【Funpack3-5】基于Arduino UNO R4 WiFi板的温湿度传感器采集以及云端显示

内容介绍

一、项目介绍

本次活动是Funpack活动第五期，是由硬禾学堂联合DigiKey发起的“玩成功就全额退”活动，本次提供了三款板卡供大家选择，本人选择的是Arduino UNO R4 WiFi 板，根据活动要求，将通过这个板卡实现搭配传感器通过网络连接到智能云端，可以从远程获取传感器的信息。这个板卡也非常适合我们的设计需求。

进入本活动的开发板使用之旅，深入体验Arduino的快速原型设计，完成了一系列的任务与挑战从基础配置到进阶应用，全面体验了物联网开发的乐趣。本次选用的传感器是SHT40温湿度传感器，主要实现的是基于Arduino UNO R4 WiFi板的温湿度传感器采集以及云端显示。

本次使用的硬件包括：

Arduino UNO R4 WiFi板：Arduino UNO R4 WiFi 是一款基于32位Arm® Cortex®-M4 Renesas RA4M1微控制器，具有用于 Wi-Fi® 和蓝牙连接的ESP32模块，具备强大的计算能力和多种连接功能。该板SRAM 32kB，闪存256kB，时钟频率为48MHz，USB端口升级为USB-C，并且最大电源供应电压增加到24V。该板提供了一个CAN总线，允许用户通过连接多个扩展板来最小化布线并执行不同的任务。板载的Qwiic 连接器可以方便地创建即插即用风格的项目。

SHT40温湿度传感器扩展板：SHT4x是一个数字传感器平台，用于测量不同精度等级的相对湿度和温度。其I2C接口提供多个预配置的I2C地址，同时保持超低功耗预算(0.4 μW)。电源修剪的内部加热器可以在三个加热级别使用，从而使传感器在苛刻的环境中运行。四针双平面无引线封装适用于表面贴装技术(SMT)加工，包括可选的封装上专利PTFE[1]膜或可拆卸的保护罩。根据ISO17025的传感器特定校准证书，可通过唯一序列号识别。

二、设计思路

项目的设计思路主要围绕物联网（IoT）的核心概念展开，即通过传感器采集数据，利用开发板进行处理，并通过网络传输至云端或智能家居平台进行远程监控。具体而言，项目分为以下几个阶段：

基础配置与环境搭建：首先，需要配置Arduino IDE开发环境，连接Arduino UNO R4 WiFi开发板，确保能够正常上传代码并进行调试。

传感器数据采集：利用SHT40温湿度传感器，采集温度和湿度数据。

数据处理与显示：在开发板上处理传感器数据，通过串口打印等方式进行初步展示。

网络通信与数据上传：利用开发板的WiFi功能，通过MQTT协议将传感器数据上传至HomeAssistant智能家居平台，实现远程监控。

整体的硬件框图如下：

三、软件流程图及各功能对应的主要代码片段及说明

软件流程图：

初始化：配置开发环境，连接开发板，安装基础库。

传感器数据采集：通过I2C接口读取SHT40传感器的数据。

数据处理：在开发板上处理传感器数据，进行必要的计算或转换。

数据显示：通过串口打印等方式显示传感器数据。

网络通信：配置WiFi和MQTT参数，将传感器数据上传至HomeAssistant平台。

主要代码片段及说明：

初始化代码：

void setup() {
  // put your setup code here, to run once:
  Serial.begin(115200); 

  while (!Serial) {
    ; // wait for serial port to connect. Needed for native USB port only
  }

  Serial.println("HA com test");
  Serial.println("connect to WPA SSID: ");
  Serial.println(ssid);
  // attempt to connect to WiFi network:
  while (WiFi.begin(ssid, pass) != WL_CONNECTED) {
    Serial.print("......");
    delay(5000);
  }

  Serial.print("connect wifi succeed!");
  Serial.println();
  Serial.println(WiFi.localIP());

  // You can provide a unique client ID, if not set the library uses Arduino-millis()
  // Each client must have a unique client ID
   mqttClient.setId("clientId");

  // You can provide a username and password for authentication
   mqttClient.setUsernamePassword("admin", "admin");

  Serial.print("connect to the MQTT broker: ");
  Serial.println(broker);

  if (!mqttClient.connect(broker, port)) {
    Serial.print("MQTT connection failed! Error code = ");
    Serial.println(mqttClient.connectError());

    while (1);
  }

  Serial.println("connected to the MQTT succeed!");
  Serial.println();

  sht4.setPrecision(SHT4X_HIGH_PRECISION);
  switch (sht4.getPrecision()) {
     case SHT4X_HIGH_PRECISION: 
       Serial.println(F("SHT40 set to High precision"));
       break;
     case SHT4X_MED_PRECISION: 
       Serial.println(F("SHT40 set to Medium precision"));
       break;
     case SHT4X_LOW_PRECISION: 
       Serial.println(F("SHT40 set to Low precision"));
       break;
  } 

  sht4.setHeater(SHT4X_NO_HEATER);
  switch (sht4.getHeater()) {
     case SHT4X_NO_HEATER: 
       Serial.println(F("SHT40 Heater turned OFF"));
       break;
     case SHT4X_HIGH_HEATER_1S: 
       Serial.println(F("SHT40 Heater: High heat for 1 second"));
       break;
     case SHT4X_HIGH_HEATER_100MS: 
       Serial.println(F("SHT40 Heater: High heat for 0.1 second"));
       break;
     case SHT4X_MED_HEATER_1S: 
       Serial.println(F("SHT40 Heater: Medium heat for 1 second"));
       break;
     case SHT4X_MED_HEATER_100MS: 
       Serial.println(F("SHT40 Heater: Medium heat for 0.1 second"));
       break;
     case SHT4X_LOW_HEATER_1S: 
       Serial.println(F("SHT40 Heater: Low heat for 1 second"));
       break;
     case SHT4X_LOW_HEATER_100MS: 
       Serial.println(F("SHT40 Heater: Low heat for 0.1 second"));
       break;
  }  

  if (! sht4.begin(&Wire1)) {
    Serial.println(F("SHT40 sensor not found!"));
    while (1) ;
  }
   else
  {
    Serial.print(F("SHT40 detected!\t"));
    Serial.print(F("Serial number:\t"));
    Serial.println(sht4.readSerial(), HEX);    
  } 
}

初始化部分一共包括三部分，包括串口初始化，这一部分主要属于板卡的基础功能，配置波特率就可以启用；第二部分是网络通信部分的初始化，需要配置wifi以及目标网络等内容；第三部分就是传感器的初始化，需要进行一些基础配置。

传感器数据采集代码：

sensors_event_t humidity, temp;
sht4.getEvent(&humidity, &temp);// populate temp and humidity objects with fresh data

float tem = temp.temperature;
Serial.println("Temp *C = " + String(tem)); 
float hum = humidity.relative_humidity;
Serial.println("Hum. % = " + String(hum));

由于我们已经实现传感器以及串口的基础配置，这里我们只要进行一些技术的采集就可以轻松实现；

网络通信代码：

  dataObj["hum"] = round(hum);
  dataObj["tem"] = round(tem);
  String jsonString = JSON.stringify(dataObj);

  mqttClient.beginMessage(state_topic);
  mqttClient.print(jsonString);
  mqttClient.endMessage();

这里主要是生成能够识别的MQTT协议，并启用发送；

四、功能展示及说明

1、串口打印传感器数据：通过串口打印SHT40温湿度传感器的数据：

2、HomeAssistant平台远程监控：将传感器数据通过MQTT协议上传至HomeAssistant智能家居平台，实现远程监控和数据可视化：

整体的动态显示可以查看视频中的效果展示部分。

五、心得体会

通过参与本次Funpack3-5活动，深刻体验了物联网开发的乐趣。从基础配置到进阶应用，每一步都充满了学习的机会和成长的空间。通过实际操作，掌握了Arduino UNO R4 WiFi开发板的使用方法，还学会了如何与传感器进行通信、如何处理数据并上传至云端平台。我们在学习过程中要充分查找学习资源，有利于快速进行代码实现和问题排除。