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ESP8266 ＆ BME280 ＆ Azureで始める1000円クラウドIoT生活

Last updated at 2017-11-25Posted at 2017-11-25

#お品書き

何の記事？
材料
サーバ作業の準備
デバイス側の準備
可視化
参考

#何の記事？
##背景
先日NiFi＋ESP8266の記事を書いたのですが、NiFiがローカルマシンで動いているため、デスクトップを常に動かしておく必要がありました。せっかく低消費電力のデバイスでデータ収集しているのに、アホみたいに電力を食うマシン(4G CPU & GTX 1080)を起動しておくなんてナンセンス。
勉強もかねて、クラウドサービスを触ってみることにしました。

##最終的に実現したいこと

デバイス側は変わらず、ESP8266&BME280で、気温、湿度、気圧を図ります
クラウドサービスを利用して、データを送信、バッファリングします。
最終的な蓄積先にデータを格納後、可視化して僕が見ます

#材料
以下をFreeshipping条件を付けて、Aliexpressで検索します。

ESP8266ボード
　最もやすいもので3ドルで買えるようです。※技適の話があるので日本で確認できるものを買うが吉です。
BME280センサー
　AliexpressでBME280を入力してFreeshippingを条件に検索すると、3ドルちょっとで出てきます。
Pull-UP用抵抗 10KΩ×2　　　　数十円？
ケーブルとユニバーサル基盤　　100円程度 ※秋月

　1000円あれば余裕ですね！

#サーバ作業の準備
IoTデバイスがサーバへ接続するためのコードを準備するために、まずはサーバ側を準備します。

##IoTHubの作成

今回はAzureを使います。

https://azure.microsoft.com/ja-jp/
へアクセスしてアカウント作成などを実施し、使用できるまでの手順はすっ飛ばします。

Azureポータルからログインして、左にあるメニューから「新規」→「モノのインターネット(IoT)」→「IoT HuB」をクリックします。

最大の注意点は、ここで、「価格とスケールティア」の部分をクリックして、「F1-Free」に変更しましょうということです。これを忘れると有料になります。

「F1-Free」でも8,000（イベント/日）を処理できるようです。

イベント量について
　30秒に一度データを送るとしても、
　　　24（時間/日）×60（分/時間）×2（イベント/分） = 2,880（イベント/日）
　なので、デバイスが一つであれば、F1-Freeサイズで十分でしょう。

リソースグループがなければ適当な名前（たとえばIoTとかで）作ってしまいましょう。
また、場所についても、自分が住んでいる近くのモノを入力したほうがいいでしょう。

作成（デプロイ）にしばらく時間がかかります。

##デバイスの登録

AzureのIoTハブは、端末の管理もやってくれます。
デバイス側は、IoTハブから払い出される「接続文字列」を使用するだけで、接続先のサーバ、暗号化など煩わしい設定をほとんど気にしなくて済みます。

先ほど作成したIoTハブのメニューから「デバイスエクスプローラー」を選択し、「追加」をクリック、「デバイスID」を入力し、保存をクリックします。
他はデフォルトでOKです。

これらの情報はデバイスツインとして、Azure IoTハブにて管理されるようです。

デバイス登録後に、デバイスがIoTハブに接続するための情報「接続文字列」を取得します。
先ほど登録したデバイスを選択すると、いくつかの情報が表示されますので、「接続文字列-プライマリーキー」を選択しましょう。

サーバ側の情報はいったんここまでです。

#デバイスの準備

デバイスはハード、ソフトの両面を準備する必要があります。

##ハードウェアの準備

デバイスBME280ですが、急いでいたので、私はAmazonで購入しましたが本当は秋月とかから購入したほうがよいでしょう。

ＢＭＥ２８０使用　温湿度・気圧センサモジュールキット
http://akizukidenshi.com/catalog/g/gK-09421

Amazonから届いたものは何の説明もないので、どのように接続したらよいか、さっぱりわかりません。

「秋月さんで買ってないのに情報だけ見るのはちょっと反則だよなぁ。他は秋月さんでかっているから許して」と思いつつ情報を見ます。

I2C接続をするのであれば以下の回路となります。

SD0 ・・・ 3.3V
CSB ・・・グランド　I2Cのアドレス。デフォルトはグランド接続で0x76
SDA ・・・ D1（GPIO05） ※要Pull-UP
SCL ・・・ D2（GPIO04） ※要Pull-UP
GND ・・・グランド
VCC ・・・ 3.3V

また、この後、紹介するサンプルコードが通信時にLEDを光らせるようになっています。電子工作を始めたのが2カ月ほど前からですので、練習を兼ねて、1608(1.6mm×0.8mm)の抵抗などをはんだ付けします。

はい。出来上がりました。

肉眼でも、ルーペを使ってもちゃんとはんだ付けできているかよくわからないため、一応ショートしていないことなどを確認しました。

##ソフトウェアの準備

Microsoftが提供しているサンプルが以下にありますので、取得しましょう。
https://github.com/Azure-Samples/iot-hub-feather-huzzah-client-app

展開して、Arduinoアプリからapp.inoを開くと、同時にほかのコードも開かれます。（同じフォルダだから？）

以前に試したBME280の読み込みコードがあったため、それを流用するため、DHT、Adafruit Unified Sensorは除きいています。
私の場合、以下を[スケッチ] → [ライブラリをインクルード] → [ライブラリを管理] で、以下のライブラリをインクルードしました。

AzureIoTHub
AzureIoTUtility
AzureIoTProtocol_MQTT
ArduinoJson

このサンプル全部で4つのファイルから構成されています。

app.ino ・・・ setup/loopを含むメインコード
config.h ・・・パラーメータなどを含む
credentials.ino ・・・無線のSSID/パスワード、接続文字列を管理する
iothubClient.ino ・・・ IoTハブとの通信部分
message.ino ・・・通信メッセージを作成する処理
serialReader.ino ・・・ Serialの初期設定とCredentials.inoで使用するSerialからの読み込み処理

コードはスイッチサイエンスさんのところにあったものですが、ライセンスが不明のため、必要な人は以下から参照してください。

message.ino

#include <ArduinoJson.h>
#include <Wire.h>

　~略~

bool readMessage(int messageId, char *payload)
{
  float temperature ;
  float humidity;
  float pressure ;

  readData();

  temperature = (double)calibration_T(temp_raw) / 100.0;
  pressure    = (double)calibration_P(pres_raw) / 100.0;
  humidity    = (double)calibration_H(hum_raw)  / 1024.0;

  StaticJsonBuffer<MESSAGE_MAX_LEN> jsonBuffer;
  JsonObject &root = jsonBuffer.createObject();
  root["deviceId"] = DEVICE_ID;
  root["messageId"] = messageId;
  bool temperatureAlert = false;

  // NAN is not the valid json, change it to NULL
  if (std::isnan(temperature))
  {
    root["temperature"] = NULL;
  }
  else
  {
    root["temperature"] = temperature;
    if (temperature > TEMPERATURE_ALERT)
    {
      temperatureAlert = true;
    }
  }

  if (std::isnan(humidity))
  {
    root["humidity"] = NULL;
  }
  else
  {
    root["humidity"] = humidity;
  }

  if (std::isnan(pressure))
  {
    root["pressure"] = NULL;
  }
  else
  {
    root["pressure"] = pressure;
  }

  root.printTo(payload, MESSAGE_MAX_LEN);
  return temperatureAlert;
}

　~略~

念のため、Serialの通信速度も落としています。

serialReader.ino

　~略~
void initSerial()
{
    // Start serial and initialize stdout
    //Serial.begin(115200);
    Serial.begin(9600);
    //Serial.setDebugOutput(true);
    //Serial.println("Serial successfully inited.");
}
　~略~

Wifiの接続があやしかったのでちょっと書き換えたのですが、結局 statusがWL_CONNECTEDになったりならなかったりで、信用できないので接続部分はスキップする形にしました。
※ググったところ、同じような情報ありましたが詳細追いませんでした。ファームアップデートとか出ても面倒ですしね。

また、CredentialもただしくSerialからの入力を受け付けてくれなかったため、結局すべてを固定文字列としました。

時刻もJSTにしたかったので、一部コードを書き換えていますが、結局最終的な可視化ではUTCでしか表示されませんでした。
※最初の動作確認などでUTC、コード修正後はJSTと複数のタイムゾーンが混じったデータだったからかもしれません

app.ino


void initWifi()
{
  WiFi.mode(WIFI_STA);
  WiFi.printDiag(Serial);
  WiFi.begin(MYSSID, SSIDPASSWORD);
//  while (WiFi.status() != WL_CONNECTED) {
    delay(1000);
//     Serial.print(".");
//   }

  Serial.println("");
  Serial.println("WiFi connected");

  WiFi.printDiag(Serial);
  Serial.print("IP address: ");
  Serial.println(WiFi.localIP());
}

void initTime()
{
  time_t epochTime;
  configTime(JST, 0, "ntp.nict.jp", "ntp.jst.mfeed.ad.jp");

  while (true)
  {
    epochTime = time(NULL);

    if (epochTime == 0)
    {
      Serial.println("Fetching NTP epoch time failed! Waiting 2 seconds to retry.");
      delay(2000);
    }
    else
    {
      Serial.printf("Fetched NTP epoch time is: %lu.\r\n", epochTime);
      break;
    }
  }
}


static IOTHUB_CLIENT_LL_HANDLE iotHubClientHandle;
void setup()
{
  pinMode(LED_PIN, OUTPUT);

  initSerial();
  delay(2000);
  //readCredentials(); ※Credentialsを削除

  initWifi();
  initTime();
  initSensor();

　~略~