使用 Intel Edison 建立啟用網路的 IoT 裝置

Kenneth Christiansen

物聯網目前是大家熱議的話題，這讓我這類愛動手和編寫程式的人感到非常興奮。沒有什麼比讓自己的發明變得栩栩如生，並能與之對話更酷炫了！

不過，如果 IoT 裝置安裝您很少使用的應用程式，可能會造成困擾，因此我們採用即將推出的網頁技術 (例如 Physical Web 和 Web Bluetooth)，讓 IoT 裝置更直覺且不具侵擾性。

網頁和 IoT，相得益彰

物聯網要想大放異彩，仍有許多難關要克服。其中一個障礙是，有些公司和產品會要求使用者為購買的每部裝置安裝應用程式，導致使用者手機上充斥著許多「很少使用」的應用程式。

因此，我們非常期待Physical Web 專案，讓裝置以不干擾的方式，將網址廣播到線上網站。搭配新興的網路技術，例如 Web Bluetooth、Web USB 和 Web NFC，網站就能直接連線至裝置，或至少說明正確的連線方式。

雖然本文主要著重於 Web Bluetooth，但某些用途可能更適合使用 Web NFC 或 Web USB。舉例來說，如果您基於安全性考量而需要實體連線，建議使用 Web USB。

網站也可以做為漸進式網頁應用程式 (PWA)。我們建議讀者參閱 Google 對 PWA 的說明。PWA 是具備回應式應用程式使用者體驗的網站，可在離線狀態下運作，並可新增至裝置主畫面。

為了證明概念，我一直使用 Intel® Edison Arduino 擴充板來建構小型裝置。裝置包含溫度感應器 (TMP36) 和致動器 (彩色 LED 陰極)。這部裝置的電路圖可參見本文結尾。

Intel Edison 是一款有趣的產品，因為它可以執行完整的 Linux* 發行版本。因此，我可以輕鬆使用 Node.js 編寫程式碼。安裝程式可讓您安裝 Intel* XDK，讓您輕鬆上手，但您也可以手動編寫程式並上傳至裝置。

注意： 您可以使用 Brillo* 或 Ostro* 作業系統，而非預設的作業系統軟體。如果是這樣，請按照 Brillo 或 Ostro OS 說明文件的說明，在裝置上執行 Node.js 應用程式。

針對我的 Node.js 應用程式，我需要三個節點模組及其依附元件：

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

前者會自動安裝 noble，這是我用來透過藍牙低功耗進行通訊的節點模組。

注意： 請勿在 package.json 檔案中將 noble 列為依附元件，因為您需要使用與 eddystone-beacon 相同的 noble 例項，才能讓兩者搭配運作。詳情請參閱這篇文章

。

專案的 package.json 檔案如下所示：

{
    "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"
    }
}

宣布推出網站

自 49 版起，Android 版 Chrome 支援 Physical Web，可讓 Chrome 查看周遭裝置發布的網址。開發人員必須瞭解一些必要條件，例如網站必須可供大眾存取，且使用 HTTPS。

Eddystone 通訊協定對網址有 18 個位元組大小限制。因此，為了讓我的示範應用程式網址 (https://webbt-sensor-hub.appspot.com/) 正常運作，我必須使用網址縮短工具。

廣播網址的做法相當簡單。您只需匯入必要的程式庫，並呼叫幾個函式即可。其中一種方法是在 BLE 晶片開啟時呼叫 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'});
    }   
}

這麼做真的很簡單。下圖顯示 Chrome 順利找到裝置。

注意： 只有在開啟藍牙並啟動 Chrome 時，支援 Physical Web 的裝置才會顯示在手機上 (目前僅適用於 Beta 版)。此外，您必須在首次啟動 Chrome Beta 版時選擇啟用這項功能。

與感應器/執行器通訊

我們使用 Johnny-Five* 與擴充板互動。Johnny-Five 提供了一個不錯的抽象層，可用來與 TMP36 感應器通訊。

您可以參考下方的簡單程式碼，瞭解如何接收溫度變更通知，以及設定初始 LED 顏色。

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);
});

您可以先忽略上述 *Characteristic 變數，這些變數將在後續的藍牙介面相關章節中定義。

如您在溫度計物件例項化時所見，我會透過類比 A0 連接埠與 TMP36 通訊。彩色 LED 陰極上的電壓支架連接至數位接腳 3、5 和 6，而這恰好是 Edison Arduino 擴充板上的脈衝寬調變 (PWM) 接腳。

與藍牙對話

與藍牙通訊比使用 noble 更容易。

在以下範例中，我們建立了兩個 Bluetooth Low Energy 特性：一個用於 LED，另一個用於溫度感應器。前者可讓我們讀取目前的 LED 顏色，並設定新顏色。後者可讓我們訂閱溫度變更事件。

注意：一開始，我遇到一些問題，包括藍牙連線不穩定、無法在每次啟動時運作，或是在連線時因影格重組失敗而退出。如果發生這種情況，請透過序列連線執行 rfkill block bluetooth 指令，接著執行 rfkill unblock bluetooth，讓連線重新運作。當我開始透過電源供應器為裝置供電，而非使用 USB 供電時，啟動問題就消失了。如果您遇到影格重組失敗問題，請減少傳送溫度變更事件的頻率，直到不再發生失敗為止。一般來說，使用藍牙或將伺服器等裝置連接至電路板時，請務必使用外部電源。

使用 noble 建立特徵相當簡單。您只需定義特性的通訊方式和 UUID 即可。通訊選項包括讀取、寫入、通知或任何組合。最簡單的做法是建立新物件，並從 bleno.Characteristic 繼承。

注意：由於 Edison SDK 目前使用舊版 Node.js，因此我在這裡並未使用 ES2016。

注意：隨著支援 Edison 的新推出的 Ostro Project 問世，情況已不再如此。如果您使用 Brillo 作為 Brillo 搶先體驗計畫的一部分，則可以編譯及安裝最新版本的 Node.js。

產生的特性物件如下所示：

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);

我們會將目前的溫度值儲存在 this._lastValue 變數中。我們需要新增 onReadRequest 方法，並為「讀取」編碼值。

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

針對「通知」，我們需要新增方法來處理訂閱和取消訂閱。基本上，我們只會儲存回呼。當我們要傳送新的溫度原因時，就會使用新值 (以上述方式編碼) 呼叫該回呼。

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;
};

由於值可能會稍微波動，因此我們需要平滑化從 TMP36 感應器取得的值。我選擇直接取 100 個樣本的平均值，並只在溫度變動至少 1 度時傳送更新。

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);
    }
};

那是溫度感應器。彩色 LED 燈更簡單。物件和「read」方法如下所示。該特性已設定為允許「讀取」和「寫入」作業，且 UUID 與溫度特性不同。

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);
};

為了從物件控制 LED，我新增了 this._led 成員，用於儲存 Johnny-Five LED 物件。我也會將 LED 的顏色設為預設值 (白色，也就是 #ffffff)。

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

「write」方法會接收字串 (就像「read」會傳送字串一樣)，其中可以包含 CSS 顏色代碼 (例如：CSS 名稱，例如 rebeccapurple 或十六進位代碼，例如 #ff00bb)。我使用名為 parse-color 的節點模組，一律取得 Johnny-Five 預期的十六進位值。

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);
};

如果未加入 bleno 模組，上述所有操作都無法運作。eddystone-beacon 無法與 bleno 搭配運作，除非您使用與 noble 一起發布的版本。所幸，這麼做很簡單：

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

我們現在只需要讓它宣傳我們的裝置 (UUID) 及其特性 (其他 UUID)

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

建立用戶端網頁應用程式

為了避免過度深入說明用戶端應用程式非藍牙部分的運作方式，我們可以以在 Polymer* 中建立的回應式使用者介面為例。最終的應用程式如下所示：

右側顯示較舊的版本，其中顯示我為了簡化開發作業而新增的簡單錯誤記錄。

Web Bluetooth 可讓您輕鬆與藍牙低功耗裝置通訊，因此讓我們看看簡化的連線程式碼。如果您不瞭解承諾的運作方式，請先參閱這份資源，再繼續閱讀本文。

連線至藍牙裝置時，會涉及一連串的承諾。首先，我們會篩選裝置 (UUID：FC00，名稱：Edison)。這會顯示對話方塊，讓使用者根據篩選條件選取裝置。接著，我們會連線至 GATT 服務，並取得主要服務和相關特性，然後讀取值並設定通知回呼。

注意：如要讓承諾鏈中的連續讀取/寫入作業發生，最佳做法是避免使用 Promise.all([p1, p2]) 之類的功能並行擷取特性。

下方程式碼的簡化版本僅適用於最新的 Web Bluetooth API，因此需要在 Android 上使用 Chrome 開發人員版本 (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.
});

從 DataView / ArrayBuffer (WebBluetooth API 使用的內容) 讀取及寫入字串，就像在 Node.js 端使用 Buffer 一樣簡單。我們只需要使用 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);
},

處理溫度感應器的 characteristicvaluechanged 事件也相當簡單：

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

就這樣，各位！如您所見，使用用戶端的 Web Bluetooth 和 Edison 上的 Node.js 與低功耗藍牙通訊，既簡單又強大。

Chrome 會使用 Physical Web 和 Web Bluetooth 尋找裝置，讓使用者輕鬆連線，不必安裝使用者不想安裝的應用程式 (這類應用程式可能會不時更新)。

示範

您可以試試用戶端，瞭解如何建立自己的網路應用程式，連線至自訂物聯網裝置。

原始碼

原始碼可在這裡取得。歡迎回報問題或傳送修補程式。

素描

如果您想嘗試重現我所做的事，請參閱下方的 Edison 和麵包板草圖：