🎈 Public Lab: KnowFlow NB-IoT version

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。

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，会在近期更新。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

选择功能定义 -> 自定义功能 -> 添加自定义功能，如下图所示。

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| Temp| float(单精度浮点型)| -40~55| 0.1| 摄氏度| | 2| pH值| PH| float(单精度浮点型)| 0~14| 0.1| 无| | 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。

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。

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。

3. 硬件相关配置

硬件连接

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wikipH_meter_pH%E8%AE%A1)，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 = 3.5voltage+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。

[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。

[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。

[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。

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。

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。

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