利用 Intel Edison 打造支持 Web 的 IoT 设备

Kenneth Christiansen

物联网是时下热门话题，这让像我这样的爱好者和程序员感到非常兴奋。没有什么比让自己的发明变得生动起来，并能够与它们对话更酷了！

但是，物联网设备安装您很少使用的应用可能会令人烦恼，因此我们利用即将推出的 Web 技术（例如 Physical Web 和 Web Bluetooth）来让物联网设备更直观、更不具侵扰性。

Web 和 IoT，天作之合

在物联网取得巨大成功之前，仍有许多障碍需要克服。其中一个障碍是，有些公司和产品要求用户为购买的每部设备安装应用，这会在用户的手机上堆满他们很少使用的应用。

因此，我们非常期待物联网项目，该项目允许设备以非侵扰性方式向在线网站广播网址。通过结合使用 Web Bluetooth、Web USB 和 Web NFC 等新兴 Web 技术，这些网站可以直接连接到设备，或者至少说明正确的连接方式。

虽然本文主要介绍 Web Bluetooth，但某些用例可能更适合使用 Web NFC 或 Web USB。例如，如果您出于安全原因需要进行物理连接，则首选 Web USB。

该网站还可以作为渐进式 Web 应用 (PWA) 使用。我们建议读者查看 Google 对 PWA 的说明。PWA 是具有类似应用的响应式用户体验的网站，可在离线状态下运行，并且可添加到设备主屏幕。

为了验证概念，我一直在使用 Intel® Edison Arduino 开发板构建小型设备。该设备包含温度传感器 (TMP36) 和执行器（彩色 LED 阴极）。您可以在本文末尾找到此设备的示意图。

Intel Edison 是一款有趣的产品，因为它可以运行完整的 Linux* 发行版。因此，我可以使用 Node.js 轻松对其进行编程。通过安装程序，您可以安装 Intel* XDK，这很容易上手，不过您也可以手动编写程序并将其上传到您的设备。

注意 ：您可以使用 Brillo* 或 Ostro* 操作系统，而不是默认的操作系统软件。如果是，请按照 Brillo 或 Ostro OS 文档中的说明在设备上运行 Node.js 应用。

对于我的 Node.js 应用，我需要三个节点模块及其依赖项：

• eddystone-beacon
• parse-color
• johnny-five

前者会自动安装 noble，这是我用于通过蓝牙低功耗模式进行通信的节点模块。

注意： 请务必不要在 package.json 文件中将 noble 列为依赖项，因为您需要使用与 eddystone-beacon 相同的 noble 实例，才能让它们协同工作。如需了解详情，请点击此处

项目的 package.json 文件如下所示：

{
    "name": "edison-webbluetooth-demo-server",
    "version": "1.0.0",
    "main": "main.js",
    "engines": {
    "node": ">=0.10.0"
    },
    "dependencies": {
    "eddystone-beacon": "^1.0.5",
    "johnny-five": "^0.9.30",
    "parse-color": "^1.0.0"
    }
}

宣布推出该网站

从版本 49 开始，Android 版 Chrome 支持实物网，以便 Chrome 能够看到周围设备广播的网址。开发者必须了解一些要求，例如网站需要可供公开访问且使用 HTTPS。

Eddystone 协议对网址的大小限制为 18 字节。因此，为了使我的演示版应用的网址（https://webbt-sensor-hub.appspot.com/）正常运行，我需要使用网址缩短服务。

广播网址非常简单。您只需要导入所需的库并调用几个函数即可。一种方法是在 BLE 芯片开启时调用 advertiseUrl：

var beacon = require("eddystone-beacon");
var bleno = require('eddystone-beacon/node_modules/bleno');

bleno.on('stateChange', function(state) {    
    if (state === 'poweredOn') {
    beacon.advertiseUrl("https://goo.gl/9FomQC", {name: 'Edison'});
    }   
}

这真是太简单了。您可以在下图中看到，Chrome 可以轻松找到设备。

注意： 只有在蓝牙处于开启状态且您启动了 Chrome 时，启用了实物网的设备才会显示在手机上（目前仅适用于 Beta 版）。此外，您必须在首次启动 Chrome Beta 版时选择启用此功能。

与传感器/执行器通信

我们使用 Johnny-Five* 与我们的开发板增强功能进行交互。Johnny-Five 有一个很好的抽象概念，用于与 TMP36 传感器对话。

您可以在下方找到用于接收温度变化通知以及设置初始 LED 颜色的简单代码。

var five = require("johnny-five");
var Edison = require("edison-io");
var board = new five.Board({
    io: new Edison()
});

board.on("ready", function() {
    // Johnny-Five's Led.RGB class can be initialized with
    // an array of pin numbers in R, G, B order.
    // Reference: http://johnny-five.io/api/led.rgb/#parameters
    var led = new five.Led.RGB([ 3, 5, 6 ]);

    // Johnny-Five's Thermometer class provides a built-in
    // controller definition for the TMP36 sensor. The controller
    // handles computing a Celsius (also Fahrenheit & Kelvin) from
    // a raw analog input value.
    // Reference: http://johnny-five.io/api/thermometer/
    var temp = new five.Thermometer({
    controller: "TMP36",
    pin: "A0",
    });

    temp.on("change", function() {
    temperatureCharacteristic.valueChange(this.celsius);
    });

    colorCharacteristic._led = led;
    led.color(colorCharacteristic._value);
    led.intensity(30);
});

您暂时可以忽略上述 *Characteristic 变量；这些变量将在稍后介绍与蓝牙交互的部分中定义。

如您在 Thermometer 对象的实例化中可能注意到，我通过模拟 A0 端口与 TMP36 通信。彩色 LED 阴极上的电压引脚连接到数字引脚 3、5 和 6，这恰好是 Edison Arduino 开发板上的脉冲宽度调制 (PWM) 引脚。

与蓝牙通话

与蓝牙通信比使用 noble 更简单。

在以下示例中，我们创建了两个蓝牙低功耗特性：一个用于 LED，另一个用于温度传感器。前者可让我们读取当前 LED 颜色并设置新颜色。后者允许我们订阅温度变化事件。

注意：最初，我遇到了一些问题，例如蓝牙连接不稳定、每次启动时都无法正常运行，或者在连接时因帧重组失败而退出。 如果发生这种情况，请运行 rfkill block bluetooth 命令，然后通过串行连接运行 rfkill unblock bluetooth，使其再次运行。当我开始通过电源为设备供电，而不是使用 USB 供电时，启动问题就消失了。 如果您遇到帧重新组装失败问题，请降低发送温度变化事件的频率，直到不再遇到失败问题。 通常，使用蓝牙或将伺服器等设备连接到开发板时，应始终使用外部电源。

使用 noble 创建特征非常简单。您只需定义特征的通信方式并定义 UUID 即可。通信选项包括读取、写入、通知或它们的任意组合。最简单的方法是创建一个新对象并继承 bleno.Characteristic。

注意：我在这里没有使用 ES2016，因为 Edison SDK 目前使用的是较低版本的 Node.js。

注意：随着新推出的支持 Edison 的 Ostro Project，情况已不再如此。如果您使用 Brillo 作为 Brillo 抢先体验计划的一部分，则可以编译和安装最新版本的 Node.js。

生成的特性对象如下所示：

var TemperatureCharacteristic = function() {
    bleno.Characteristic.call(this, {
    uuid: 'fc0a',
    properties: ['read', 'notify'],
    value: null
    });
    
    this._lastValue = 0;
    this._total = 0;
    this._samples = 0;
    this._onChange = null;
};

util.inherits(TemperatureCharacteristic, bleno.Characteristic);

我们将当前温度值存储在 this._lastValue 变量中。我们需要添加 onReadRequest 方法并对值进行编码，以便“读取”正常运行。

TemperatureCharacteristic.prototype.onReadRequest = function(offset, callback) {
    var data = new Buffer(8);
    data.writeDoubleLE(this._lastValue, 0);
    callback(this.RESULT_SUCCESS, data);
};

对于“notify”，我们需要添加一个方法来处理订阅和取消订阅。基本上，我们只存储一个回调。当有新的温度原因要发送时，我们会使用新值（如上文所述）调用该回调。

TemperatureCharacteristic.prototype.onSubscribe = function(maxValueSize, updateValueCallback) {
    console.log("Subscribed to temperature change.");
    this._onChange = updateValueCallback;
    this._lastValue = undefined;
};

TemperatureCharacteristic.prototype.onUnsubscribe = function() {
    console.log("Unsubscribed to temperature change.");
    this._onChange = null;
};

由于值可能会略有波动，因此我们需要平滑 TMP36 传感器提供的值。我选择了仅取 100 个样本的平均值，并且仅在温度变化至少达到 1 度时发送更新。

TemperatureCharacteristic.prototype.valueChange = function(value) {
    this._total += value;
    this._samples++;
    
    if (this._samples < NO_SAMPLES) {
        return;
    }
        
    var newValue = Math.round(this._total / NO_SAMPLES);
    
    this._total = 0;
    this._samples = 0;
    
    if (this._lastValue && Math.abs(this._lastValue - newValue) < 1) {
        return;
    }
    
    this._lastValue = newValue;
    
    console.log(newValue);
    var data = new Buffer(8);
    data.writeDoubleLE(newValue, 0);
    
    if (this._onChange) {
        this._onChange(data);
    }
};

那是温度传感器。彩色 LED 更简单。对象以及“read”方法如下所示。 该特性配置为允许执行“读取”和“写入”操作，并且与温度特性具有不同的 UUID。

var ColorCharacteristic = function() {
    bleno.Characteristic.call(this, {
    uuid: 'fc0b',
    properties: ['read', 'write'],
    value: null
    });
    this._value = 'ffffff';
    this._led = null;
};

util.inherits(ColorCharacteristic, bleno.Characteristic);

ColorCharacteristic.prototype.onReadRequest = function(offset, callback) {
    var data = new Buffer(this._value);
    callback(this.RESULT_SUCCESS, data);
};

为了从该对象控制 LED，我添加了一个 this._led 成员，用于存储 Johnny-Five LED 对象。我还将 LED 的颜色设置为默认值（白色，也称为 #ffffff）。

board.on("ready", function() {
    ...
    colorCharacteristic._led = led;
    led.color(colorCharacteristic._value);
    led.intensity(30);
    ...
}

“write”方法会接收一个字符串（就像“read”会发送一个字符串一样），该字符串可以包含 CSS 颜色代码（例如：rebeccapurple 等 CSS 名称或 #ff00bb 等十六进制代码）。我使用一个名为 parse-color 的节点模块，以便始终获取 Johnny-Five 期望的十六进制值。

ColorCharacteristic.prototype.onWriteRequest = function(data, offset, withoutResponse, callback) {
    var value = parse(data.toString('utf8')).hex;
    if (!value) {
        callback(this.RESULT_SUCCESS);
        return;
    }
    
    this._value = value;
    console.log(value);

    if (this._led) {
        this._led.color(this._value);
    }
    callback(this.RESULT_SUCCESS);
};

如果不添加 bleno 模块，上述所有方法都将无法运行。除非您使用与 bleno 分发的 noble 版本，否则 eddystone-beacon 将无法与 bleno 搭配使用。幸运的是，这很容易做到：

var bleno = require('eddystone-beacon/node_modules/bleno');
var util = require('util');

现在，我们只需要让它通告我们的设备 (UUID) 及其特性 (其他 UUID)

bleno.on('advertisingStart', function(error) {
    ...
    bleno.setServices([
        new bleno.PrimaryService({
        uuid: 'fc00',
        characteristics: [
            temperatureCharacteristic, colorCharacteristic
        ]
        })
    ]);
});

创建客户端 Web 应用

无需详细了解客户端应用非蓝牙部分的工作原理，我们即可以 Polymer* 中的自适应界面为例。生成的应用如下所示：

右侧显示的是较低版本，其中展示了一个简单的错误日志，我添加了该日志是为了简化开发流程。

Web Bluetooth 可让您轻松与蓝牙低功耗设备通信，因此我们来看看简化版的连接代码。如果您不了解 promise 的运作方式，请先参阅此资源，然后再继续阅读。

连接到蓝牙设备涉及一个 promise 链。首先，我们过滤出设备（UUID：FC00，名称：Edison）。这会显示一个对话框，以便用户根据过滤条件选择设备。然后，我们连接到 GATT 服务并获取主要服务和关联的特征，然后读取值并设置通知回调。

注意：为了让 promise 链中的连续读写能够正常进行，最佳实践是避免使用 Promise.all([p1, p2]) 等方法并行提取特性。

下面简化版的代码仅适用于最新的 Web Bluetooth API，因此需要在 Android 上使用 Chrome 开发者版 (M49)。

navigator.bluetooth.requestDevice({
    filters: [{ name: 'Edison' }],
    optionalServices: [0xFC00]
})

.then(device => device.gatt.connect())

.then(server => server.getPrimaryService(0xFC00))

.then(service => {
    let p1 = () => service.getCharacteristic(0xFC0B)
    .then(characteristic => {
    this.colorLedCharacteristic = characteristic;
    return this.readLedColor();
    });

    let p2 = () => service.getCharacteristic(0xFC0A)
    .then(characteristic => {
    characteristic.addEventListener(
        'characteristicvaluechanged', this.onTemperatureChange);
    return characteristic.startNotifications();
    });

    return p1().then(p2);
})

.catch(err => {
    // Catch any error.
})
            
.then(() => {
    // Connection fully established, unless there was an error above.
});

从 DataView / ArrayBuffer（WebBluetooth API 使用的）读取和写入字符串就像在 Node.js 端使用 Buffer 一样简单。我们只需使用 TextEncoder 和 TextDecoder：

readLedColor: function() {
    return this.colorLedCharacteristic.readValue()
    .then(data => {
    // In Chrome 50+, a DataView is returned instead of an ArrayBuffer.
    data = data.buffer ? data : new DataView(data);
    let decoder = new TextDecoder("utf-8");
    let decodedString = decoder.decode(data);
    document.querySelector('#color').value = decodedString;
    });
},

writeLedColor: function() {
    let encoder = new TextEncoder("utf-8");
    let value = document.querySelector('#color').value;
    let encodedString = encoder.encode(value.toLowerCase());

    return this.colorLedCharacteristic.writeValue(encodedString);
},

处理温度传感器的 characteristicvaluechanged 事件也很简单：

onTemperatureChange: function(event) {
    let data = event.target.value;
    // In Chrome 50+, a DataView is returned instead of an ArrayBuffer.
    data = data.buffer ? data : new DataView(data);
    let temperature = data.getFloat64(0, /*littleEndian=*/ true);
    document.querySelector('#temp').innerHTML = temperature.toFixed(0);
},

摘要

讲解完毕，谢谢大家！如您所见，在客户端使用 Web Bluetooth 和在 Edison 上使用 Node.js 与蓝牙低功耗模式进行通信非常简单且功能强大。

通过使用实物网和网络蓝牙，Chrome 可以找到设备并允许用户轻松连接到该设备，而无需安装用户可能不想使用且可能会不时更新的应用。

演示

您可以尝试使用客户端获取灵感，了解如何创建自己的 Web 应用以连接到自定义物联网设备。

源代码

源代码可在此处获取。欢迎随时报告问题或发送补丁。

素描

如果您非常喜欢冒险，并希望重现我的作品，请参阅下面的 Edison 和电路试验板草图：