Azure IoT 游泳池

应用和在线服务

	Microsoft Azure
	Microsoft Windows 10 IoT Core
	Arduino IDE
	Microsoft Visual Studio 2015
	Azure IoT 中心设备资源管理器
	Fritzing
	Power BI

关于这个项目

概览

该项目的目的是使用温度传感器、继电器和 Microsoft Azure 来控制和监控游泳池。

这个项目的灵感是需要远程操作和监控我们的儿童游泳池，这是一个 Intex 15' x 48" 圆形游泳池。该游泳池可容纳约 5000 加仑的水。它连接到一个砂滤器/泵，一个 11KW 加热器和一个盐水系统。目标是监控泳池水温、空气温度并控制水泵、加热器和盐水系统，以确保泳池对孩子们来说足够温暖，同时又不会过度运行。

这个 5 分钟的视频展示了水池、传感器、电路板和继电器是如何连接的。

以下架构图显示了解决方案中的所有主要组件。

Raspberry Pi、Arduino、IoT 电源继电器和面包板用拉链固定在塑料储存容器中，以防止水/湿气进入。为电缆和通风钻孔。

传感器

使用一对 DS18B20 防水温度传感器完成泳池水温和空气温度的监测，这些传感器使用达拉斯控制库和 OneWire 库连接到 Arduino Uno R3。温度数据（以摄氏度为单位）每 1 秒通过 I2C 发送到 Raspberry Pi。两个温度值以“|”分隔。

温度数据 =padRight(String(poolSensor.getTempCByIndex(0)) + "|" + String(outsideSensor.getTempCByIndex(0)), I2C_BUFFER_LEN); 

DS18B20 防水温度传感器的预接线如下：

• 红色连接到 3v/5v

• 蓝色/黑色接地

• 黄色/白色是数据

我使用了一些便宜的 20 号钟线（门铃线）来扩展读取水温的 DS18B20 的范围。这个 DS18B20 被淹没在水池中。

读取空气温度的第二个 DS18B20 传感器贴在塑料储存容器的外面。

接力

Raspberry Pi 控制 IoT 电源继电器电源条，使用 110v 电压将泵和盐水系统连接到该电源条。这是使用 Pi 上的 3v 引脚完成的。切换 3v 引脚可启用/禁用 IoT 电源继电器上的一对 110v 插座（默认情况下，这对插座是关闭的）。原理图见后图。

无需将继电器连接到加热器，因为它有一个内置的流量传感器，并且会根据水流的存在或不存在来停止/开始加热。另外，我无法轻易找到继电器来控制使用 3v 或 5v 的加热器所需的 220v/60amp 电路。

将来，我将连接传感器来测量 110v 和 220v 电路的电气使用情况。如果有人可以推荐一些，我将不胜感激。

树莓派

Raspberry Pi 运行 Windows IoT Core Build 10.0.10586.0 并执行以下操作：

• 运行 IoTPoolRaspiBackgroundApp 后台应用程序；

• 充当物联网现场网关（不透明）；

• 通过 USB (5v) 为 Arduino Uno 供电；

• 通过 I2C 从 Arduino Uno 接收游泳池和空气温度（以 C 为单位）；

• 使用 3v 引脚控制 IoT 功率继电器；和

• 每 1 分钟向 Azure IoT 中心发送池名称、池温度、气温、IoT 电源继电器开/关状态和时间戳（UTC）。

IoTPoolRaspiBackgroundApp 是一个无头 C# 应用程序，使用 后台应用程序 (IoT) 构建 Visual Studio 2015 更新 3 中的项目模板。

IoTPoolRaspiBackgroundApp 每 1 分钟使用 AMQP 将以下 JSON 负载发送到 Azure IoT 中心（这可以在源代码中更改为 HTTPS 或 MQTT）。

{"PoolName" :"iotpool","PoolWaterTempC" :30,"OutsideAirTempC" :27,"IsPoolPowerOn" :false, "SampleDateTime" :"2016-07-05T23:35:58.0882185Z"}  

Raspberry Pi 在 Azure IoT 中心注册为设备。在 Azure IoT 中心注册设备的最简单方法是使用设备资源管理器。该工具也是获取设备连接字符串、监控 D2C（设备到云）消息和测试发送 C2D（云到设备）消息的好方法。

在 StartupTask.cs 中编辑以下内容以将 IoTPoolRaspiBackgroundApp 连接到您的 IoT 中心：

static string iotPoolConnString ="HostName=.azure-devices.net;DeviceId=iotpool;SharedAccessKey=";static string deviceName ="iotpool";  

Arduino Uno

Arduino Uno R3 使用达拉斯控制库和 OneWire 库连接到两个 DS18B20 温度传感器。它由 Raspberry Pi 通过 USB (5v) 供电，并使用 SDA 和 SLC 引脚通过 I2C 将温度读数对发送到 Raspberry Pi。原理图请参考 Fritzing 图。

使用 Two-DS18B20-I2C.ino 代码运行 Arduino。

蔚蓝

所有 Azure 组件均在同一 Azure 区域（美国西部）中创建，以最大限度地降低与出口流量相关的成本。

Azure 物联网中心

本项目中使用了 Azure IoT 中心的免费版本。它限制为每天 8,000 条消息，每条消息 500 字节。 IoTPoolRaspiBackgroundApp 每分钟发送 1 条 D2C 消息，或每天 1,440 条，每条 158 字节。这为任何 C2D 消息留下了充足的空间。

必须首先向 Azure IoT 中心注册设备。最简单的方法是使用设备资源管理器。注册后，您可以使用设备资源管理器获取设备连接字符串。

Azure 流分析

Azure 流分析 (ASA) 作业使用以下简单的 ASA 查询将 IoT 中心输入连接到 Azure SQL 数据库输出。

SELECT PoolName、PoolWaterTempC、OutsideAirTempC、IsPoolPowerOn、SampleDateTimeINTO sqlFROM iothub 

此查询将每个设备到云 (D2C) JSON 消息（每分钟 1 条）写入 Azure SQL 数据库中名为 Pools 的表。

此查询的未来改进可能包括一些用于警报目的的聚合函数（例如，Average PoolWaterTempC> 35 表示池变得太热）。

Azure SQL 数据库

为了最大限度地降低成本，并且由于对数据库的性能要求最低，因此该数据库采用 S0 标准 (10 DTU)。

创建了一个单表的数据库来存储所有的 D2C 消息。

架构：

CREATE TABLE [dbo].[Pools] ([Id] INT IDENTITY (1, 1) NOT NULL,[PoolName] NVARCHAR (MAX) NULL,[PoolWaterTempC] FLOAT (53) NOT NULL,[OutsideAirTempC ] FLOAT (53) NOT NULL,[IsPoolPowerOn] INT NOT NULL,[SampleDateTime] DATETIME NOT NULL,CONSTRAINT [PK_dbo.Pools] PRIMARY KEY CLUSTERED ([Id] ASC)); 

Azure API 应用

该 API 是使用 ASP.NET Web API 构建的 RESTful API。

API 客户端必须使用 HTTP 标头中指定的 API 密钥进行身份验证。

api-key :{您的 API 密钥} 

API 密钥在 IoTPoolAPI\Controllers\PoolControllers.cs 中定义 .移动应用程序和 Web 应用程序必须使用此 API 密钥与 API 通信。

REST API 支持以下方法：

未来对该 API 的改进可能包括将其置于 Azure API 管理之后，并将其他身份验证选项添加到 API 中，例如 Azure Active Directory。

Azure 网络应用

IoTPoolWebApp 包含一个用于与 API 交互的 ASP.NET Web 表单应用程序。

该网络应用程序还有一个适合移动设备的版本。

编辑 default.aspx.cs 并更改以下内容：

private static string apiKey ="";...HttpRequestMessage requestMessage =...."http://.azurewebsites.net/api/pool/poweroff");...HttpRequestMessage requestMessage =...."http://.azurewebsites.net/api/pool/poweron");...HttpRequestMessage requestMessage =...."http://.azurewebsites.net/api /pool/getlatest"); 

Web 应用程序与 Azure Active Directory (AAD) 集成以进行身份​​验证。 Web 应用程序要求所有用户都必须使用 AAD 进行身份验证。

您必须首先向 AAD 租户注册您的 Web 应用（例如，tenant_name.onmicrosoft.com）。您可以通过 Azure 门户或 Visual Studio 执行此操作。注册后，从 Azure 门户复制客户端 ID。

接下来，通过修改 web.config 中的 来更改 Web 应用程序中的 AAD 域。

移动应用

移动应用程序是使用 Xamarin Forms 编写的。我只编译它以在 Windows Phone 和 Windows 10 上运行，但应该在 iOS 和 Android 上交叉编译。

编辑 Core.cs 并更改以下内容：

string queryString ="http://azurewebsites.net/api/pool/getlatest 

编辑 DataService.cs 并更改以下内容：

私有静态字符串 apiKey =""; 

编辑 PoolPage.xaml.cs 并更改以下内容：

private static string apiKey ="";...HttpRequestMessage requestMessage =...."http://.azurewebsites.net/api/pool/poweroff");...HttpRequestMessage requestMessage =...."http://.azurewebsites.net/api/pool/poweron"); 

电源 BI

Power BI（免费版）用于创建和发布显示 IoT 池数据的实时仪表板。

该过程包括下载 Power BI Desktop、连接到 Azure SQL DB（使用 DirectQuery）、创建一些带有视觉效果的报告，以及将 .pbix 发布到 PowerBI.com。然后我将报告固定到仪表板上。

将来我可能会使用嵌入式 Power BI 将仪表板直接嵌入到 Web 应用程序中。

现在，我可以通过 Powerbi.com 或免费的 Power BI 移动应用程序查看仪表板。

参考文献

以下是我在构建此解决方案时使用的资源列表：

• https://developer.microsoft.com/en-us/windows/iot/win10/samples/blinky

• https://create.arduino.cc/projecthub/mmackes/pool-controller-8dfa69?ref=tag&ref_id=relays&offset=0

• https://azure.microsoft.com/en-us/documentation/articles/iot-hub-csharp-csharp-getstarted/

• https://azure.microsoft.com/en-us/documentation/articles/iot-hub-csharp-csharp-c2d/

• https://azure.microsoft.com/en-us/documentation/articles/web-sites-dotnet-rest-service-aspnet-api-sql-database/

• https://azure.microsoft.com/en-us/documentation/articles/app-service-mobile-xamarin-forms-get-started/

• https://msdn.microsoft.com/en-us/library/hh975357.aspx

• https://www.arduino.cc/en/Guide/Windows

• http://playground.arduino.cc/Learning/OneWire

• http://milesburton.com/Dallas_Temperature_Control_Library

• https://learn.sparkfun.com/tutorials/i2c

特别感谢 Miles Burton 提供的 Dallas Controls Library 和 Mike Mackes 提供的 Arduino / I2C / DS18B20 示例代码以及该项目的整体灵感。

代码

• 设备到云 (D2C) 消息的 JSON 消息有效负载格式
• SQL 数据库“池”表架构

设备到云 (D2C) 消息的 JSON 消息有效负载格式JSON

{ "PoolName" :"IoTPool", "PoolWaterTempC" :30, "OutsideAirTempC" :27, "IsPoolPowerOn" :false, "SampleDateTime" :"2016-07-05T23:35:58.0882185" }

SQL 数据库“池”表架构SQL

CREATE TABLE [dbo].[Pools] ( [Id] INT IDENTITY (1, 1) NOT NULL, [PoolName] NVARCHAR (MAX) NULL, [PoolWaterTempC] FLOAT (53) NOT NULL, [OutsideAirTempC] FLOAT ( 53) NOT NULL, [IsPoolPowerOn] INT NOT NULL, [SampleDateTime] DATETIME NOT NULL, CONSTRAINT [PK_dbo.Pools] PRIMARY KEY CLUSTERED ([Id] ASC));

物联网池 Git 中心存储库

示意图