自己动手，铁皮信箱亦可智能 - 手把手教您借助Arduino MKR FOX 1200让传统信箱接入物联网

由 cathy 提交于周三, 11 十一月 2020 - 11:21

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<a target="_blank" href="https://www.mouser.cn/new/arduino/arduino-mkrfox1200/?utm_source=wechat…; textvalue="Arduino MKR FOX 1200开发板" tab="outerlink" data-linktype="2">Arduino MKR FOX 1200开发板</a>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：
<ul>
<li>
Arduino MKR FOX 1200
</li>
<li>
Sigfox
</li>
</ul>

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）

按照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。）
<ul>
<li><a target="_blank" href="https://www.mouser.cn/ProductDetail/485-ABX00014?utm_source=wechat&…; textvalue="485-ABX00014" tab="outerlink" data-linktype="2">485-ABX00014</a> – Arduino MKR FOX 1200</li>
<li><a target="_blank" href="https://www.mouser.cn/ProductDetail/485-X000016?utm_source=wechat&u…; textvalue="485-X000016 – GSM天线" tab="outerlink" data-linktype="2">485-X000016 – GSM天线</a>，带Micro UFL连接器</li>
<li><a target="_blank" href="https://www.mouser.cn/ProductDetail/474-PRT-12002?utm_source=wechat&amp…; textvalue="474-PRT-12002" tab="outerlink" data-linktype="2">474-PRT-12002</a> – SparkFun配件：面包板 - 自粘合（白色）</li>
<li><a target="_blank" href="https://www.mouser.cn/ProductDetail/485-375?utm_source=wechat&utm_m…; textvalue="485-375" tab="outerlink" data-linktype="2">485-375</a> – <a target="_blank" href="https://www.mouser.cn/manufacturer/adafruit?utm_source=wechat&utm_m…; textvalue="Adafruit配件" tab="outerlink" data-linktype="2">Adafruit配件</a>：电磁接触开关</li>
<li><a target="_blank" href="https://www.mouser.cn/ProductDetail/474-COM-09609?utm_source=wechat&amp…; textvalue="474-COM-09609" tab="outerlink" data-linktype="2">474-COM-09609</a> – <a target="_blank" href="http://www.mouser.cn/manufacturer/sparkfun?utm_source=wechat&utm_me…; textvalue="SparkFun配件" tab="outerlink" data-linktype="2">SparkFun配件</a>：SPDT拨动开关</li>
<li><a target="_blank" href="https://www.mouser.cn/ProductDetail/546-BH2AAW?utm_source=wechat&ut…; textvalue="546-BH2AAW" tab="outerlink" data-linktype="2">546-BH2AAW</a> – 双AA电池盒</li>
<li><a target="_blank" href="https://www.mouser.cn/ProductDetail/485-258?utm_source=wechat&utm_m…; textvalue="485-258" tab="outerlink" data-linktype="2">485-258</a> – Adafruit配件：锂离子聚合物电池，3.7V 1200mAh</li>
<li><a target="_blank" href="https://www.mouser.cn/ProductDetail/932-MIKROE-513?utm_source=wechat&am…; textvalue="932-MIKROE-513" tab="outerlink" data-linktype="2">932-MIKROE-513</a> – 跳线：公对公，15CM 10PK</li>
</ul>

硬件组装

本节中，我们将指导您组装该项目的所有硬件：
<ul>
<li>将电磁接触开关连接到Arduino（导线的顺序无关紧要）：<ul>
<li>一根导线从传感器连接到PIN 1（黄色跳线）</li>
<li>另一根导线从传感器连接到GND脚（黑色跳线）</li>
</ul></li>
</ul>

<ul>
<li>
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。
</li>
<li>
将电池盒连接到螺丝接线端子。
</li>
<li>
将天线连接到微型UFL连接器。
</li>
</ul>

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2020-11/wen_zhang_/100058630-111918-2.j…; alt=“图1：硬件组装电路图” width="600"></center><center>图1：硬件组装电路图</center>

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。
<ul>
<li>在PC上安装Arduino IDE（可从<a target="_blank" href="https://www.arduino.cc/en/Main/Software" textvalue="Arduino" tab="outerlink" data-linktype="2">Arduino</a>网站下载）。</li>
<li>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。</li>
<li>单击项目→加载库→管理库，然后安装下面这些库：<ul>
<li>Arduino SigFox for MkRFox 1200</li>
<li>Arduino Low Power </li>
</ul></li>
</ul>

<ul>
<li>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。</li>
<li>将代码刷入（上传）到开发板，然后打开串口监视器。</li>
<li>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）。</li>
</ul>

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2020-11/wen_zhang_/100058630-111919-3.j…; alt=“图2：Arduino开发板的ID和PAC” width="800"></center><center>图2：Arduino开发板的ID和PAC</center>

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。

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2020-11/wen_zhang_/100058630-111920-4.j…; alt=“图3：在Sigfox后台注册开发板” width="800"></center><center>图3：在Sigfox后台注册开发板</center>

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：

1、在函数中添加变量

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）。

2、触发Arduino

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）。

3、解决无法唤醒的问题

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。

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

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）。

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）。

选择Custom callback（自定义回调）（图8）。

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2020-11/wen_zhang_/100058630-111926-9.j…; alt=“图8：设备设置 - 自定义回调" width="800"></center><center>图8：设备设置 - 自定义回调</center>

设置自定义回调函数，步骤如下：

设置Type（类型）→DATA（数据）和UPLINK（上行链路），以及Channel（途径）→EMAIL（电子邮件）。

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。

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。

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2020-11/wen_zhang_/100058630-111927-10…; alt=“图9：回调函数设置" width="800"></center><center>图9：回调函数设置</center>

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）。

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2020-11/wen_zhang_/100058630-111928-11…; alt=“图10：将所有组件都安装到信箱上” width="800"></center><center>图10：将所有组件都安装到信箱上</center>

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。

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2020-11/wen_zhang_/100058630-111929-12…; alt=“作者：Rafik Mitry" width="200"></center><center>作者：Rafik Mitry</center>

Rafik Mitry于2019年加入贸泽电子。他在加入贸泽前获得了慕尼黑工业大学电气工程硕士学位，并且已连续三年在该校开展能量收集领域的研究。作为贸泽的技术营销工程师，Rafik创作了独特的技术文章，以反映电子行业当前和未来的技术趋势。除了紧跟技术新趋势外，Rafik还是一名航空爱好者和网球运动爱好者。

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