我的M5Stack物联网开发入门和踩坑历程:基于M5STACK和ONENET

• 开发准备
• M5STACK简介
• 环境配置
• UIflow环境
• ESP-IDF环境
• 方法一
• 方法二（更推荐）
• 感知模块
• 网络连接
• Wifi链接
• NB-IOT
• HTTP通讯
• POST上传数据
• 创建流模板
• 发送请求
• Micropython用HTTP
• 使用模组交互的数据传输
• 使用HTTP的GET获取b站信息
• UIFlow的GET结构：
• 我的片上系统设计全过程
• 设计初衷
• 设计方法
• 分模块实现
• RFID控制块
• GRIVE HUB
• 使用Emoji模块做可视化
• HTTP传输块
• Wi-Fi连接块
• 二维码识别块
• K210的二维码识别
• GPS传输块
• 后记

笔者最近参加了校内的一场物联网开发竞赛，从零开始，踩坑无数，感觉很多时候事情都不像预料的一样发展，离开了美好的IDE，太多事情要在板子上一步步摸索。运行失败还好，运行成功但BUG了，简直不知道从何查起

但认识了M5Stack简单的线上系统，学习了MQTT，HTTP等数据传输方式，入门Arduino和MIrcopython等开发语言，接触ESP32的板子，感受最深的一点就是，物联网的准入门槛并没有那么高，成本也没有那么高，但这还是一片混沌未开的区域，进场者真的可以大有所为，起码方便自己的日常生活是绰绰有余的

总的来说，这次物联网入坑，值得！

阅读本文后你将收获：

• 了解M5STACK这款新兴的片上系统
• 了解这款板子的开发环境如何配置
• 掌握ONENET数据传输
• 掌握HTTP的GET方法
• 会搭建笔者前几天做的项目雏形：健康码追踪系统

开发准备

本博客作为学习物联网开发的笔记，也简单的将自己的片上系统作为例程写出来。

• ESP-IDF工具链配置：乐鑫文档
• UIflow在线IDE
• M5STACK的官方开发文档( 很全，如果你也打算使用M5STACK系列的开发板，强烈建议从此入门)
• 本博客项目的代码仓库（欢迎赏星）：https://github.com/haoruilee/M5Stack_Healthy_code_tracer

M5STACK简介

M5STACK是一款对初学者非常友好的ESP32开发板，可以用micropython和C编程，也可以用很简单的拖拽式编程，拥有庞大的官方文档，只是国内只在最近开始流行，油管和b站上都有官方的教学视频，也在常常更新，很有创造力的一个产品。

结构上主要分为Core和Unit，Core作为核心控件，Unit作为传感器采集数据。

下图图就是笔者自己做的产品雏形，中间的小屏幕是Core，作为主控,周围有GPS和RFID,摄像头等单元用来采集数据。

【设计雏形：】

由于所有的M5产品都预设了乐高块，所有你可以把他们拼在乐高模组上，油管上还有不少人用它做乐高机器人~确实是很有创意的一款产品，颜值也不错，所以笔者选择它用来开发。

环境配置

UIflow环境

在线编程地址：UIflow
前几天GIthub发布了远程编译器Codespace,可以看出远程编译确实是大势所趋，

这里不得不说Uiflow把物联网的门槛大大降低了，笔者配置ESP-IDF用了将近一天，而使用Uiflow可以免去一切环境配置的痛苦。

支持拖拽编程，可视化UI设计，自带例程，确实是良心产品。

ESP-IDF环境

方法一

笔者配置ESP-IDF工具链时，一开始是使用windows系统的工具安装器
ESP-IDF 工具安装器可在“开始”菜单中，创建一个打开 ESP-IDF 命令提示符窗口的快捷方式。本快捷方式可以打开 Windows 命令提示符（即 cmd.exe），并运行 export.bat 脚本以设置各环境变量（比如 PATH，IDF_PATH 等）

（不得不说，这个安装器的健壮性非常差！！）
安装心得：上网技巧+把系统的PATH重新检查一遍，有些卸载残余的PATH会导致玄学问题

方法二（更推荐）

宇宙第一VS code中有插件 ESPRESSIF
可以更清楚每时每刻在干什么，也更清楚出了BUG去哪里修补

感知模块

M5开发了很多环境传感器，包括温湿度，人体感应，RFID，摄像头等等，在官方开发文档上也都给出了相关例程和GIthub的源码链接

笔者自己的项目使用的是RFID、GPS和Camera模块，其中除了Camera只能用ESP-IDF编程，其他单元都支持在uiflow上在线编程，再加上，micropython确实比C++舒服太多~

网络连接

Wifi链接

M5Stack已经自己预置了wifi链接，开机就是，不过在mircopython里写起来也很简单，下面是一个范例

import network
SSID="YOUR-WIFI-NAME"
PASSWORD="YOUR-WIFI-PASSWORD"
wlan=None
s=None

def connectWifi(ssid,passwd):
  ''' 连接指定wifi '''
  global wlan
  wlan=network.WLAN(network.STA_IF)
  wlan.active(True)
  wlan.disconnect()
  wlan.connect(ssid,passwd)
  while(wlan.ifconfig()[0]=='0.0.0.0'):
    time.sleep(1)
  return True

使用mircoython的wifi模块，connect(ssid，password)，就可以进入可爱的wifi连接界面了，m5go的封装还是不错的。

NB-IOT

IOT模组需要额外配一张NB卡，某宝20就可以拿下一年500m流量，不过笔者没有继续尝试，已经有可爱的M5GO和稳定的wifi，就没探索用3G进行通讯。

HTTP通讯

接下来介绍物联网的精髓，“联网”，采集到了数据，那数据上报和传输是重中之重。
笔者觉得HTTP是最好理解，好入门的通讯协议，这里也先介绍这种方法。
建议参考视频：b站：接入中国移动ONENET平台
笔者尝试过诸如阿里云和一些外国的平台，最后发现都不如中国移动专门为物联网开发的ONENET，一来稳定，不用担心服务商跑路，而来阿里云显得太过臃肿，对入门者很不友好，最终选择了ONENET，他的HTTP封装好了很好看的数据流模板，
如：

• 位置信息可视化：
  
• 自动折线图
• 

POST上传数据

创建流模板

首先需要创建一个数据流模板，用于接收传过来的数据：

发送请求

请求方式：POST

URL:http://api.heclouds.com/devices/device_id/datapoints
其中，device_id：需要替换为设备ID

注意：ONENET默认post的数据叫datastreams，参数配置见表：

请求实例

{
    "datastreams": [{
            "id": "temperature",
            "datapoints": [{
                    "at": "2013-04-22T00:35:43",
                    "value": "bacd"
                },
                {
                    "at": "2013-04-22T00:55:43",
                    "value": 84
                }
            ]
        },
        {
            "id": "key",
            "datapoints": [{
                    "at": "2013-04-22T00:35:43",
                    "value": {
                        "x": 123,
                        "y": 123.994
                    }
                },
                {
                    "at": "2013-04-22T00:35:43",
                    "value": 23.001
                }
            ]
        }
    ]
}

使用ONENET的模拟API调用可以快速熟悉数据的模式：
其中，URL的device_id,和下面的API_key换成自己设备的，可以在设备列表找到，就可以往自己设备的数据流模板传一个值为3的value。

Micropython用HTTP

uiflow里自带了HTTP模块，但是很玄学，很难用

这里笔者用micropython自己写了一份HTTP的传输

def http_put_data(data):
 #post data into onenet
    url='http://api.heclouds.com/devices/'+DEVICE_ID+'/datapoints'
    values={'datastreams':[{"id":"temperature","datapoints":[{"value":data}]}]}
    jdata = json.dumps(values)                 
    r=urequests.post(url,data=jdata,headers={"api-key":API_KEY})
    return r

亲测还是很好用的，可能是uiflow自己的json封装比较奇怪？

使用模组交互的数据传输

既然M5STACK可以同时使用多个模组，那么自然也就可以使用模组来控制数据传输：
如：使用RFID卡，控制POST：

rfid0 = unit.get(unit.RFID, unit.PORTA)

while(True):
  if rfid0.isCardOn():
    rsp = http_put_data(12)
    emoji0.show_map([[0,0,0,0,0,0,0],[0,0,0,0,0,0,0],[0,1,1,1,1,1,0],[0,0,0,0,0,0,0],[0,0,0,0,0,0,0],[0,0,0,0,0,0,0],[0,0,0,0,0,0,0]], 0xff0000)
  else:
    #wlan.disconnect()
    #wlan.active(False)
    emoji0.show_map([[0,0,0,1,0,0,0],[0,0,0,1,0,0,0],[0,0,0,1,0,0,0],[0,0,0,1,0,0,0],[0,0,0,1,0,0,0],[0,0,0,1,0,0,0],[0,0,0,1,0,0,0]], 0xff0000)
  wait(1)

第一行的rfid0 = unit.get(unit.RFID, unit.PORTA)是指定从PORTA读取RFID的射频信息

使用HTTP的GET获取b站信息

有POST就要有GET，这里介绍一个B站大佬“正负加减”的例程，获取自己的粉丝数，里面讲解也很细致,大佬也是老geek了,关注不亏

UIFlow的GET结构：

核心思想是知道哪个key是follow，可以在F5审查源代码找到：

此处的url是

http://api.bilibili.com/x/relation/stat?vmid=99566555

UP和DOWN是控制RGB等的函数。

我的片上系统设计全过程

设计初衷

在疫情管控最严格的的时候，经常能看到触目惊心的“寻找x月x日乘坐xxxx的乘客”，如果能追寻乘坐公共交通者的足迹，会给疫情管控带来很大便利。

设计方法

笔者希望结合GPS，RFID和摄像头功能，做个车载的识别信息-上报信息的小系统。
具体涉及到二维码识别，RFID识别，GPS获取和HTTP上报。

然而，这个设计一开始就遇到了难题。。.网上购买的测温枪，他的蓝牙数据我无法解包，好像是和腾讯连连有自己的相关配置

腾讯连连界面：

既然腾讯连连已经写到那么好了，那就不抢他的饭碗了

既然没办法解析内容，那下面笔者将用ENV单元采集的环境温度代替乘客温度进行收发。

分模块实现

RFID控制块

首先声明RFID模块的串口

rfid0 = unit.get(unit.RFID, unit.PORTA)

该段指从A口串入RFID模组
【注：M5STACK使用颜色标明了A,B,C三个Grove口，见下图】

上图中RFID的串口是红色，就对应到M5GO左侧的红色接口：

GRIVE HUB

由于笔者同时还需要使用红色串口的ENV单元，因此额外购买了GROVE HUB：

这样就有两个A口了。
访问设置时不需要加以区分,都从PORTA引入：

rfid0 = unit.get(unit.RFID, unit.PORTA)
env0 = unit.get(unit.ENV, unit.PORTA)

使用Emoji模块做可视化

笔者使用循环判断是否有卡片接近，无则显示待机Emoji，有则显示

 #循环判断是否有卡片接近
  while(True):
    #熄灭RGB灯
    rgb.setBrightness(0)
    #清空Emoji显示
    emoji0.show_map([[0,0,0,0,0,0,0],[0,0,0,0,0,0,0],[0,0,0,0,0,0,0],[0,0,0,0,0,0,0],[0,0,0,0,0,0,0],[0,0,0,0,0,0,0],[0,0,0,0,0,0,0]], 0x000000)
    #判断是否有卡片接近
    if rfid0.isCardOn():
      #有卡片接近显示对号
      emoji0.show_map([[0,0,0,0,0,0,0],[0,0,0,0,0,0,0],[0,0,0,0,0,0,1],[0,0,0,0,0,1,1],[1,0,0,0,1,1,0],[0,1,1,1,1,0,0],[0,0,1,1,0,0,0]], 0x33ff33)
      #发送RFID读取到的卡片ID
      rsp_RFID = http_put_RFID((str(rfid0.readUid())))
      #完成后指示灯变绿
      rgb.setColorAll(0x33ff33)
      rgb.setBrightness(10)
    else:
      #可选是否断开wifi
      #wlan.disconnect()
      #wlan.active(False)
      #等待卡片接近时，Emoji展示"。。。"
      emoji0.show_map([[0,0,0,0,0,0,0],[0,0,0,0,0,0,0],[0,0,0,0,0,0,0],[0,1,0,1,0,1,0],[0,0,0,0,0,0,0],[0,0,0,0,0,0,0],[0,0,0,0,0,0,0]], 0x000000)
    wait(1)

这里的Emoji模块是先在UIFlow里敲好，再进micropython里查看的

HTTP传输块

HTTP传输在上文已经讲了不少，这里优先介绍GPS的传输
GPS的命令也是要加“value:”的，形如value:{“lon”:lon,“lat”:lat}，这个地方一开始把笔者坑的不轻

def http_put_location(lon,lat):
      ''' 传输地理位置数据点至ONENET平台的location数据流 lon:longitude,经度 lat: latitude,纬度 url：http的post地址 values:请参考https://open.iot.10086.cn/doc/multiprotocol/ 文档中的"HTTP协议上传数据点模块，配置json格式信息" API_KEY:设备发送HTTP请求的证书，请参考https://open.iot.10086.cn/doc/multiprotocol/book/develop/http/api/api-usage.html 文档中的"鉴权说明" '''
      url='http://api.heclouds.com/devices/YOUR-DEVICE-ID/datapoints'
      values={'datastreams':[{"id":"location","datapoints":[{"value":{"lon":lon,"lat":lat}}]}]}
      jdata = json.dumps(values)                 
      r=urequests.post(url,data=jdata,headers={"api-key":API_KEY})
      return r

这里请把YOUR-DEVICE-ID替换为自己的数据流中设备编号，参考ONENET手册

Wi-Fi连接块

UIflow里封装了很好的wifi-connect：

wifiCfg.doConnect(SSID, PASSWORD)

如果你的micropython里没有一键wifi连接，笔者自己也实现了一个：

  def connectWifi(ssid,passwd):
    ''' 如果您的Micropython不携带WifiCfg.doconnect，请参考本函数 函数作用：连接至名称为SSID，密码为passwd的wifi '''
    global wlan
    wlan=network.WLAN(network.STA_IF)
    wlan.active(True)
    wlan.disconnect()
    wlan.connect(ssid,passwd)
    while(wlan.ifconfig()[0]=='0.0.0.0'):
      time.sleep(1)
    return True

二维码识别块

• 本部分使用ESP-IDF编程
• 使用的摄像头是M5CAMERA
• 属性是OV2640

参考官方例程

//拍摄
camera_fb_t* esp_camera_fb_get()
{
    if (s_state == NULL) {
        return NULL;
    }
    if(!I2S0.conf.rx_start) {
        if(s_state->config.fb_count > 1) {
            ESP_LOGD(TAG, "i2s_run");
        }
        if (i2s_run() != 0) {
            return NULL;
        }
    }
    if(s_state->config.fb_count == 1) {
        xSemaphoreTake(s_state->frame_ready, portMAX_DELAY);
    }
    if(s_state->config.fb_count == 1) {
        return (camera_fb_t*)s_state->fb;
    }
    camera_fb_int_t * fb = NULL;
    if(s_state->fb_out) {
        xQueueReceive(s_state->fb_out, &fb, portMAX_DELAY);
    }
    return (camera_fb_t*)fb;
}

//二维码识别
void qr_recoginze(void *pdata) {

	camera_fb_t *camera_config = pdata;

	if(pdata==NULL)
	{
		ESP_LOGI(TAG,"Camera Size err");
		return;
	}

	struct quirc *q;
	struct quirc_data qd;
	uint8_t *image;
	q = quirc_new();
	
	if (!q) {
		printf("can't create quirc object\r\n");
		vTaskDelete(NULL) ;
	}
	//printf("begin to quirc_resize\r\n");
	
	if (quirc_resize(q, camera_config->width, camera_config->height)< 0)
	{
		printf("quirc_resize err\r\n");
		quirc_destroy(q);
		vTaskDelete(NULL) ;
	}

	image = quirc_begin(q, NULL, NULL);
	memcpy(image, camera_config->buf, camera_config->len);
	quirc_end(q);
	
	int id_count = quirc_count(q);
	if (id_count == 0) {
		quirc_destroy(q);
		return;
	}

	struct quirc_code code;
	quirc_extract(q, 0, &code);
	quirc_decode(&code, &qd);
	dump_info(q);
	quirc_destroy(q);
}

这里依赖了太多官方库…建议去代码仓库翻一翻。

K210的二维码识别

上文是ESP32类型的开发板识别代码，可以看到非常繁琐，改起来简直要了老命…

使用Micropython的话，代码就变的可爱多了~

【此部分使用Maxipy编程】

import sensor
import image
import lcd
import time

clock = time.clock()
lcd.init()
sensor.reset()
sensor.set_pixformat(sensor.RGB565)
sensor.set_framesize(sensor.QVGA)
sensor.set_vflip(1)
sensor.run(1)
sensor.skip_frames(30)
while True:
    clock.tick()
    img = sensor.snapshot()
    res = img.find_qrcodes()
    fps =clock.fps()
    if len(res) > 0:
        img.draw_string(2,2, res[0].payload(), color=(0,128,0), scale=2)
        print(res[0].payload())
    lcd.display(img)

这里Maxipy的官方文档还给出了修正图像的方法：

如果使用了镜头，画面会有扭曲，需要矫正画面 使用 lens_corr 函数来矫正， 比如 2.8mm， img.lens_corr(1.8)

（没事翻一翻这个Maxipy的文档还是很有启发的，大概两小时就能通读一遍）

GPS传输块

室内经常没有信号（实测室外也很少有…）因此在传递GPS的时候笔者额外设计了防止无信号的代码.
GPS的http传输函数已经在上文讲了，此处和RFID卡片控制进行结合：

 if rfid0.isCardOn():
      #有卡片接近显示对号
      emoji0.show_map([[0,0,0,0,0,0,0],[0,0,0,0,0,0,0],[0,0,0,0,0,0,1],[0,0,0,0,0,1,1],[1,0,0,0,1,1,0],[0,1,1,1,1,0,0],[0,0,1,1,0,0,0]], 0x33ff33)
      #发送RFID读取到的卡片ID
      rsp_RFID = http_put_RFID((str(rfid0.readUid())))
      #防止测试时无信号
      if str(gps0.pos_quality) != "1" and str(gps0.pos_quality) != "6":
        lon=116.39137751349433
        lat=39.8969585128568
      else:
        #默认北京
        lon=gps0.longitude
        lat=gps0.latitude
      try:
        rsp_LOCATION=http_put_location(float(lon),float(lat))
      except:
        emoji0.show_map([[0,0,0,0,0,0,0],[0,0,0,0,0,0,0],[0,0,0,0,0,0,1],[0,0,0,0,0,1,1],[1,0,0,0,1,1,0],[0,1,1,1,1,0,0],[0,0,1,1,0,0,0]], 0xff0000)
      #传输温度
      rsp = http_put_data(env0.temperature)
      #完成后指示灯变绿
      rgb.setColorAll(0x33ff33)
      rgb.setBrightness(10)
    else:
      #可选是否断开wifi
      #wlan.disconnect()
      #wlan.active(False)
      #等待卡片接近时，Emoji展示"。。。"
      emoji0.show_map([[0,0,0,0,0,0,0],[0,0,0,0,0,0,0],[0,0,0,0,0,0,0],[0,1,0,1,0,1,0],[0,0,0,0,0,0,0],[0,0,0,0,0,0,0],[0,0,0,0,0,0,0]], 0x000000)
    wait(1)

后记

参赛时间仓促，没能完全搞明白每个引脚的用途，没有好好触摸一遍C和开发板，没有用NB-IOT通讯。没有做蓝牙通讯解包…还是有很多遗憾的，还好设备还在，可以继续探索物联网的神奇。

成品效果：