基于Arduino MKR Fox 1200构建可靠Sigfox千瓦时电表

元器件与物料

• Arduino MKR Fox 1200 × 1
• 面包板（通用） × 1
• 跳线（通用） × 1
• CNY70反射传感器 × 1
• 电阻 221Ω × 1
• 电阻 10kΩ × 1
• 电阻 100Ω × 1
• 旋转电位器（通用） × 1
• SparkFun 12mm按钮开关 × 1
• LED（通用） × 1

应用与在线服务

• Arduino IDE
• Sigfox网络
• ThingSpeak API

项目概述

1. 核心概念

本教程助您将老式感应式电表接入互联网。此类电表最古老但仍在使用：转盘周圈涂反光漆，带一条黑色条纹。每看到黑条通过即表示转盘转一圈。本项目中，120圈对应1 kWh电量消耗。

2. 微控制器、物联网网络与其他组件

采用Arduino MKRFOX1200，内置Sigfox连接（即网络层）。Sigfox是LPWAN网络，支持万物联网。工作于ISM 868MHz频段，每日上行140条消息（每条12字节载荷）。Sigfox还允许自定义消息处理：所有消息存储于Sigfox云，可通过定义回调等方式检索。

ThingSpeak： 物联网数据可视化平台。本项目中作为Sigfox回调目标，接收数据后即时以图表展示用电量。

使用哪款电能表？ 即下图所示最老式感应式电表：

3. 硬件连接

1. 按接线图连接所有元件。 不展开原理说明，不明处可提问。别忘供电：USB移动电源或笔记本USB口均可。

2. 编写代码。 页面底部附有代码，不明处可提问。
3. 创建ThingSpeak通道与分析。 注册https://thingspeak.com/，创建通道1：命名、描述、Field 1设为Consumption。基于通道1创建通道2（名称不同），在通道2选Matlab Analysis并写入代码：

readChannelID = TYPE_CHANNEL1_ID_HERE;
readAPIKey = 'TYPE_CHANNEL1_READ_API_KEY_HERE';
writeChannelID = TYPE_CHANNEL2_ID_HERE;
writeAPIKey = 'TYPE_CHANNEL2_API_KEY_HERE';
data = thingSpeakRead(readChannelID, 'ReadKey', readAPIKey,'OutputFormat','table');
analyzedData = data;
analyzedData.('Consumption') = (data.('Consumption') + YOUR_CURRENT_CONSUMPTION_STATUS_IN_WH)/1000;
thingSpeakWrite(writeChannelID, analyzedData, 'WriteKey', writeAPIKey);

4. 创建Sigfox回调。 假设您已在后台注册MKRFOX1200，跳过注册教程。登录https://backend.sigfox.com/，进入回调区创建：

• TYPE: DATA UPLINK
• CHANNEL: URL
• CUSTOM PAYLOAD CONFIG: status::uint:32:little-endian
• URL PATTERN: https://api.thingspeak.com/update?api_key=EXPLAINED1&field1={customData#status}
• USE HTTP METHOD: GET

*EXPLAINED1 替换为通道1 ThingSpeak WriteApiKey

4. 设备安装与逻辑

完成最难部分。用双面胶将CNY70传感器贴于电表玻璃上——对准转盘中心（见图Installation）。按设备按钮两次校准：传感器读反光部分时二极管亮，读黑条时灭。校准成功后再按一次按钮。设备开始读取用电量，每30分钟通过Sigfox上传一次，读取精度设为25 Wh（本例中每3圈）。

5. 最终效果

完成上述步骤后，您将在ThingSpeak看到精美的用电量图表：

代码

#include <SigFox.h>
int DIODE = 13;
int BTN = 12;
int BTN_state = 0;
int BTN_prev = 0;
int BTN_NR_OF_PRESS = 0;
int CALC = 0;
unsigned long i = 0;
uint32_t CONSUMPTION = 0;
boolean SHINE = false;
boolean KARDAN = false;

void setup() {
  pinMode(DIODE, OUTPUT);
  pinMode(BTN, INPUT);
  Serial.begin(9600);
  if (!SigFox.begin()) {
    Serial.println("Sigfox module unavailable.");
  }
}

void loop() {
  int senzor = analogRead(A3);
  BTN_state = digitalRead(BTN);
  if (BTN_state != BTN_prev) {
    if (BTN_state == HIGH) {
      BTN_NR_OF_PRESS++;
    }
  }
  BTN_prev = BTN_state;
  if (BTN_NR_OF_PRESS % 3 == 0) {
    if (senzor > 300 && senzor < 950) {
      digitalWrite(DIODE, HIGH);
    } else {
      digitalWrite(DIODE, LOW);
    }
  }
  if (senzor < 1020 && SHINE == false) {
    SHINE = true;
  }
  if (senzor > 1020 && SHINE == true && BTN_NR_OF_PRESS == 4) {
    CALC++;
    SHINE = false;
  }
  if (CALC % 3 == 0 && CALC != 0 && KARDAN == false) {
    KARDAN = true;
    CONSUMPTION += 25;
  }
  if (CALC % 3 != 0) {
    KARDAN = false;
  }
  if (BTN_NR_OF_PRESS % 4 == 0) {
    digitalWrite(DIODE, LOW);
    if (SHINE == false) {
      for (millis(); (millis() - i) > 1800000;) {
        i = millis();
        SigFox.debug();
        SigFox.beginPacket();
        SigFox.write(CONSUMPTION);
        SigFox.endPacket();
      }
    }
  }
}

原理图

MKRFOX1200与CNY70等元件连接原理图