CouchDB 与 ESP8266 搭建 Serverless IoT 物联网系统

phodal
Phodal Huang

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十月 26, 2017

最近我沉浸在物联网世界中，并被亚马逊，IBM 和 微软等公司的配置所淹没。他们为大型企业项目提供了很好的解决方案，但似乎需要大量的配置和知识来设置所有的项目。凭借我最近在 CouchDB 和 Serverless 应用程序方面的经验，我决定尝试新的东西：Serverless IoT。只需要运行 CouchDB 数据库的实例，就可以捕获传感器数据，并绘制图表上的数据？

步骤1：硬件

用于此项目的硬件是带有 WEMOS DHT 扩展板的 WEMOS D1 mini Pro。D1 mini Pro 基于 ESP-8266EX，DHT 扩展板基于 DHT11（温湿度传感器）。为使器件能够从深度睡眠唤醒，GP16 引脚（WEMOS 器件上的 D0）连接到 RST 引脚。最后一块是连接到设备的电池，所以一切都可以在无线下工作。

用于此设备的固件是 NodeMCU。可以使用 NodeMCU 自定义构建工具 来构建固件映像。我在构建中包含以下模块：

dht, file, http, net, node, tmr, wifi, tls

在构建器中使用 TLS 选项可以包含 TLS。对于某些 CouchDB 提供商来说是非常有必要，如 Cloudant。

ESP8266 可以使用 esptool.py 烧录。我使用以下命令来做到这一点：

esptool.py --port /dev/cu.SLAB_USBtoUART erase_flash

或者

esptool.py --port /dev/cu.SLAB_USBtoUART write_flash --flash_mode dio --flash_size 16m 0x00000 ../builds/nodemcu-master-8-modules-2017-06-11-12-54-27-integer.bin

使用 esplorer ，我们现在可以将脚本上传到 ESP8266。我准备了一个具有以下流程的 Lua 脚本（在文末）：

  • 连接到WiFi
  • 如果成功，读取 DHT 传感器的值
  • 如果成功，将传感器数据进行 HTTP POST 请求到服务器
  • 休眠

脚本没有 while 循环或重复流。发送数据后结束。醒来后，EPS8266 将被重置，我们在脚本开始时自动启动。

步骤2：CouchDB

要存储数据，我们需要一个 CouchDB 实例。我喜欢 Cloudant，因为我更喜欢基于云的解决方案，但也可以从 Docker 容器运行自己的 CouchDB 实例。

为了安全，要尽可能使用 HTTPS，并创建三个用户帐户：

  • admin， 用于管理目的（写入和读取权限）
  • sensor，用于存储传感器数据（仅限写入权限）
  • client，用于读取传感器数据（仅读取权限，不一定需要密码）

创建名为 measurement 的数据库。您可能会认为，保存传感器数据是相当容易的：在 ESP8266 的 HTTP POST 请求中，直接发送到该数据库，但确实会有一些问题。

问题是我们需要每个传感器值的时间戳。EPS8266 可以连接到 NTP 服务器以获得当前时间，但是对于电池供电的设备来说，这将是非常昂贵的操作。另一种方法是，使用更新处理程序，并让 CouchDB 向插入数据库的每个文档追加时间戳。

为此，我们向 measurement 数据库添加带有更新功能（Update Function）的设计文档。我准备了一个脚本：在请求上添加时间戳记，并将文档保存到数据库中。

{
  "_id": "_design/update_handlers",
  "updates": {
    "add_with_timestamp": "function (doc, req) { var measurement = JSON.parse(req.body); measurement._id = new Date(); return [measurement, 'created']; }"
  }
}

通过对以下 URL 执行 HTTP POST 请求，我们可以添加一个文档：

https://couchdb/measurement/_design/update_handlers/_update/add_with_timestamp

以下是一个 post 请求的示例文档：

{
    "node": "living room",
    "temperature": 22,
    "humidity": 47
}

步骤3：客户端

对于客户端，我准备了一个 HTML/JavaScript 页面，它使用 PouchDB 来查询远程的 CouchDB 实例，并使用 Chart.js 在基于时间的折线图上绘制它。我们可以使用 PouchDB 直接连接到远程 CouchDB 实例，因为我们不需要任何复制功能。这样做，如果传感器发布数据，我们仍然会将数据推送到我们的客户端。在这个例子中，我们将数据集限制为最近的 200 个文档（读数），但是我们也可以编写一个 map 函数来获取过去 12 个小时的所有数据。

Chart.js 示例

如上所述，我只想运行一个 CouchDB 实例来管理该项目。幸运的是，我们可以通过将 HTML 页面作为附件，插入到 CouchDB 来为客户端提供服务。是的，从数据库直接提供 HTML！正如诺兰·劳森所说：

> 但是，对于所有开发人员来说，CouchDB 是一项非常令人兴奋的技术。当你退一步想一下，它是一个大胆的、疯狂的命题。这是一个大胆的声明：如果我们可以让它成为网络开发的一部分，如何将对网页开发带来更好的体验。这是一个狂野的街头疯子，用肩膀抓住随机的人，用疯狂的紧急尖叫：“我们不再需要服务器了！ 我们只需要数据库！ 数据库是服务器！“

要从数据库以 HTML 方式为客户服务，请使用提供的 JSON 在 measurement 数据库中创建一个设计文档。创建文档后，进行编辑，并将客户端 HTML 文件作为额外的附件。

{
  "_id": "_design/client"
}

客户端现在可以从以下 URL 访问：

https://couchdb/measurement/_design/client/chart.html

我们需要的最后一件事是一个 rewrite 规则，使 URL 更漂亮。CouchDB 使用 HTTP Rewrite Handler 来重定向请求，以便最终用户更容易输入应用程序 的URL。编辑我们刚刚创建的设计文档，并添加 rerwrite 属性。您的最终文件应如下所示：

{
  "_id": "_design/client",
  "rewrites": [
    {
      "from": "",
      "to": "chart.html",
      "method": "GET",
      "query": {}
    },
    {
      "from": "/measurement/*",
      "to": "../../../measurement/*"
    }
  ],
  "_attachments": {
    "chart.html": {
      "content_type": "text/html",
      "revpos": 32,
      "digest": "md5-sEJsbTcqnZIUqoleTnfpqg==",
      "length": 5042,
      "stub": true
    }
  }
}

客户端现在可以使用了：

https://couchdb/measurement/_design/client/_rewrite

最终的 URL 仍然有点丑，所以要完成我们使用虚拟主机来完成剩下的内容。为上述的 URL 添加虚拟主机以转发请求。在这里，我使用了一个子域，并向我的 Cloudant 帐户添加了一个 CNAME 记录。

Cloudant CNAME 示例

现在客户端的地址是：https://subdomain.website.com

数据库 API 的地址是：https://subdomain.website.com/measurement

步骤4：组装

最终，我们得到了一个解决方案，它使用 CouchDB，并且 CouchDB 仅用于存储传感器数据，检索数据并将其显示在 HTML 页面上。我们使用设计文档（Design Documents），更新函数（Update Functions），HTTP rewrite 和虚拟主机来实现这些任务。而不是客户端 -> 应用服务器 -> 数据库服务器的路由，我们直接从客户端到数据库，并将业务逻辑放在其中。我们还从数据库而不是传统的 HTTP 服务器提供HTML。

这是一种不同的思维方式，非常适合某些项目，但并不适合所有人。

扩展阅读：

init.lua

-- Wifi Settings
wifi_config = {}
wifi_config.ssid = "networkname"
wifi_config.pwd = "networkpassword"
wifi_config.auto = false

-- HTTP Settings
http_url = "https://couchdb/measurement/_design/update_handlers/_update/add_with_timestamp"
http_auth = "base64_encoded_credentials_here"

-- Application settings
sleep_seconds = 300
node_name = "living room"
dhtPin = 4

function connectWifi ()
    wifi.setmode(wifi.STATION)
    wifi.sta.config(wifi_config)

    -- Read sensor after receiving an IP, sleep otherwise
    wifi.eventmon.register(wifi.eventmon.STA_GOT_IP, function()
        readDHT()
    end)
    wifi.eventmon.register(wifi.eventmon.STA_DHCP_TIMEOUT, function()
        sleep()
    end)

    -- Connect to wifi
    wifi.sta.connect()
end

function readDHT()
    status, temp, humi = dht.read11(dhtPin)

    -- Publish sensor value if sensor read was succesful, sleep otherwise
    if (status == dht.OK) then
        publishSensorValues(temp, humi)
    else
        sleep()
    end
end

function publishSensorValues(temperature, humidity)
    -- Sleep after two seconds, prevents requests taking too long
    tmr.alarm(1, 2000, tmr.ALARM_SINGLE, function()
        sleep();
    end)

    -- Post sensor data to HTTP server, sleep when finished
    http.post(http_url,
        "Content-Type: application/json\r\n" ..
        "Authorization: Basic " .. http_auth .. "\r\n",
        [[
        {
            "node": "]] .. node_name .. [[",
            "temperature": ]] .. temperature .. [[,
            "humidity": ]] .. humidity .. [[
        }
        ]],
        function(code, data)
            sleep()
        end
    )
end

function sleep()
    -- Disconnect from wifi
    wifi.sta.disconnect()

    -- Go to deep sleep for the specified time
    node.dsleep(sleep_seconds*1000000)
end

connectWifi()

原文链接：https://bsmulders.com/2017/06/serverless-iot/

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