[IOT] 自制藍牙工牌辦公室定位系統（一）—— 阿里物聯網平臺概覽及打通端到雲（硬核·乾貨）

字數： 59710個
系統： linux、esp32
聲明： 非軟文

1、快速入門創建產品 —— 小白，打包帶走去吹牛

鏈接： https://iot.console.aliyun.com/quick_start

直接看下面的視頻：(注意瀏覽器使能下unsafe load，因爲我的視頻服務器是自己搭的）

這裏創建了一個名字爲aliyun_test的產品，在該產品下創建一個名爲linux_aliyun_teset的設備，並生成了一個基於linux平臺的嵌入式C開發工具包aliyun_iot_device_quickstart.zip。我們按照指引將工具包解壓、編譯、運行可看到通過MQTT雲端和本地進行通信的效果：

unzip aliyun_iot_device_quickstart.zip
cd aliyun_iot_device_quickstart 
sh ./start.sh

運行啓動腳本後，可以在雲端的設備日誌和本地termial中發現設備通信的LOG：

2、代碼分析 —— 老炮，快速瞭解能用上

如果本文僅僅講體驗一下就太沒勁了！說不定博客園小編還會把我的文章從主頁上“拉下馬”。

2.1 從start.sh分析開發環境如何自動構建

下面是沒有執行腳本之前的壓縮包內容：

➜  Downloads  mv aliyun_iot_device_quickstart aliyun_iot_device_quickstart2
➜  Downloads  unzip aliyun_iot_device_quickstart.zip
➜  Downloads  cd aliyun_iot_device_quickstart
➜  aliyun_iot_device_quickstart  tree
.
├── device_id_password.json
├── makefile
├── sample.c
└── start.sh

0 directories, 4 files

該壓縮包內包含：開始腳本start.sh，makefile，應用層代碼sample.c，設備訪問Aliyun的核心信息*.json。

1）其中start.sh前50行都在檢測你的環境是否安裝必要工具，例如gcc、tar、cmake...；然後讀取json文件，抽出其中的pk\dn\ds，分別是productKey\deviceName\deviceSecret；接下來是構建開發環境，主要是從雲端下載一個sdk:linkkit2.2.1.tar.gz；接下來將託來的SDK調用make進行編譯，生成aliyun-iot-c-sdk的lib庫文件，然後分別把對應的lib和include分別複製到根目錄下的lib和include中；最後再次使用make進行clean\all，然後啓動。（下面抽幾個核心代碼貼下）

從json讀取pk\dn\ds：（我會用jq來處理）

  pk=`grep -Po '(?<=productKey": ")[0-9a-zA-Z]*' ${json}`
  dn=`grep -Po '(?<=deviceName": ")[\-_@\.:0-9a-zA-Z]*' ${json}`
  ds=`grep -Po '(?<=deviceSecret": ")[0-9a-zA-Z]*' ${json}`

下載sdk並解壓：

  echo "download sdk tar"
  wget ${url}
  tar -zxf ${sdktar} ${sdkdir}/ 
  rm -f ${sdktar}

編譯成庫：

  cd ./iotx-sdk-c
  make distclean
  make
  cd ..
  cp -r ./iotx-sdk-c/output/release/lib ./lib
  cp -r ./iotx-sdk-c/output/release/include ./include

編譯並運行：

  make clean -s
  make all PK=${pk} DN=${dn} DS=${ds}
  ./quickstart

2）其中makefile過於簡單，主要是用SDK生成的lib來編譯應用層代碼sample.c，核心代碼如下：

sample.o:sample.c 
	$(CC) $(CFLAGS) $(INCLUDE) ${DID} -c $^ 

OBJS= sample.o

.PHONY:all
all:$(OBJS) $(LIB)
	$(CC) $(CFLAGS) $(INCLUDE) -o $(TARGET) $(OBJS) $(LIBVAR) $(LIBPATH)

.PHONY:clean
clean:
	rm -f *.o
	rm -f $(TARGET)

2.2 從sample.c分析程序流程

應用層代碼總共約400行，下面是main函數：

int main(int argc, char **argv)
{
    app_print_banner();
    IOT_OpenLog("sample");
    APP_TRACE("sample start!\n");
    /*
     * C-SDK quick start sample
     * please check document: https://help.aliyun.com/document_detail/73708.html?spm=a2c4g.11174283.6.560.zfcQ3y
     *         API introduce: https://help.aliyun.com/document_detail/68687.html?spm=a2c4g.11186623.6.627.RJcT3F
     */
    app_setup_info();
    app_linkkit_sample();
    IOT_CloseLog();

    APP_TRACE("sample end!\n");

    return 0;
}

其中最重要的就是app_linkkit_sampl(void), 該函數的前30行主要負責初始化linkkit結構體並啓動linkkit：

linkkit_ops_t結構體內的變量是從linkkit底層引出到應用層的函數指針，可見該結構體的作用相當於SDK層和應用層的咽喉；
.on_connect函數指針，用於SDK層通知APP層設備連接上雲了；
.on_disconnect函數指針，用於SDK層通知APP層設備與雲斷開了；
.raw_data_arrived函數指針，用於SDK層將收到的原始數據通知到APP層；
.thing_creat函數指針，用於SDK層通知APP層thing創建了（thing可能就是alithing吧)；
.thing_enable/disable = NULL；
.thing_call_service函數指針，用於自定義服務回調（暫時不太理解）；
.thing_prop_changed函數指針，比較重要，從下圖log來看是雲端下發數據時設備收數據的回調函數；
.linkit_data_arrived函數指針，暫時不清楚；

下圖非常詳細的展示了應用層上述函數指針的實現，以及程序運行起來後每部分的作用（建議單獨tab打開圖片）：

爲了方便看，我把其縱向切割成3份：

linkkit_ops_t結構體初始化：
各種函數指針給linkkit_ops_t賦值：
LOG：

2.3 數據下發流程分析

我們創建的aliyun_test只有兩個自定義功能：

每次雲端有PROPERTY數據變化會出發下面的回調函數，在該函數中我們通過判斷PROPERTY_ID，來區分不同功能點：

static int thing_prop_changed(const void *thing_id, const char *property, void *ctx)
{
    int status[1];
    char *data;

    if (memcmp(property, PROPERTY_ID_STATUS, strlen(PROPERTY_ID_STATUS)) == 0) {
        
        linkkit_get_value(linkkit_method_get_property_value, thing_id, property, status, NULL);
        APP_TRACE("Received a message: {\"%s\":%d}\n", property, status[0]);

        /* do user's data arrived process logical here. */
    }
    else if (memcmp(property, PROPERTY_ID_DATA, strlen(PROPERTY_ID_DATA)) == 0) {
        linkkit_get_value(linkkit_method_get_property_value, thing_id, property, NULL, &data);
        APP_TRACE("Received a message: {\"%s\":\"%s\"}\n", property, data);
        HAL_Free(data);     /* free memery as it was malloc by linkkit api linkkit_get_value() */
    }

    return 0;
}

下面是雲端主動推送信息下來後本地打印的LOG：

2.4 數據讀取與上報流程分析

本DEMO啓動之後會每隔5S將上報所有（2個）property，具體邏輯是：先讀取STATUS和DATA，如果DATA沒有數據，則發送hello world：

static int app_post_all_property(void)
{
    int res;
    int status[1] = {0};
    char *data = NULL;
    
    linkkit_get_value(linkkit_method_get_property_value, app_context.thing, PROPERTY_ID_STATUS, status, NULL);
    linkkit_get_value(linkkit_method_get_property_value, app_context.thing, PROPERTY_ID_DATA, NULL, &data);

    /* init data property to "Hello world" if it is value is NULL */
    if (data == NULL) {
        linkkit_set_value(linkkit_method_set_property_value, app_context.thing, PROPERTY_ID_DATA, NULL, PROPERTY_ID_DATA_VALUE);
        linkkit_get_value(linkkit_method_get_property_value, app_context.thing, PROPERTY_ID_DATA, NULL, &data);
    }

    APP_TRACE("{\"%s\":%d, \"%s\":\"%s\"}", PROPERTY_ID_STATUS, status[0], PROPERTY_ID_DATA, data);
    HAL_Free(data);     /* free memery as it was malloc by linkkit api linkkit_get_value() */

    /* demo for post all property */
    res = linkkit_post_property(app_context.thing, NULL, post_property_cb);
    if (res == SUCCESS_RETURN) {
        APP_TRACE("app post all properties every 5 seconds successfully");
    }
    else {
        APP_TRACE("app post all properties every 5 seconds fail");
    }

    return res;
}

下面是本地主動週期性上報的LOG：

3、移植到ESP32上搞IOT —— 二營長，把老子的意大利炮拿上來

如果本文到此爲止，老炮們肯定會吐槽這是個騙流量的文章！老炮內心OS中：阿里的linux上的調試工具挺方便的，如果上面不寫代碼分析，貼這麼多圖、變着花樣的貼圖，而且自己服務器上搭的圖牀帶寬還辣麼窄，看你寫啥（捂臉笑）。

3.1 搭建ESP32全自動命令行開發環境

通過下面兩個資料，大家可以自行搭建環境：

SDK介紹：對於ESP32樂鑫官方提供了一個IDF :

official development framework for the ESP32 chip.
環境搭建：如果你想自己搭建開發環境，參見樂鑫官方資料：

ESP-IDF Programming Guide

不過！作爲系統潔癖和拒絕重複造輪子的博主，已經寫了一個全自動構建環境的腳本、並把該工具在github上開源了：esp32_linux_tool ^[5]

注：nbtool是博主專門放自己造的或收集到的牛逼輪子的github組

博主造的這個輪子比較好用，基於all-in-one思想(所有相關文件在一個文件夾下；所有相關環境變量不需要額外配置）：

用的時候需要git clone到本地，進入tool文件夾，運行bash run.sh tool會自動構建ESP-IDF開發環境：

  git clone [email protected]:nbtool/esp32_linux_tool.git
  cd esp32_linux_tool
  cd tool
  bash run.sh help
  bash run.sh tool

當需要創建hello world時，只需要調用下面命令，即可從SDK中的DEMO複製到app文件夾下，並自動在app/hello_world下創建run.sh腳本：
```
  bash run.sh create ../sdk/esp-idf/examples/get-started/hello_world hello_world
  cd ../app/hello_world
  ./run.sh help
```
當需要編譯並燒寫固件到ESP32中的時，只需要調用./run.sh flash即可：
```
  ./run.sh flash
```
當需要觀察LOG的時候，只需要：
```
  ./run.sh monitor
```

是不是很好用？（哈哈），想要了解其機制，只需要參考下tool下的run.sh即可～

3.2 基於ESP32移植並編譯阿里iotkit-embedded成lib

設備廠商在設備上集成 Link Kit C-SDK 後, 可以將設備安全的接入到阿里雲IoT物聯網平臺, 從而讓設備可以被阿里雲IoT物聯網平臺進行管理。

設備需要支持TCP/IP協議棧才能集成SDK, zigbee/433/KNX這樣的非IP設備需要通過網關設備接入到阿里雲IoT物聯網平臺, 網關設備需要集成Link Kit SDK ^[6]。

基於我們的esp_32_linux_tool環境來編譯iotkit-embedded：

cd esp32_linux_tool
cd app
git clone https://github.com/aliyun/iotkit-embedded.git
cd iotkit-embedded

在iot-embedded文件夾下創建一個run.sh文件：

➜  iotkit-embedded git:(master) ✗ cat run.sh 
#!/bin/bash

#I don't like to set environment variables in the system, 
#so I put the environment variables in run.sh.
#Every time I use run.sh, the enviroment variables will be set, after use that will be unsetted.


PROJECT_ROOT=../..
TOOLS_PATH=$PROJECT_ROOT/tool
SDK_PATH=$PROJECT_ROOT/sdk
APP_PATH=$PROJECT_ROOT/app

XTENSA_ESP32_ELF_PATH=$TOOLS_PATH/xtensa-esp32-elf
ESP_IDF_PATH=$SDK_PATH/esp-idf

the_sdk_path=`cd $ESP_IDF_PATH; pwd`
the_tool_chain_path=`cd $XTENSA_ESP32_ELF_PATH/bin; pwd`

export PATH="$PATH:$the_tool_chain_path"
export IDF_PATH="$the_sdk_path"


if [ "$1" == "reconfig" ]; then
    make reconfig
elif [ "$1" == "make" ]; then
    make
elif [ "$1" == "clean" ]; then
    make clean
else
    echo "error, try bash run.sh help"   
fi

將config.esp8266.aos, 複製一份保存爲config.esp32.aos，做一些細微調整，最終如下：

➜  iotkit-embedded git:(master) ✗ cat src/board/config.esp32.aos
CONFIG_ENV_CFLAGS   += \
    -DBOARD_ESP32 -u call_user_start \
    -fno-inline-functions \
    -ffunction-sections \
    -fdata-sections \
    -mlongcalls \
    -DESPOS_FOR_ESP32 -Wl,-static \
    -DXT_USE_THREAD_SAFE_CLIB=0 \

CONFIG_ENV_CFLAGS   += \
    -Os \
    -DCONFIG_HTTP_AUTH_TIMEOUT=500 \
    -DCONFIG_MID_HTTP_TIMEOUT=500 \
    -DCONFIG_GUIDER_AUTH_TIMEOUT=500 \
    -DCONFIG_MQTT_TX_MAXLEN=640 \
    -DCONFIG_MQTT_RX_MAXLEN=1200 \

CONFIG_src/ref-impl/tls         :=
CONFIG_src/ref-impl/hal         :=
CONFIG_examples                 :=
CONFIG_tests                    :=
CONFIG_src/tools/linkkit_tsl_convert :=

CROSS_PREFIX        := xtensa-esp32-elf-

最後，運行下面語句進行選擇平臺並編譯生成lib庫：

./run.sh reconfig
./run.sh make

最終生成libiot_sdk.a如下：

3.3 基於esp-aliyun和iotkit-embedded實現ESP32 DEMO —— 上下求索、坑外有坑

esp-aliyun ^[7] 是樂鑫官網提供的一個通過MQTT訪問aliyun iot服務器的開源項目。該項目不僅依賴於3.2節介紹的iotkit-embedded ^[6] 生成的lib，而且尷尬的是辛辛苦苦編譯成功後，還不能和我們第一章創建的產品通信（成功操作會連接到雲端保持online，但是update\get數據都有誤）。

樓主依次做了如下操作，均失敗（阿里雲IOT更新太快（資料不全）呀！）：

對比linux SDK和esp-aliyun項目的區別，發現兩個實現方法不一樣：linux SDK用了linkkit（比較方便能和雲通信，代碼架構也清晰）；esp-aliyun僅僅實現了MQTT的DEMO，只有沒有封裝太多的MQTT發佈訂閱函數（因此兩個代碼有區別）
發現linkkit_ops_t項目本身也有DEMO：這個在項目的examples下，其中包含mqtt/mqtt_example.c（和esp-aliyun一模一樣！！！）和linkkit/linkkit_example_solo.c（和linux SDK相似，用 IOT_Linkkit_xx實現高級玩法）
直接將linkkit/linkkit_example_solo.c覆蓋掉esp-aliyun下的mqtt_example.c，做合理修改，發現總是編譯不通過（嘗試各種iotkit-embedded參數配置，生成lib）
分析iotkit-embedded工程，發現編譯平臺爲linux的時候能夠自動編譯example下面的demo，同樣的操作選擇esp32的時候不能。
發現AliOS Thing似乎實現了上面我想要在esp-32上編譯運行基於IOT_Linkkit_xx的linkkit_example_solo.c demo！（捂臉笑）

但是樓主在前面已經立下flag，要基於我做的esp32_linux_tool實現一個能夠與第一章創建的aliyun_test交互的DEMO，那是絕對不能拿AliOS Thing來糊弄大家的（AliOS Thing之後講，哈哈）！

3.4 基於esp-aliyun和iotkit-embedded實現ESP32 DEMO —— 方法突破、絕處逢生

利用下班的一點點時間，將3.3的問題趟了兩天、阿里資料看了多遍，最終又找到了一個奇巧淫技！我將linux版的DEMO開一段時間，在aliyun後臺看所有交互的log的數據包，然後我參考這個數據包用mqtt_example.c裏的原始MQTT函數進行合成高級命令，然後實現和阿里雲通信。

採用上述方法，我發現原來mqtt_example.c中TOPIC和上報json數據格式是有問題的：

其中TOPIC要按照創建產品的topic列表中來（其中發佈用來上報數據、訂閱用來收取數據）：

  /* These are pre-defined topics */
  #define TOPIC_UPDATE                    "/"PRODUCT_KEY"/"DEVICE_NAME"/user/update"
  #define TOPIC_ERROR                     "/"PRODUCT_KEY"/"DEVICE_NAME"/user/update/error"
  #define TOPIC_GET                       "/"PRODUCT_KEY"/"DEVICE_NAME"/user/get"

  #define DEVICE_PROPERTY_POST            "/sys/"PRODUCT_KEY"/"DEVICE_NAME"/thing/event/property/post"//設備屬性上報
  #define DEVICE_PROPERTY_POST_REPLY      "/sys/"PRODUCT_KEY"/"DEVICE_NAME"/thing/event/property/post_reply"//設備屬性上報變化訂閱（這個topic列表中沒有，我自己抓出來的）
  #define DEVICE_PROPERTY_SET             "/sys/"PRODUCT_KEY"/"DEVICE_NAME"/thing/service/property/set"//設備屬性設置訂閱
  #define DEVICE_INFO_UPDATE              "/sys/"PRODUCT_KEY"/"DEVICE_NAME"/thing/deviceinfo/update"//設備標籤上報

其中json數據格式有一定的規範，不能直接組一個{"Status":1}就上報，要帶一部分參數：

  {
  	"method":"thing.event.property.post",
  	"id":"7",
  	"version":"1.0",
  	"params":{
  		"Status":1,
  		"Data":"Hello, World!"
  	}
  }

注：其實最後通過仔細閱讀Link Kit SDK用戶手冊 ^[8] ，也印證了我上面的嘗試～

3.5 基於esp-aliyun和iotkit-embedded實現ESP32 DEMO —— 發佈訂閱、全部實現

採用上述json格式，成功將數據上報到DEVICE_PROPERTY_POST的TOPIC下，通過進一步查後臺LOG發現一個隱藏的TOPIC：DEVICE_PROPERTY_POST_REPLY，通過訂閱該TOPIC每次上報導致數據變化就能被監聽到了！（和linux SDK版本一樣了，舒服）

一不做二不休，直接實現所有訂閱：

/* Subscribe the specific topic */
rc = IOT_MQTT_Subscribe(pclient, DEVICE_PROPERTY_SET, IOTX_MQTT_QOS1, _demo_message_arrive, NULL);
if (rc < 0) {
	IOT_MQTT_Destroy(&pclient);
	EXAMPLE_TRACE("IOT_MQTT_Subscribe() failed, rc = %d", rc);
	return -1;
}
rc = IOT_MQTT_Subscribe(pclient, DEVICE_INFO_UPDATE, IOTX_MQTT_QOS1, _demo_message_arrive, NULL);
if (rc < 0) {
	IOT_MQTT_Destroy(&pclient);
	EXAMPLE_TRACE("IOT_MQTT_Subscribe() failed, rc = %d", rc);
	return -1;
}
rc = IOT_MQTT_Subscribe(pclient, TOPIC_GET, IOTX_MQTT_QOS1, _demo_message_arrive, NULL);
if (rc < 0) {
	IOT_MQTT_Destroy(&pclient);
	EXAMPLE_TRACE("IOT_MQTT_Subscribe() failed, rc = %d", rc);
	return -1;
}
rc = IOT_MQTT_Subscribe(pclient, DEVICE_PROPERTY_POST_REPLY, IOTX_MQTT_QOS1, _demo_message_arrive, NULL);
if (rc < 0) {
	IOT_MQTT_Destroy(&pclient);
	EXAMPLE_TRACE("IOT_MQTT_Subscribe() failed, rc = %d", rc);
	return -1;
}

實現數據週期性上報：

 do {
	/* Generate topic message */
	cnt++;
	msg_len = snprintf(msg_pub, sizeof(msg_pub), "{\"method\":\"thing.event.property.post\",\"id\":\"7\",\"version\":\"1.0\",\"params\":{\"Status\":%d,\"Data\":\"Hello, World!-%d\"}}",cnt%2 == 0,cnt);
      
	if (msg_len < 0) {
	    EXAMPLE_TRACE("Error occur! Exit program");
	    return -1;
	}

	topic_msg.payload = (void *)msg_pub;
	topic_msg.payload_len = msg_len;

	rc = IOT_MQTT_Publish(pclient, DEVICE_PROPERTY_POST, &topic_msg);
	...
}

最終週期性上報數據並收到訂閱的回調LOG截圖如下：

3.6 基於esp-aliyun和iotkit-embedded實現ESP32 DEMO —— 全自動腳本、免費送

最後，爲了感謝2018年來新老訪客的點贊（瘋狂暗示中），我編寫了一個超級輕量級全自動構建、編譯、燒寫、DEBUG的腳本，助你一鍵體驗，爽翻。

GIT 地址： https://github.com/nbtool/esp32_linux_tool
體驗方法：

#克隆項目到本地
> git clone [email protected]:nbtool/esp32_linux_tool.git

#構建esp32開發環境
> cd ./esp32_linux_tool/tool
> ./run.sh help
> ./run.sh tool

#進入aliyun_demo應用文件夾，查看幫助
> cd ../app/aliyun_demo
> ./run.sh help
|----------------------------------------------------
| ./run.sh op param
| op:
|   create : downloads iotkit and aliyun-esp32 from github and make some change
|   sdk : param = reconfig/config/make/clean
|   app : param = deconfig/config/make/erase/flash/monitor/clean
| examples:
|   first create sdk lib : create -> sdk reconfig -> sdk config -> sdk make
|   second create app : config -> make -> flash -> monitor
|----------------------------------------------------

#編譯iotkit-embedded成lib
> ./run.sh create
> ./run.sh sdk reconfig
> ./run.sh sdk make

#編譯應用層代碼，並燒寫查看LOG
> ./run.sh app config
> ./run.sh app make
> ./run.sh app flash
> ./run.sh app monitor

注：可以從aliyun_demo/run.sh中瞭解如何實現自動化的～: 完～; 大家覺得不錯，可以點推薦給更多人～; 明天年會，再幹一週，放假，用這篇超長文做個年終總結吧（笑）～

@beautifulzzzz
以藍牙技術爲基礎的的末梢無線網絡系統架構及創新型應用探索！
領域：智能硬件、物聯網、自動化、前沿軟硬件
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