另一个家庭监控器
本次竞赛提交是一个家庭监控解决方案，该方案读取家中各个传感器的温度、湿度和状态。数据存储在 Azure 中，可以通过移动设备访问。
引言
技术爱好者拿到嵌入式设备后，首先想做的就是什么？当然是读取温度。在这个例子中，我有一个地下室的酒柜，我想监控它，以便知道酒的温度是否保持恒定。好吧，那个小项目逐渐发展到云集成和多种传感器类型。
本项目使用 Netduino plus 2 读取几种传感器的数据。首先，一个带有几个热电偶传感器的串行 OneWire 温度总线。其次，一个模拟湿度传感器连接到其中一个模拟端口。最后，使用一些磁性开关，我可以通过 Netduino 上可用的数字端口监控我的两个车库门的状态。
当然，拥有这些数据是一回事，但能够访问它们，并可能远程控制 Netduino 是目标。Netduino 记录的所有数据都将发送到 Azure 并存储在 SQL 数据库中。此外，还将创建一个 Web REST 接口，以便能够获取 Netduino 记录的数据并在移动设备上显示。在这种情况下，我将有一个 Windows Phone 应用程序，它可以从 Azure SQL 实例读取传感器数据。
背景
本项目的前提是使用廉价的终端设备（Netduino）收集大量分散的信息，并将这些数据存储在云中。然后，使用常见的移动平台（智能手机）检索这些原始和已分析的数据，并无论用户身在何处都可以显示给用户。
我为该实现选择的嵌入式设备是 Netduino Plus 2，有关该设备的更多信息可以在此处找到：http://www.netduino.com/。我正在使用 OneWire 串行总线从多个热电偶读取温度数据。关于 OneWire 的信息很多，有些可以在此处找到：http://developer.mbed.org/users/alpov/code/OneWire/docs/tip/。我正在使用 DBS18B20 温度传感器放置在我正在收集温度数据的实际物理位置。
车库门的状态是通过磁性开关监控的。门关闭时，电路闭合；门打开时，电路断开，这由 Netduino 设备捕获。
湿度监控使用 HM1500LF 湿度传感器（http://www.meas-spec.com/product/t_product.aspx?id=2448#）连接到 Netduino 模拟端口。湿度是使用一个公式计算的，该公式使用传感器报告的电压偏移来得出湿度百分比。
Visual Studio 2013 是本项目所有代码开发的基础。我正在使用 C# 以及与 Azure 和 Netduino 通信所需的众多库。.Net Micro Framework 的 Netduino 运行版本，SDK 和文档可以在此处找到：https://msdn.microsoft.com/en-us/library/ee436350.aspx
要设置 Netduino 开发的 VS 2013 环境，请按照此处的安装说明进行操作：http://www.netduino.com/downloads/
我将实现 Azure 中的存储和通信，所有与 Azure 相关的内容都可以在此处找到：http://azure.microsoft.com/en-us/。特别是，我将使用云服务、服务总线、SQL 服务和网站。
架构
Home Monitor 的架构是一个多层服务，其中一层是带有传感器的实际嵌入式设备，提供存储和智能的云服务（Azure），以及用于用户界面（UI）的移动平台。
这基于 IofT 模式，其中有一个入站服务队列，它与大量嵌入式设备存在多对一关系。还有一个一对一的关系用于设备命令队列，其中提交了将在远程嵌入式设备上执行的命令。
Netduino 上运行的 .Net Compact Framework 具有大量功能，但不提供完整的 .Net 或 Windows 环境。因此，无法运行可以直接与 Azure 中可用的服务通信的“标准”Windows 客户端。在这种情况下，我正在使用一种网关式方法来提供与远程嵌入式设备的通信。Netduino 使用基于套接字的 TCP/IP 通信连接并向 hmEnqueue Azure 云服务传输数据，该服务处理这些入站消息，并在 InBoundTemps Service Bus 队列上创建条目以供进一步处理。
从 Netduino 发送到 hmEnqueue 的数据采用序列化的 XML 格式，并直接放入 InBoundTemps 队列。然后，InBoundTemps 队列上的 XML 数据由 hmDequeue 工作角色反序列化并存储在 IofT SQL 数据库中。
hmNotify 工作角色负责监控 IofT 数据库，并在一段时间内未收到数据时创建异常消息。在此实现中，一个小时内未记录的温度数据将引发异常。我正在使用一个提供电子邮件接口给 hmNotify 服务的 App Service (SendGridEmail)。根据 IofT 数据库中的配置数据，如果配置传感器的温度数据在一个小时内未被记录，将向相关方生成异常电子邮件。对于此特定实例，我正在使用我的智能手机的电子邮件地址从 Azure 获取这些异常的 SMS 消息。
我还创建了 azHomeMonitor 网站来托管移动设备可以使用的 REST 服务。这些服务允许在智能手机上显示最近的温度、湿度读数、车库门的过去 24 小时活动和 24 小时平均值。
hmEnqueue 服务还为每个终端设备创建一个特定的队列。这通常是为将来使用而设计的，但设想允许将远程命令传输到 Netduino 设备。我已经通过测试代码实现了这一点，但目前还没有公开一种以编程方式控制嵌入式设备的方法。
使用代码
Netduino
嵌入式代码在启动时执行以下任务
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初始化网络
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使用 NTP 服务器设置当前时间（此处需要 DST 支持）
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创建我们要测量的传感器的对象
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初始化 OneWire 接口并读取总线上的传感器数量
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初始化数字端口以检查状态变化
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监控的引脚是 8、9、10、11、12、13
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为每个监控的端口创建中断处理程序
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初始化第一个模拟端口和湿度传感器
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创建用于检查的计时器
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温度（2 分钟）
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湿度（5 分钟）
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数字端口监控（1 秒）
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闪烁 LED（.75 秒短，2.5 秒长）
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创建板载按钮的中断处理程序
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从板载 LED 熄灭状态开始
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永远循环检查网络通信
网络通信
这个永远循环执行以下任务
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如果存在套接字连接，则进入 do-while 循环，通过已建立的 TCP/IP 套接字查找入站命令
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接收数据（发布在特定于此 Netduino 的 Azure 队列上的远程命令）时，执行操作。当前支持的操作是
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更改 LED 闪烁时序
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导致传输温度数据
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导致传输数字端口数据
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转储所有当前数据
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打开/关闭调试
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如果没有可用数据（超时）或接收命令时发生异常
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向 hmEnqueue 服务发送 PING
这将导致已关闭的套接字连接重新打开，并告知队列服务该设备仍然正常运行
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LED 计时器
此例程非常简单，它只是打开/关闭 LED。这使我能够即时获得嵌入式设备状态的反馈。间隔可以远程更改，但主要目的是手动查看设备状态。我认为 Netduino 的 TCP/IP 堆栈存在一个错误，可能导致整个设备挂起。这就是闪烁 LED 的原因。当我看到 LED 不闪烁，或者系统发送消息告诉我一个小时内未记录任何数据时，我可以重置设备并使其重新工作。
OneWire 计时器（默认 2 分钟）
此计时器会在每次触发时读取 OneWire 总线上所有热电偶设备的当前温度。温度收集在一个本地温度对象列表中，并每 5 次计时器中断（默认 10 分钟）传输到 hmEnqueue 服务。当此计时器触发第 5 次时，将生成网络消息并发送到 hmEnqueue 服务，其中包含记录的温度。然后重置这些温度的本地列表，过程重新开始。
出站数据被序列化为 XML 格式以传输到 hmEnqueue 服务。虽然比 JSON 稍微冗长一些，但在此案例中我想使用 XML 来平衡该解决方案，展示超过一种序列化/反序列化对象模型的方法（JSON）。
获取热电偶温度的实际代码如下所示。
public double getTemperature(byte[] device,DeviceType deviceType)
{
resetBus();
selectDevice(device);
convertTemp();
resetBus();
selectDevice(device);
double temp = readTemp(deviceType);
return temp;
}
public double readTemp(DeviceType deviceType)
{
int theTemp = 0;
double dtemp = 0;
byte[] results = new byte[45];
byte[] readTemp = new byte[] { W, 0, A, B, E, F, F, F, F, F, F, F, F, F, F, F, F, F, F, F, F, F, F, CR };
writeData(readTemp, 24);
if (readData(results, CR) > 0)
{
int half = 0;
int sign = 0;
switch (deviceType)
{
case DeviceType.DS18B20:
theTemp = convertHexCharByte(results[5]) & 0x07; // LSb of MSB and mask out the sign bits
theTemp = (theTemp << 4 | convertHexCharByte(results[2])); // Shift and add in MSb of LSB
half = convertHexCharByte(results[3]); // Take LSb of LSB for decimal temp bits
sign = convertHexCharByte(results[4]) & 0x01; // Check if negative temperature
dtemp = (double)theTemp;
if (half > 0)
dtemp += ((double)half)/10.0;
if (sign > 0)
dtemp *= -1;
break;
case DeviceType.DS1822:
theTemp = convertHexCharByte(results[2]);
theTemp = (theTemp << 4 | convertHexCharByte(results[3])); // Shift in the two actual temperature bytes
theTemp = (theTemp >> 1); // Shift out the decimal
half = convertHexCharByte(results[3]) & 0x01; // Check if decimal .5 is indicated
sign = convertHexCharByte(results[4]) & 0x01; // Check if negative temperature
dtemp = (double)theTemp;
if (half > 0)
dtemp += .5;
if (sign > 0)
dtemp *= -1;
break;
}
}
return dtemp;
}
湿度传感器计时器（默认 5 分钟）
此计时器处理程序读取模拟端口并创建一个当前的湿度读数。通过读取模拟输入的电压并计算实际湿度（百分比），来计算当前湿度。它还将此读数的日期/时间与湿度一起存储在湿度读数列表中。当收集到 3 个读数时（默认 15 分钟），这些数据将被序列化为 XML 并传输到 hmEnqueue 服务。
public double readHumidity()
{
double voltage = analogInput.Read() * _referenceVoltage;
humidity = 0.03892 * (voltage*1000) - 42.017; // Voltage in mv
lastReading = DateTime.Now;
return humidity;
}
数字端口计时器（默认 1 秒）
虽然实际事件（数字状态变化）由中断处理程序处理，但此计时器例程会查看数字状态更改列表，以查看是否创建了任何条目。如果列表中存在条目，则将其序列化为 XML 并传输到 hmEnqueue。然后清除列表。
板载按钮中断
此中断处理程序将创建一个出站 XML 消息，并将该消息传输到 hmEnqueue 服务。它将收集并传输温度、数字端口数据和湿度数据，并重置这些出站列表。
入站消息
发送到设备的邮件由 processMessage 循环处理。目前，这非常有限，但允许更改 LED 的闪烁速率并将调试模式打开/关闭。您还可以发送命令以根据需要转储队列中的所有数据或部分数据。
azEnqueue
此工作角色初始化网络堆栈，创建一个套接字进行监听，然后监听入站连接。当检测到入站连接时，会创建一个线程从该套接字接收数据，然后监听器继续监听。
public netListen(IPEndPoint npEndPoint, ref QueueClient inboundQueue, addQueueDelegate addQueue )
{
_inboundDataQueue = inboundQueue;
listenSocket = new Socket(AddressFamily.InterNetwork, SocketType.Stream, ProtocolType.Tcp); //Initialize Socket class
npEndPoint.Address = IPAddress.Any;
listenSocket.Bind(npEndPoint); //Request and bind to an IP from DHCP server
listenSocket.Listen(10); //Start listen for net requests
log("Listening on configured endpoint...");
}
读取数据的线程负责获取入站 XML 流并将其放入 InBound Temps 队列以存储在 SQL 数据库中。
public void readSocket()
{
IPEndPoint clientIP = clientSocket.RemoteEndPoint as IPEndPoint;
log("New connection from: " + clientIP.Address.ToString());
byte[] buffer = new byte[_bufferSize];
string message = "";
int readByteCount = 0;
clientSocket.SendTimeout = 10000;
clientSocket.ReceiveTimeout = 90000; // 90 second receive timeout, should get pings every minute
while (isRunning && (clientSocket != null))
{
message = "";
try
{
do
{
readByteCount = clientSocket.Receive(buffer, _bufferSize, SocketFlags.None);
if (readByteCount > 0)
{
message += Encoding.UTF8.GetString(buffer, 0, readByteCount);
Thread.Sleep(80); // Give the slower device a chance to catch up
}
}
while (clientSocket.Available > 0);
if (readByteCount != 0)
processMessage(message);
else
{
log("Closed connection from: " + clientIP.Address.ToString());
RequestStop();
}
}
catch (Exception ex)
{
log("RecvEx: " + ex.Message);
RequestStop();
}
}
}
public void processMessage(string message)
{
int index = message.IndexOf("<##>"); // Look for first occurance of header (for multiple XML messages)
string subMessage = "";
while (index >= 0)
{
index += 5;
int nextXML = message.IndexOf("<##>", index); // Look for next occurance of header, if any
if (nextXML > 0)
subMessage = message.Substring(index, nextXML - index);
else
subMessage = message.Substring(index);
processXML(subMessage);
index = nextXML;
}
}
public void processXML(string message)
{
XmlDocument xDoc = new XmlDocument();
try
{
if (message.IndexOf("</Home") >= 0) // Real XML message, not just a single line ping
{
xDoc.LoadXml(message); // Load to validate XML
log("MsgRecvd: Putting on queue now.");
BrokeredMessage brokered = new BrokeredMessage(message);
inboundDataQueue.Send(brokered); // put on inbound data queue
}
else
{
if( macAddress == null )
{
int client = message.IndexOf("Client");
if( client > 0 )
{
int fquote = message.IndexOf('"',client);
int squote = message.IndexOf('"', fquote+1);
macAddress = message.Substring(fquote + 1, (squote - fquote-1));
sendCommands = new Thread(readCommandQueue);
sendCommands.Start();
}
}
}
}
catch (SystemException se)
{
log("Excp (processsXML): " + se.Message);
log(message);
}
}
public bool sendMessage(string message)
{
try
{
int sent = clientSocket.Send(Encoding.UTF8.GetBytes(message), message.Length, SocketFlags.None);
if (sent == message.Length)
return true;
}
catch (SocketException se)
{
log("SendEx: " + se.ErrorCode.ToString());
RequestStop();
}
return false;
}
processMessage 函数能够“看到”多个 XML 消息。对于这项工作，我在 XML 消息之间放置了一个简单的标记（<##>），允许 processMessage 函数分隔不同的 XML 数据流。这些分隔的流用于创建 BrokeredMessage 对象，然后将这些对象放入 InBound Temps 队列。
每 60 秒收到的 Ping 消息现在将被此工作角色丢弃。但是，它们可以被处理并中继到某种系统监视器，以近乎实时地监视嵌入式设备。
IofT SQL 数据库
IofT 数据库中有 7 个表。它们是
-
ndTemps – 用于存储温度数据
-
记录 ID
-
Device
-
温度计（唯一的 OneWire 设备地址）
-
采样时间
-
摄氏度
-
-
ndHumidity – 用于存储湿度数据
-
记录 ID
-
设备（MAC 地址）
-
湿度
-
采样时间
-
模拟端口
-
-
ndStates – 用于存储数字状态数据（即车库门状态）
-
记录 ID
-
设备（MAC 地址）
-
端口
-
操作时间
-
isOpen（电路开启指示器）
-
-
ndDevices – 配置表，包含系统中所有设备
-
描述（主要是位置）
-
设备（MAC 地址）
-
类型
-
通知邮件地址
-
-
ndHumidSensor – 配置表，包含系统中所有湿度传感器
-
记录 ID
-
设备（MAC 地址）
-
模拟端口 – 传感器连接的模拟端口
-
描述（位置）
-
类型
-
-
ndPorts – 配置表，包含数字状态的端口映射
-
记录 ID
-
设备（MAC 地址）
-
端口
-
描述
-
-
ndTherms – 配置表，包含系统中所有温度传感器
-
描述
-
温度计 – 设备唯一地址（仅在 OneWire 总线上唯一，不是设备）
-
设备（MAC 地址）
-
类型
-
azDequeue
此工作角色初始化 InBound Temps 队列，然后在该队列上启动消息泵。在初始化期间，将创建必要的 SQL 表（如上所述），如果它们尚不存在。
从 Netduino 入站的消息被处理并放入 XMLDocument 对象中。然后检查文档中的节点，从 XMLDocument 中检索数据并将其存储在 SQL 数据库中。
提取数字端口数据，并使用以下 SQL 语句将新行插入 ndStates 数据库。
"INSERT INTO ndStates (Device, Port, Time, isOpen) values ('" + client + "', '" + port + "', '" + time + "', '" + open + "')"
提取湿度数据，并使用以下 SQL 语句将新数据插入表中。
INSERT INTO ndHumidity (Device, Humidity, Time, AnalogPort) values ('" + client + "', '" + humidity + "', '" + time + "', '" + analog + "')"
提取温度数据并使用以下 SQL 语句。
"INSERT INTO ndTemps (Device, Thermometer, Time, Celsius) values ('" + client + "', '" + device + "', '" + time + "', " + temp + ")"
azNotify
此工作角色负责监控 SQL 数据库中的数据并报告状态。该角色查看配置数据库（ndDevices）并创建系统中设备对象的列表。然后它运行一个连续循环，检查这些设备在过去一小时内的数据更新。如果查询没有返回数据，则调用 sendMail 过程，该过程将向该设备配置的电子邮件地址发送电子邮件。
bool sendMail(string contactEmail, string message)
{
bool sent = false;
try
{
MailMessage newMail = new MailMessage("youremail@hotmail.com", contactEmail);
newMail.Subject = "HM: Activity";
newMail.Body = message;
SmtpClient msgClient = new SmtpClient("smtp.sendgrid.net");
msgClient.Credentials = new NetworkCredential("azure_<yourcredshere>@azure.com", "<key>");
msgClient.Send(newMail);
sent = true;
}
catch (Exception e)
{
log("hmNotify:SendMail() Exception: " + e.Message + ", " + e.InnerException.Message,true);
}
return sent;
}
此函数使用第三方 Azure 应用程序 SendMail 来提供 SMTP 服务。
azHomeMonitor
这是一个简单的网站，实现了一个 Controller 对象，可以处理以下请求
-
GET: /hm/devices/id
-
GET: /hm/therm/id
-
GET: /hm/temp/id
-
GET: /hm/ports/id
-
GET: /hm/state/id
-
GET: /hm/humidity/id
-
GET: /hm/averages/id
这是湿度 Action 的代码
public ActionResult Humidity(string Id)
{
List<hmHumidity> humidities = new List<hmHumidity>();
sqlData.sqlCommand.CommandText = "select top 1 ndHumidity.Device, ndDevices.Description, ndDevices.Type, ndHumidSensor.Description, ndHumidSensor.Type, ndHumidity.Time, ndHumidity.Humidity from ndHumidity inner join ndDevices on ndHumidity.Device = ndDevices.Device inner join ndHumidSensor on ndHumidSensor.AnalogPort = ndHumidity.AnalogPort where ndHumidity.Device = '" + Id + "' order by ndHumidity.Time desc";
SqlDataReader reader = sqlData.sqlCommand.ExecuteReader();
while (reader.Read())
{
IDataRecord record = (IDataRecord)reader;
hmHumidity humidity = new hmHumidity();
humidity.device = (string) record[0];
humidity.description = (string) record[1];
humidity.type = (string) record[2];
humidity.sensorDescription = (string) record[3];
humidity.sensorType = (string) record[4];
humidity.time = (DateTime)record[5];
humidity.humidity = (double) record[6];
humidities.Add(humidity);
}
return Json(humidities, JsonRequestBehavior.AllowGet);
}
您可以在此处实时查看 API：http://azhomemonitor.azurewebsites.net/Help
Windows Phone 应用程序
我确实创建了一个 Windows 8.0 手机应用程序，该应用程序可以消耗上面列出的 Web 服务中的 JSON，但正在用一个 Windows 8 通用应用程序替换它，该应用程序将能够与 Netduino 设备进行通信。所以，请继续关注更多相关信息。
关注点
当我开始这个项目时，我不确定 Service Bus 队列的订阅或主题是否已经存在。根据我对该机制的理解，我将在未来研究它。创建单个出站队列用于所有设备，但通过主题专门针对单个设备的能力将非常有趣。
我还设想创建一个可移植类库，并仅使用 XML/JSON 序列化例程来序列化类，这样我就不必直接操作任何 XML 或 JSON 数据。我已在另一个基于 Azure 的系统中实现了这一点，因此知道它有效并且代码量更少。
历史
我于 2014 年初开始此项目，但将其搁置了一段时间。当我看到这个竞赛时，我决定复活它并完成它。当然，这导致了一些期望的改进（如上所述）以及对手机应用程序的重写。我想没有项目是完全“完成”的。