使用節點構建您自己的物聯網平臺

描述

如果您是硬件愛好者，那么您可能已經通過 WiFi 使 LED 閃爍。

可能在您的本地網絡上或使用 Blynk 或 ThingSpeak 等第三方服務通過互聯網。

但它要么只適用于您的本地網絡，要么您必須使用一些第 3 方解決方案。

在本文中，我將指導您如何構建您自己的 IoT 最小平臺，該平臺可在 Internet 上運行。

我們的平臺將分為三個部分，

• 用戶界面即。前端
• 服務器即后端
• 硬件

應用程序的所有三個部分都應該能夠實時相互通信。

基于硬件的產品/項目的明顯協議是 MQTT。

MQTT 是一種輕量級通信協議，旨在甚至在低功耗硬件上運行。但今天我們不使用 MQTT ，為了簡單和運行服務器的成本。

像 Heroku 這樣的網絡托管平臺有很多，我們可以免費使用。您甚至不需要信用卡即可注冊。

MQTT 不適用于這些 PaaS（平臺即服務）提供商。

所以我們將使用下一個最好的東西，Introducing Web Sockets。

它不像 MQTT 那樣簡單，但我們使用的 MCU 足夠強大來處理它。

下圖是系統將如何通信

現在我們已經弄清楚了協議

我們將使用我們值得信賴的老朋友 ESP8266，它非常受歡迎，價格便宜，而且很可能您身邊就有一個 NodeMCU。

我們將使用 Arduino IDE 對我們的 ESP 進行編程。

現在讓我們談談我們的服務器，我們將構建一個 node.js [添加鏈接] 應用程序，

我們將借助兩個 node.js 庫來創建我們的服務器。

用于 HTTP 連接的 express.js 和用于 WebSockets 連接的Socket.io 。

我們平臺的前端是純 HTML、CSS 和一些 JavaScript。沒有什么比 React、Angular 或 Vue 更花哨的了（但你可以期待未來的教程）。

我們的 UI 很簡單，它只有一個按鈕，我們將使用 javascript 監聽這個按鈕的點擊并通過 WebSockets 更新服務器。

編碼時間

服務器代碼走查

讓我們從編碼我們的服務器開始。

您需要在您的機器上下載并安裝。node.js

根據操作系統，安裝過程可能會有所不同。

完成此操作后，讓我們克隆項目代碼庫。

git clone git@github.com:B45i/ESP-Websocket-Switch.git

或者你可以從GitHub下載并解壓它（但要確保你已經安裝git在你的機器上，我們需要它用于后面的步驟）

只想瀏覽代碼？試試這個在線代碼編輯器。

執行此操作后，在您喜歡的代碼編輯器中打開新創建的文件夾，我將使用 VS Code。

你會看到這樣的東西：

固件文件夾有我們的 Arduino 代碼，該src文件夾包含我們的服務器和 UI 代碼。

package.json文件包含有關我們將需要的庫的信息，盡管它沒有安裝在我們的文件夾中。

在終端中打開我們的項目文件夾并輸入npm i （確保您的終端指向package.json文件所在的位置）

這將安裝所有必要的庫。

如果您查看 的script部分package.json，您會看到如下命令：

"scripts": {
        "dev": "nodemon src/app.js",
        "start": "node src/app.js"
}

我們可以通過鍵入npm run dev或運行這些命令npm run start。

npm run dev將以開發模式運行我們的服務器，即，它將監聽任何文件更改并重新運行服務器。

amal@Amals-MacBook-Pro esp-socket % npm run dev
> esp-socket@1.0.0 dev
> nodemon src/app.js
[nodemon] 2.0.19
[nodemon] to restart at any time, enter `rs`
[nodemon] watching path(s): *.*
[nodemon] watching extensions: js,mjs,json
[nodemon] starting `node src/app.js`
Running on :  { address: '::', family: 'IPv6', port: 4001 }

您可以通過打開應用程序來查看http://localhost:4001/

當我們部署代碼時，服務器將使用npm run start命令運行。

這兩個命令都指向文件夾app.js中。src

我們來看看那個文件。

app.js文件是這樣開始的

import express from 'express';
import http from 'http';
import { Server } from 'socket.io';

在這里，我們將導入我們將要使用的所有庫。

請注意，我在這里使用 ES6 導入語句，在package.json文件中設置type為module啟用此功能。

當我們將代碼部署到像 Heroku 這樣的平臺時，我們的服務器將要運行的端口將來自一個名為PORT.

const PORT = process.env.PORT || 4001;

在本地，環境變量將為空，因此如果它為空，我們將端口設置為4001.

現在讓我們配置 express（node.js HTTP 框架）和Socket.io（WebSocket 庫）

const app = express();
const httpServer = http.createServer(app);
const io = new Server(httpServer, { cors: { origin: '*' } });

當瀏覽器發送請求時，我們需要發送我們的 UI HTML / CSS 和 Javascript 文件。

這是使用 expresse 的靜態中間件完成的

app.use(express.static('src/ui'));

我們需要在服務器中維護按鈕的狀態，這是使用buttonState.

let buttonState = false;

其余代碼用于管理我們的 WebSocket 連接。

io.on('connection', socket => {
	console.log('New Connection');
	io.to(socket.id).emit('buttonState', buttonState);
	.
	.
	.
}

當新的 WS 客戶端連接到服務器時，將執行此代碼。

在這個箭頭函數中，我們將編寫其余與 WS 相關的代碼。

WebSocket 是基于事件的，每當你想發送一些數據時，你將它作為一個事件傳播，并附加一些信息。

當我們查看我們的 UI 代碼時，這將更加清晰。

我們需要在客戶加入時告訴他們按鈕的當前狀態，以便他們可以同步。

io.to(socket.id).emit('buttonState', buttonState);

這段代碼獲取新加入的客戶端的 ID，并將按鈕的當前狀態發送給它。

在connection回調函數里面，可以看到各種WebSocket事件相關的代碼

socket.on('disconnect', () => {
        console.log('Disconnected');
    });

    socket.on('buttonState', value => {
				buttonState = value;
        socket.broadcast.emit('buttonState', value);
    });

第一個是disconnect當客戶端斷開連接時的事件，這個事件被觸發，我們現在不打算使用這個事件。

socket.on('buttonState', value => {
	 			buttonState = value;
        socket.broadcast.emit('buttonState', value);
    });

這是負責連接我們的 UI 和硬件的代碼。

當用戶單擊 UI 上的按鈕時，我們的前端 javascript 代碼會觸發一個事件 ( buttonState)

這將執行上面的代碼。

首先，我們將更新buttonState變量，然后獲取該值并將其發送給所有其他客戶端，除了使用它的來源socket.broadcast.emit('buttonState', value);

我們需要在指定的端口（4001在本地）上提供我們的 express 應用程序，這段代碼正是這樣做的。

UI 代碼演練

我們的 UI 代碼駐留在src/ui文件夾中。

您將看到三個文件，index.htmlindex.js并且style.css

HTML 和 CSS 文件非?；?，它只包含按鈕和樣式。

那么讓我們看一下JS文件。

我們需要初始化socket.io對象，這是通過調用io()函數來完成的。

const socket = io();

我們需要使用 JS 獲取按鈕元素，以便我們可以為其附加事件監聽器。

const toggleBtn = document.getElementById('toggleBtn');

我們將聲明一個名為的變量buttonState，它代表 UI 中按鈕的狀態，當用戶單擊該按鈕時，我們將翻轉該變量的值。

現在我們將附加一個點擊事件并監聽這些按鈕點擊。

toggleBtn.addEventListener('click', () => {
    buttonState = !buttonState;
    updateUI();
    socket.emit('buttonState', buttonState);
});

如果它是真的，我們將否定變量值然后它變成假的。buttonState反之亦然。

然后我們調用該updateUI()函數（我們稍后會看一下這個函數）

到目前為止，我們的更改是在 UI 本身上進行的，服務器并不知道它。

我們需要告訴我們的服務器關于新的更新，為此我們將使用

socket.emit('buttonState', buttonState)功能。

這將告知服務器我們 UI 的更改，服務器會將此更改廣播給其他客戶端。

當用戶單擊按鈕時，根據狀態，它的顏色和文本會發生變化。

如果按鈕關閉，那么它將是紅色的，當它打開時它將是綠色的。

updateUI負責此更改。

const updateUI = () => {
    buttonState
        ? toggleBtn.classList.add('on')
        : toggleBtn.classList.remove('on');
    toggleBtn.innerText = buttonState ? 'Turn off' : 'Turn on';
};

如果 的值為toggleBtntrue 則我們添加一個 CSS 類，on否則我們將其刪除。這個類負責顏色。

我們還根據值更改按鈕內的文本。

如果您npm run dev在終端中運行命令并localhost:4001在瀏覽器中打開，您應該能夠看到我們的應用程序 UI。

如果您在多個選項卡中打開相同的地址，您可以看到當您單擊另一個選項卡上的按鈕時，一個選項卡中的 UI 會自動更新。

部署服務器

我們的應用程序正在運行，但它在我們的本地機器上，我們需要部署它以便它可以在互聯網上的任何地方使用。

我們將使用一個名為Heroku的平臺來托管我們的應用程序。

從 Heroku 創建一個免費帳戶：https ://signup.heroku.com/dc

heroku cli從https://devcenter.heroku.com/articles/heroku-cli安裝

我們將使用此命令行實用程序來管理我們的應用程序。

通過在終端中鍵入命令，確保git和 Heroku 已成功安裝在您的計算機上。heroku

現在 CLI 不知道您創建的帳戶，要連接您的 CLI 和帳戶，請heroku login在終端中鍵入，這將打開一個瀏覽器窗口，您可以從中登錄到您的 Heroku 帳戶。

heroku login
heroku: Press any key to open up the browser to login or q to exit
 ?   Warning: If browser does not open, visit
 ?   https://cli-auth.heroku.com/auth/browser/***
heroku: Waiting for login...
Logging in... done
Logged in as me@example.com

現在讓我們在我們的 Heroku 帳戶上創建一個應用程序

heroku create

這將創建一個 Heroku 應用程序，我們可以在其中托管我們的代碼。

heroku create
Creating sharp-rain-871... done, stack is heroku-18
http://sharp-rain-871.herokuapp.com/ | https://git.heroku.com/sharp-rain-871.git
Git remote heroku added

將我們的代碼部署到 Heroku 非常簡單，我們可以使用一個命令來完成。

git push heroku main

此命令執行完畢后，我們的代碼將部署到互聯網上。

git push heroku main
Counting objects: 488, done.
Delta compression using up to 8 threads.
.
.
.
.
remote: Verifying deploy... done.
To https://git.heroku.com/nameless-savannah-4829.git
 * [new branch]      main -> main

為確保我們的應用程序至少有一個實例正在運行，請運行以下命令：

heroku ps:scale web=1

要打開我們的 Web 應用程序，請運行heroku open，這將在瀏覽器中打開我們應用程序的 URL。

您應該可以從互聯網上的任何地方打開它。

如果您從另一臺設備打開此 URL，您可以看到 UI 在您單擊另一臺設備上的按鈕時實時更新。

硬件代碼

現在我們將使用 Arduino IDE 對 ESP8266 微控制器進行編碼。

確保您已經在 Arduino IDE 上安裝了ESP8266 核心和必要的庫。

該項目所需的庫：

• ArduinoJson
• arduinoWebSockets

在 Arduino IDE 上打開文件。firmware/firmware.io

您必須稍微自定義此代碼。

#define SSID "Your WiFi SSID"
#define PASSWORD "Your WiFi password"
#define SERVER "esp-socket-switch.herokuapp.com"  // Server URL (without )

SSID是您的 WiFi 名稱，PASSWORD是您的 wifi 密碼。

您需要復制鍵入時獲得的 URLheroku open并將其粘貼為SERVER.

確保URL 中沒有。

我們需要創建一個 SocketIOclient 類的對象

SocketIOclient socketIO;

該對象將管理我們 MCU 上的 WebSocket 連接。

現在讓我們看一下setup函數，這里我們將連接到 WiFi，注冊輸出引腳和Socket.IO事件處理程序。

為了簡單起見，我將使用 NodeMCU 的板載 LED，如果需要，您可以連接一個外部 LED。

PS：NodeMCU 上的板載 LED 是倒置的，即當引腳為低電平時它會亮起。

pinMode(LED_BUILTIN, OUTPUT);
Serial.begin(9600);

希望每個人都熟悉這段代碼的作用，我們將我們的引腳設置為輸出并設置串口連接的波特率。

現在我們將調用setupWiFi() 函數，它將 MCU 連接到您指定的 WiFi SSID。

接下來的兩行與Socket.IO有關

socketIO.begin(SERVER, 80, "/socket.io/?EIO=4");
socketIO.onEvent(socketIOEvent);

在這里我們將嘗試連接到 WebSocket 服務器，并注冊Socket.IO事件處理程序。

socketIOEvent是我們的事件處理函數，現在讓我們看一下。

void socketIOEvent(socketIOmessageType_t type, uint8_t* payload, size_t length) {
  switch (type) {
    case sIOtype_DISCONNECT:
      Serial.println("Disconnected!");
      break;

    case sIOtype_CONNECT:
      Serial.printf("Connected to url: %s%s\\n", SERVER, payload);
      socketIO.send(sIOtype_CONNECT, "/");
      break;

    case sIOtype_EVENT:
      messageHandler(payload);
      break;
  }
}

在這個函數中，你可以看到一個 switch 語句，我們現在甚至沒有使用連接和斷開連接。

但是對于 sIOtype_EVENT事件，我們正在調用messageHandler函數，它會解析事件數據。

void messageHandler(uint8_t* payload) {
  StaticJsonDocument<64> doc;

  DeserializationError error = deserializeJson(doc, payload);

  if (error) {
    Serial.println(error.f_str());
    return;
  }

  String messageKey = doc[0];
  bool value = doc[1];

  if (messageKey == "buttonState") {
    digitalWrite(LED_BUILTIN, value);
  }
}

在此消息處理程序中，我們嘗試解析隨事件收到的 JSON 數據。

解析后的數據將在doc變量中，doc[0]將包含事件名稱并doc[1]具有值。

如果密鑰是，buttonState那么我們會將引腳狀態切換為從服務器獲得的值。

現在，當我們單擊 UI 上的按鈕時，LED 應該打開和關閉。

我希望這個小教程能幫助您學到新東西。