贸泽电子 - 博客

当您日复一日打开信箱，却发现里面空空如也，这会不会让您有种被「耍」的感觉？在本文所述的项目中，我们将创建一个简单的LPWAN（低功耗广域网）应用，将您的信箱连接到云，并且借助Arduino MKR FOX 1200开发板和Sigfox网络，实现每收到一封信件时发送通知。下面的视频展现了这个项目的构建过程和实际演示：

项目所涉技术概览

在这个项目中，我们将会用到以下产品和技术：

• Arduino MKR FOX 1200
• Sigfox

下面我们来具体了解一下它们。

Arduino MKRFOX 1200

Arduino MKR FOX 1200开发板提供了一种实用且经济高效的解决方案，让用户能够在项目中轻松添加Sigfox连接。它基于Microchip SAMD21 32位Arm^® Cortex^®-M0+微控制器和Atmel ATA8520单片Sigfox射频收发器。MKR FOX 1200提供了丰富的I/O接口，支持低功耗Sigfox通信功能，并采用简单易用的Arduino软件集成开发环境（IDE）进行代码开发和编程，这些都使MKR FOX 1200开发板成为了紧凑型电池供电物联网（IoT）项目的理想选择。MKR FOX 1200开发板只需两节AA（五号）或AAA（七号）电池即可满足供电需求，通常情况下可以连续运行长达六个月时间而无需更换电池。

何为Sigfox？

Sigfox是一种低功耗广域网（LPWAN）网络，可为物联网（IoT）提供连接。Sigfox网络非常适合用于只需低频度发送少量数据的应用。用户每天可发送140条消息，每条消息可携带12字节的有效载荷。作为一种LPWAN网络，Sigfox功耗非常低，因此非常适合电池供电的应用。Arduino MKR FOX 1200自带了1年的Sigfox网络免费订阅。

下面，就让我们开始动手吧！

项目物料清单（BOM）

通过贸泽网站上的这份项目物料清单，您可以一次买齐以下必需组件： （该清单包含一个锂电池组和一个干电池盒，这两者只需购买其一即可。本文中使用安装了两节AA电池的电池盒为开发板供电。）

• 485-ABX00014 – Arduino MKR FOX 1200
• 485-X000016 – GSM天线，带Micro UFL连接器
• 474-PRT-12002 – SparkFun配件：面包板 - 自粘合（白色）
• 485-375 – Adafruit配件：电磁接触开关
• 474-COM-09609 – SparkFun配件：SPDT拨动开关
• 546-BH2AAW – 双AA电池盒
• 485-258 – Adafruit配件：锂离子聚合物电池，3.7V 1200mAh
• 932-MIKROE-513 – 跳线：公对公，15CM 10PK

硬件组装

本节中，我们将指导您组装该项目的所有硬件：

1. 将电磁接触开关连接到Arduino（导线的顺序无关紧要）：
   • 一根导线从传感器连接到PIN 1（黄色跳线）
   • 另一根导线从传感器连接到GND脚（黑色跳线）
2. 由于MKR FOX 1200开发板上没有电源开关，因此可以增设一个SPDT拨动开关以便在需要时关闭开发板的电源。请在连接电池盒之前先将SPDT开关焊接到电源/电压线（红色导线）上。
3. 将电池盒连接到螺丝接线端子。
4. 将天线连接到微型UFL连接器。

图1：硬件组装电路图（图源：贸泽电子）

软件配置

如果您是第一次使用Arduino MKR FOX 1200，必须先配置该开发板，并将其注册到Sigfox网络。如果您已经做过这些操作，则可以直接跳到后面的「代码概览」部分继续阅读。

1. 在PC上安装Arduino IDE（可从Arduino网站下载）。
2. 打开Arduino IDE，单击工具→开发板→开发板管理器，然后安装Arduino SAMD Boards (32-Bits ARM Cortex-M0+) 软件包。
3. 单击项目→加载库→管理库，然后安装下面这些库：
   • Arduino SigFox for MkRFox 1200
   • Arduino Low Power
4. 将开发板连接到PC，然后打开FirstConfiguration示例。该示例位于文件→示例→Arduino SigFox for MkRFox 1200。
5. 将代码刷入（上传）到开发板，然后打开串口监视器。
6. 将串口监视器中显示的ID和PAC编号复制出来，在随后将开发板注册到Sigfox网络时需要使用这两个编号（图2）。

图2：Arduino开发板的ID和PAC（图源：贸泽电子）

SigFox后台 - 注册开发板

下一步，我们需要将开发板注册到Sigfox网络。在浏览器中访问Sigfox后台（需要登录），按照其中的步骤注册您的开发板。该过程需要输入上一步中复制的ID和PAC编号。

图3：在Sigfox后端注册开发板（图源：贸泽电子）

代码概览

现在，所有安装和准备工作都已完成，可以刷入贸泽GitHub仓库中提供的smart_mailbox.ino代码了。这些代码会指示Arduino进入睡眠模式，直到发生需要处理的事件为止，该事件只要信箱投递口被打开即会触发。在我们提供的代码中，主要有下面几个要点：

• 中断函数中添加了一个变量，用于获取电池电压，以便计算电池的剩余电量。代码中采用的计算方法可以粗略估算出电池的电量状态，不过在理想状况下，还是需要通过充电电路来计算出电池的容量，并以此来计算出准确的电量信息。就本文中的项目而言，我们就直接采用代码中现有的算法（图4）。

图4：代码片段 - 电压计算（图源：贸泽电子）

• 如果通过将两个磁铁彼此移开来触发Arduino，那么您应该会看到板上的LED灯闪烁，这是因为代码中打开了调试模式，但在省电模式的所有功能都测试完毕后，应关闭调试模式（图5）。

图5：代码片段 - 调试模式（图源：贸泽电子）

• 禁用调试模式后，可能会遇到这样的问题：Arduino只触发了一次，就再也无法唤醒了。通过网络搜索，发现Arduino论坛上的这个帖子提到了这个问题，指出这是因为Sigfox库中存在问题而导致的，并且提供了一种规避方法。为此，我修改了sigfox.cpp文件，并将修改后的文件放到了前文所述的GitHub仓库中。如果您遇到了同样的问题，请使用该文件替换PC上的sigofx.cpp文件（位于C:/Documents/Arduino/libraries/Arduino_SigFox_for_MKRFox1200/src/ 路径中），然后重新刷板，以更新开发板上的库。

注意：本文提供的代码会使Arduino模块进入睡眠状态，这会导致COM串口上无法检测到开发板，因而刷板时需要按两下「RST」按钮，串口上才能检测到开发板。

SigFox后台 - 回调函数

下一步中，我们需要创建一个回调函数。该回调函数会将接收自MKR FOX 1200开发板的数据传输到您的电子邮箱地址。

1. 在浏览器中访问Sigfox后台（需要登录）
2. 单击以下各项：DEVICE TYPE（设备类型）→您的DevKit→Edit（编辑）

图6：设备设置（图源：贸泽电子）

3. 然后您会进入到图7所示的页面。确认Downlink mode（下行模式）中选中的是Callback（回调）。

图7：设备设置 - 下行模式（图源：贸泽电子）

4. 单击图7所示页面左侧边栏中的CALLBACKS（回调），转到Callbacks页面，然后单击New（新建）。
5. 选择Custom callback（自定义回调）（图8）。

图8：设备设置 - 自定义回调（图源：贸泽电子）

6. 设置自定义回调函数，步骤如下：
   1. 设置Type（类型）→DATA（数据）和UPLINK（上行），以及Channel（途径）→EMAIL（电子邮件）。
   2. 因为我们需要将剩余电量数据包含在1字节的有效载荷中发送到Sigfox服务器，故需要配置Custom payload（自定义有效载荷）。变量percentage（百分比）为8位无符号整数，这就是Sigfox服务器将会接收到的数据。
   3. 最后，在消息正文中添加 {customData#percentage} 这个变量，它在电子邮件中将会替换为接收到的电池电量百分比数值。

图9：回调函数设置（图源：贸泽电子）

安装

整个项目的最后一步，就是将所有组件和零件都安装到信箱上。把所有组件都固定在信箱门内侧，并将电磁接触开关固定到投递口上，然后将天线固定到信箱外面（建议尽可能不要把天线贴在金属表面上）。

图10：将所有组件都安装到信箱上（图源：贸泽电子）

结论

本项目创建了一个简单的LPWAN应用，从而将传统的信箱转变为智能信箱。借助Arduino MKR FOX 1200可以非常轻松地连接到Sigfox网络并将数据发送到云端。此外，本项目还可以实现自我供电，只需在信箱上安装太阳能电池板并将其连接到充电电路即可。