] [你的ThingspeakAPI key] [模式]

其中模式 0 是只使用thingspeak(原本的功能)、1是只使用Serial、2是兩種功能都使用。
執行後的畫面如下：

Trying To Connect:gpssensor.ddns.net
MQTT Connected with result code 0
Got your MQTT channel
LASS/Test/PM25|ver_format=3|fmt_opt=0|app=PM25|ver_app=0.7.13|device_id=FT1_004|tick=378198422|date=2016-01-22|time=15:01:45|device=LinkItONE|s_0=69813.00|s_1=100.00|s_2=1.00|s_3=0.00|s_4=692.00|s_d0=27.00|s_t0=20.10|s_h0=75.30|s_d1=28.00|gps_lat=23.284026|gps_lon=120.275832|gps_fix=1|gps_num=16|gps_alt=6

為了讓每次通電開機時，都能夠自動啟動這一隻程式，先將啟動語法複製好設定在 /etc/rc.local/ 之下，你必須先輸入指令：

chmod 777 /etc/rc.local
vim /etc/rc.local

並在VIM中編輯如下：

python /root/lass_pm25_friend.py [FT1_ID] [APIKEY] 2 >lasslog.out &

設計步驟五：於 Arduino 端接收 MQTT 資料字串，並取得想要的數值

完成上一個步驟之後，接下來要對 Serial 1進行測試，確保資料在傳送的過程中不會因為電路的誤差而「糟精」(台語：偏差)的疑慮，這種時候，阿海都會直接打開 Arduino IDE 中的範例 「MultiSrerialMEGA」，這個好用的工具範例，修改兩端到要使用的 Buadrate，隨即測試接收資料看看。

當確認傳來的資料是相同的之後，就開始著手撰寫通訊程式，Arduino中，剛好能夠利用String 物件輕鬆的操作字串，而MQTT訊息串並不是太大，於是就將所有的資料流存，放到字串裡面。

得到字串之後，就來設計解析字串程式，這邊要取得的有「日期」、「時間」、「溫度」、「溼度」、「PM2.5」、「PM10」這六項資料。其中前兩項並不是數字，所以撰寫一段額外的程序，來分別放置在字串變數，和浮點數陣列之中。而解析時只要找到tag的前置名稱加上「＝」號的開頭位置，以及結尾的「｜」符號，就能夠取出這段資料。

首先宣告想要截取的特徵前導字元：

#include <avr/pgmspace.h>
  const char data_datep[] PROGMEM = "date";
  const char data_timep[] PROGMEM = "time";
  const char interestValue_1[] PROGMEM = "s_d0";
  const char interestValue_2[] PROGMEM = "s_t0";
  const char interestValue_3[] PROGMEM = "s_h0";
  const char interestValue_4[] PROGMEM = "s_d1";
  const char* const interestValue[] PROGMEM = {data_datep, data_timep , interestValue_1, interestValue_2, interestValue_3, interestValue_4, };

然後尋找特徵碼的開頭，並使用 String.indexOf 定位，將所需要的部分轉換成數值，存放在浮點數陣列之中。

float sensorValue[4];
char buffer[8];

boolean onMessage(){
  Serial.println("OnMessage");
  for(int i=0;i<=data_num-1;i++){
    #ifdef BOARD_AVR
      strcpy_P(buffer, (char*)pgm_read_word(&(interestValue[i])));
    #else
      strcpy(buffer,interestValue[i]);
    #endif
   byte startpos=msg.indexOf(buffer);
   String temp =msg.substring(msg.indexOf(assigner,startpos)+1,msg.indexOf(seperator,startpos)); //From tagname after'=' to seperator'|'
   if(temp==""){
    return 0; //if failed to match tags....
    }
   if(i==0){
    data_date = temp; 
   } else if(i==1){
    data_time = temp;
   } else {
    sensorValue[i-2]=temp.toFloat();
   }
    Serial.println(temp);
  }
  return 1; // I count 2440 message/second with static process , so maybe perfomence is about 100~1000 message/s.
}

 

將這些資料印在Serial上，確認解析字串成功之後，就要準備來顯示在 128 x 64 的繪圖型 OLED 上了。

設計步驟六：打造Arduino端 OLED顯示單元

在寫文章的第一天，阿海就把 Adafruit 買來的1.3吋 OLED 打破了，於是阿海只能屈就一片 Library 相容的0.96寸模組了，這片 SSD1306 OLED 模組在 Library 內有兩種顯示模式：一種是引用內建的字型，直接給字串顯示他的做法類似 Print，而另外一種是直接讀取一段單色的byte array bm p圖檔，會一直變動的數字，必須使用字型來顯示比較省事。

而中文的部分，因為我預定只顯示幾個特定的字，因此不如直接把「字」畫成「圖」吧，有一種大家的電腦都有內建的：神人級繪圖修圖軟體「小畫家」(PTT Mobile01的人這樣稱呼的)，是產生單色點陣圖最方便的工具了！在 SSD1306 裡面，每一段 Byte Array 圖檔都有寬度8的倍數的限制，一般顯示中文的點陣字體是「16 x 15」，因此要顯示「溫度」這兩個字，我們大概需要32 x 16像素的畫框。

在小畫家裡面設定好畫框，輸入中文字：

接下來我們要將圖檔轉成ByteArray，網路上有一個免費的軟體叫「LCD Assistant」，是Adafruit推薦使用的，既然有人推，阿海就用用看，將剛剛畫好的圖檔導入，就可以產生一個內含Byte Array的檔案了，我將這個檔案另外放置在 Bitmap.c 裡面，放在相同的專案資料夾，讓IDE能夠識別，其他的文字和圖案，都是這樣如法炮製來產生圖檔，你就能在OLED上顯示這些字了，不過遺憾的是，繪圖的定位和文字模式會有一點差別，這時候只能多嘗試幾次，很快就可以對齊了。

使用Adafruit Library 顯示一段文字的程式(Arduino)

在程式燒錄進去之前，先將OLED組裝上去，他是使用I2C介面的，請將模組上SDA、SCL分別接到 7688 Duo上的 D2、D3兩腳，VCC接上3V3，GND接上GND。如使用Relay模組，GND再將線路Ｔ接出來，Relay版上的VCC再接上5V。

設計步驟七：打造Arduino端 空氣清淨機智慧插座控制單元

最後來撰寫一段簡單的控制程式，實現在空氣污染太高的時候，能夠自動啟動的空氣清淨機，一般在工程現場，最常見的控制器都是「窗型控制」的，所謂窗型控制，就是數值高到某一個界線，就會啟動機器，而要一直到啟動後產生效用，到達另一個比啟動值較低的界限，才會關閉，這樣的控制方式就稱為窗型控制，例如這邊寫入當PM2.5大於50ug/m^3 ，就讓Relay通電來啟動空氣清淨機，而啟動後要到40ug/m^3以後才會停止運作。

此外，為了預防網路連結失效時，機器運轉不停，阿海也讓程式十分鐘沒有數字更新，就得強迫關閉空氣清淨機，同時也為了避免感測器數值跳動幅度過大，也新增一個變數，來設定最短的啟動時間，才不會讓機器頻繁啟動而損壞。

使用Relay來控制的程式碼如下：

 if(logichandle){
  //Run your logic here;example give you standard windows control
  if(sensorValue[0] > ONvalue){
    digitalWrite(PINOUT,HIGH); //Turn ON
    lastOnTime =nowtime;
  }

  if(sensorValue[0] <OFFvalue && (nowtime - lastOnTime) > LEASTONTIME){
    digitalWrite(PINOUT,LOW); //Turn OFF
  }
  heartbeat =nowtime;
  //after done place logic handle 0;
  logichandle=0;  
 }

 if((nowtime - heartbeat) >MOSTONTIMME){
  digitalWrite(PINOUT,LOW); //Turn OFF Because no connection;
 }

 

然後依照大部分智慧插座的教學，進行Relay的連接和插座的組裝。

由於阿海寫完稿，又把插座拿去做別的東西了，我只能放一張它的「紀念照」了：

設計步驟八-執行結果

以上，是本專案所有的設計的思考及實作過程，希望留下這樣的紀錄，對於未來想要開發LASS應用裝置的人，會有所幫助，最後來看看完整的執行結果吧！

（本文原發表於MakerPRO，原文連結）

相關資訊

本文所有程式公開放置在：
https://github.com/LinkItONEDevGroup/LASS/tree/master/Companion-module

加入討論請到LASS社群：
https://www.facebook.com/groups/1607718702812067/

阿海特別感謝兩位社群朋友，於撰寫本文時提供協助：哈爸、陳伶志 博士

作者介紹：關於肉多多

肉多多-多肉植物科技農場為三個在物聯網公司退役的人組成，平時在雲嘉南搞工程拼經濟，下班就種多肉怡情，偶爾參展交朋友，如果你喜歡肉多多分享的文章，就到粉絲專頁點個讚吧，畢竟點讚一點都不會花你錢，還有可能讓阿海多寫幾篇文章跟大家分享喔！

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