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將您的 IoT 裝置連接到雲端 - Wio Terminal

在本課程的這部分，您將把 Wio Terminal 連接到 IoT Hub，以傳送遙測數據並接收指令。

將裝置連接到 IoT Hub

下一步是將您的裝置連接到 IoT Hub。

任務 - 連接到 IoT Hub

在 VS Code 中打開 soil-moisture-sensor 專案。
打開 platformio.ini 檔案。移除 knolleary/PubSubClient 函式庫的依賴項。這個函式庫是用來連接到公共 MQTT broker 的，但連接到 IoT Hub 時不需要。

添加以下函式庫依賴項：

seeed-studio/Seeed Arduino RTC @ 2.0.0
arduino-libraries/AzureIoTHub @ 1.6.0
azure/AzureIoTUtility @ 1.6.1
azure/AzureIoTProtocol_MQTT @ 1.6.0
azure/AzureIoTProtocol_HTTP @ 1.6.0
azure/AzureIoTSocket_WiFi @ 1.0.2

Seeed Arduino RTC 函式庫提供與 Wio Terminal 的實時時鐘互動的程式碼，用於追蹤時間。其餘的函式庫則允許您的 IoT 裝置連接到 IoT Hub。

在 platformio.ini 檔案的底部添加以下內容：
```
build_flags =
    -DDONT_USE_UPLOADTOBLOB
```
這會設置一個編譯器標誌，在編譯 Arduino IoT Hub 程式碼時需要用到。
打開 config.h 標頭檔案。移除所有 MQTT 設定，並添加以下裝置連接字串的常數：
```
// IoT Hub settings
const char *CONNECTION_STRING = "<connection string>";
```
將 <connection string> 替換為您之前複製的裝置連接字串。

連接到 IoT Hub 使用的是基於時間的權杖。這意味著 IoT 裝置需要知道當前時間。與 Windows、macOS 或 Linux 等操作系統不同，微控制器不會自動通過網際網路同步當前時間。因此，您需要添加程式碼從 NTP 伺服器獲取當前時間。一旦獲取時間，它可以存儲在 Wio Terminal 的實時時鐘中，允許在稍後請求正確時間，前提是裝置未斷電。新增一個名為 ntp.h 的檔案，並添加以下程式碼：

#pragma once

#include "DateTime.h"
#include <time.h>
#include "samd/NTPClientAz.h"
#include <sys/time.h>

static void initTime()
{
    WiFiUDP _udp;
    time_t epochTime = (time_t)-1;
    NTPClientAz ntpClient;

    ntpClient.begin();

    while (true)
    {
        epochTime = ntpClient.getEpochTime("0.pool.ntp.org");

        if (epochTime == (time_t)-1)
        {
            Serial.println("Fetching NTP epoch time failed! Waiting 2 seconds to retry.");
            delay(2000);
        }
        else
        {
            Serial.print("Fetched NTP epoch time is: ");

            char buff[32];
            sprintf(buff, "%.f", difftime(epochTime, (time_t)0));
            Serial.println(buff);
            break;
        }
    }

    ntpClient.end();

    struct timeval tv;
    tv.tv_sec = epochTime;
    tv.tv_usec = 0;

    settimeofday(&tv, NULL);
}

這段程式碼的細節超出了本課程的範圍。它定義了一個名為 initTime 的函數，用於從 NTP 伺服器獲取當前時間，並用它來設置 Wio Terminal 的時鐘。

打開 main.cpp 檔案，移除所有 MQTT 程式碼，包括 PubSubClient.h 標頭檔案、PubSubClient 變數的宣告、reconnectMQTTClient 和 createMQTTClient 方法，以及對這些變數和方法的任何調用。該檔案應僅包含連接 WiFi、獲取土壤濕度並用其創建 JSON 文件的程式碼。

在 main.cpp 檔案的頂部添加以下 #include 指令，以包含 IoT Hub 函式庫和設置時間的標頭檔案：

#include <AzureIoTHub.h>
#include <AzureIoTProtocol_MQTT.h>
#include <iothubtransportmqtt.h>
#include "ntp.h"

在 setup 函數的末尾添加以下調用來設置當前時間：
```
initTime();
```
在檔案頂部的 include 指令下方添加以下變數宣告：
```
IOTHUB_DEVICE_CLIENT_LL_HANDLE _device_ll_handle;
```
這宣告了一個 IOTHUB_DEVICE_CLIENT_LL_HANDLE，即 IoT Hub 連接的句柄。

在這之下添加以下程式碼：

static void connectionStatusCallback(IOTHUB_CLIENT_CONNECTION_STATUS result, IOTHUB_CLIENT_CONNECTION_STATUS_REASON reason, void *user_context)
{
    if (result == IOTHUB_CLIENT_CONNECTION_AUTHENTICATED)
    {
        Serial.println("The device client is connected to iothub");
    }
    else
    {
        Serial.println("The device client has been disconnected");
    }
}

這定義了一個回調函數，當連接到 IoT Hub 的狀態發生變化（例如連接或斷開）時會被調用。狀態會被發送到序列埠。

在這之下添加一個函數來連接到 IoT Hub：

void connectIoTHub()
{
    IoTHub_Init();

    _device_ll_handle = IoTHubDeviceClient_LL_CreateFromConnectionString(CONNECTION_STRING, MQTT_Protocol);

    if (_device_ll_handle == NULL)
    {
        Serial.println("Failure creating Iothub device. Hint: Check your connection string.");
        return;
    }

    IoTHubDeviceClient_LL_SetConnectionStatusCallback(_device_ll_handle, connectionStatusCallback, NULL);
}

這段程式碼初始化 IoT Hub 函式庫程式碼，然後使用 config.h 標頭檔案中的連接字串創建連接。該連接基於 MQTT。如果連接失敗，錯誤會被發送到序列埠——如果您在輸出中看到這個錯誤，請檢查連接字串。最後，設置連接狀態回調。

在 setup 函數中，將此函數調用添加到 initTime 調用的下方：
```
connectIoTHub();
```
與 MQTT 客戶端一樣，這段程式碼在單一執行緒上運行，因此需要時間來處理由 Hub 發送和接收的消息。在 loop 函數的頂部添加以下內容來實現：
```
IoTHubDeviceClient_LL_DoWork(_device_ll_handle);
```
編譯並上傳這段程式碼。您會在序列監視器中看到連接：
```
Connecting to WiFi..
Connected!
Fetched NTP epoch time is: 1619983687
Sending telemetry {"soil_moisture":391}
The device client is connected to iothub
```
在輸出中，您可以看到 NTP 時間被獲取，隨後裝置客戶端連接。連接可能需要幾秒鐘，因此在裝置連接時，您可能會在輸出中看到土壤濕度。

💁 您可以使用像 unixtimestamp.com 這樣的網站將 UNIX 時間轉換為更易讀的格式。

傳送遙測數據

現在您的裝置已連接，您可以將遙測數據發送到 IoT Hub，而不是 MQTT broker。

任務 - 傳送遙測數據

在 setup 函數上方添加以下函數：

void sendTelemetry(const char *telemetry)
{
    IOTHUB_MESSAGE_HANDLE message_handle = IoTHubMessage_CreateFromString(telemetry);
    IoTHubDeviceClient_LL_SendEventAsync(_device_ll_handle, message_handle, NULL, NULL);
    IoTHubMessage_Destroy(message_handle);
}

這段程式碼從作為參數傳遞的字串創建一個 IoT Hub 消息，將其發送到 Hub，然後清理消息物件。

在 loop 函數中，在將遙測數據發送到序列埠的那一行之後調用這段程式碼：
```
sendTelemetry(telemetry.c_str());
```

處理指令

您的裝置需要處理來自伺服器程式碼的指令，以控制繼電器。這是作為直接方法請求發送的。

任務 - 處理直接方法請求

在 connectIoTHub 函數之前添加以下程式碼：

int directMethodCallback(const char *method_name, const unsigned char *payload, size_t size, unsigned char **response, size_t *response_size, void *userContextCallback)
{
    Serial.printf("Direct method received %s\r\n", method_name);

    if (strcmp(method_name, "relay_on") == 0)
    {
        digitalWrite(PIN_WIRE_SCL, HIGH);
    }
    else if (strcmp(method_name, "relay_off") == 0)
    {
        digitalWrite(PIN_WIRE_SCL, LOW);
    }
}

這段程式碼定義了一個回調方法，當 IoT Hub 函式庫收到直接方法請求時會調用。請求的方法名稱會通過 method_name 參數傳遞。該函數會將調用的方法名稱打印到序列埠，然後根據方法名稱打開或關閉繼電器。

💁 這也可以通過單一的直接方法請求來實現，將繼電器的期望狀態作為有效負載傳遞，該有效負載可以通過 payload 參數獲取。

在 directMethodCallback 函數的末尾添加以下程式碼：
```
char resultBuff[16];
sprintf(resultBuff, "{\"Result\":\"\"}");
*response_size = strlen(resultBuff);
*response = (unsigned char *)malloc(*response_size);
memcpy(*response, resultBuff, *response_size);

return IOTHUB_CLIENT_OK;
```
直接方法請求需要一個回應，回應分為兩部分——作為文字的回應和返回碼。這段程式碼會創建以下 JSON 文件作為結果：
```
{
    "Result": ""
}
```
然後將其複製到 response 參數中，並在 response_size 參數中設置該回應的大小。最後，這段程式碼返回 IOTHUB_CLIENT_OK，表示方法已正確處理。

在 connectIoTHub 函數的末尾添加以下程式碼來連接回調：

IoTHubClient_LL_SetDeviceMethodCallback(_device_ll_handle, directMethodCallback, NULL);

loop 函數會調用 IoTHubDeviceClient_LL_DoWork 函數來處理 IoT Hub 發送的事件。由於 delay 的原因，這僅每 10 秒調用一次，這意味著直接方法僅每 10 秒處理一次。為了提高效率，可以將 10 秒的延遲分解為多個較短的延遲，每次調用 IoTHubDeviceClient_LL_DoWork。為此，在 loop 函數之前添加以下程式碼：
```
void work_delay(int delay_time)
{
    int current = 0;
    do
    {
        IoTHubDeviceClient_LL_DoWork(_device_ll_handle);
        delay(100);
        current += 100;
    } while (current < delay_time);
}
```
這段程式碼會重複循環，調用 IoTHubDeviceClient_LL_DoWork 並每次延遲 100 毫秒。它會根據 delay_time 參數的值執行多次，這意味著裝置最多等待 100 毫秒來處理直接方法請求。
在 loop 函數中，移除對 IoTHubDeviceClient_LL_DoWork 的調用，並將 delay(10000) 替換為以下程式碼來調用新函數：
```
work_delay(10000);
```

💁 您可以在 code/wio-terminal 資料夾中找到這段程式碼。

😀 您的土壤濕度感測器程式已成功連接到 IoT Hub！

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