【知識教學文】免費物聯網平台不敷使用?改用Firebase來規模化專案!

【知識教學文】免費物聯網平台不敷使用?改用Firebase來規模化專案!

 

每一個物聯網專案,都需要至少一台伺服器,來儲存感設節點或是裝置上所蒐集到的資料,但對於一般的 Maker 或是業餘玩家而言,自架伺服器並不容易,且往往需要耗費不少的時間與金錢,因此物聯網平台逐漸成為一種替代選擇。

近年來國內外已出現許多「物聯網平台 IoT Platform」,而這些物聯網平台通常會提供有限的免費使用額度,本篇將介紹如何使用 Firebase 即時資料庫來替代物聯網平台,進而提供給欲規模化或是商業使用的 Maker 做參考。

 

什麼是 Firebase?

Firebase 是 Google 旗下的 NoSQL Database 服務,其 realtime database 可以透過 websocket 在資料變動時發送給 Client 端,並替代以往輪詢(詳見註1)HTTP 的方式來提高效率。除此之外,Firebase 是一款面向行動裝置應用 APP 的服務,除了提供資料庫之外,還可以統合會員(使用者)認證、儲存資料、統計資料、測試版本等多項功能於一身,加速行動裝置應用程式的開發。不僅如此,就連物聯網專案將資料拋轉到 Firebase 後,連結手機 APP 的資料流架構,也非常合適呢!

而 Firebase 提供給開發者免費的額度並不算少,只要同時連線數少於 100 個,資料庫大小不超過 1GB,且每月下載量不超過 10GB,就可以免費的使用 Firebase 服務。

登入 Firebase 專案後的控制台畫面(圖片來源:Felix Lin)

 

建立 Firebase 即時資料庫

首先登入 Firebase 控制台(Console),然後點選「新增專案」以建立本次的測試專案,隨即彈出一個訊息對話框,待填入專案名稱以及點選接受相關條款之後,按下建立專案即建立完成。這邊要留意一下在專案名稱下方有一個專案 ID,這個專案 ID 必須在整個 Firebase 當中是獨特值,所以當你設定的專案名稱跟其他人重複時,專案 ID 會變成是專案名稱後面再加上幾個隨機數字

建立新的 Firebase 專案。(圖片來源:Felix Lin)

 

進入專案後可以看到左側選單列有 Project Overview、開發、品質、數據分析與拓展等不同大項,可以點選收合或展開各大項裡面的功能。點選左側 Database 項目,前往建立資料庫。目前 Firebase 有兩種 NoSQL 即時資料庫,分別為傳統的 Realtime Database 與新版本且在測試階段的 Firestore,我們在這個範例中選擇傳統的 Realtime Database。之後會跳出安全性規則選項,選擇預設「以鎖定模式啟動」進行啟用即可。建立完成之後即會有一個空的資料庫,這裡尚不需要做任何欄位的新增。而在上方有這個資料庫的 URL 網址務必先記下來,之後在撰寫程式碼時會用到。

接下來點選左方的齒輪圖示引導到專案設定頁面,再點選上方服務帳戶頁籤,選擇資料庫密鑰。這裡會顯示至少一組此專案資料庫的密鑰,開發者可以透過此密鑰將管理資料上傳到資料庫,或是從資料庫取得資料。到這裡即完成 Firebase 基礎資料庫的設定,接下來就可以將資料上傳到資料庫中了。

點選 Database 項幕後建立 Realtime Database。(圖片來源:Felix Lin)

到專案設定中將資料庫密鑰給記錄下來。(圖片來源:Felix Lin)

 

使用 ESP8266(NodeMCU)上傳資料到 Firebase

這一段我們用一個簡單的範例,讓大家可以快速地了解如何使用 Firebase 即時上傳資料。這次選擇平價好用的 ESP8266 作為微控制器,下圖中包含了 Adafruit HUZZAH ESP8266 breakout 與 LoLin NodeMCU V3,這兩款開發板皆以 ESP8266 為基礎,並支援 Arduino IDE 開發。目前市場上 ESP8266 的相關開發板族系眾多,只要是可以使用 Arduino IDE 進行開發的,皆能輕鬆地取得資源並拿來使用,這裡就不逐一介紹了。

Adafruit HUZZAH ESP8266 breakout(左)與 LoLin NodeMCU V3(右)。(圖片來源:Felix Lin)

 

接著準備所需要的函式庫,前往 FirebaseArduino 專案的 github 頁面,將其下載後從 Arduino IDE 中的功能列,點選草稿碼 → 匯入程式庫 → 加入 ZIP 程式庫,並將剛下載的 ZIP 檔加到 Arduino 的函式庫中。此專案並非 Firebase 官方的函式庫,而是由社群自行提供的,即便在 README 頁面上說明此專案仍在實驗開發階段,但對於功能測試也已足夠了。

加入完成後點選功能列上的檔案 → 範例 → FirebaseArduino → FirebaseDemo_ESP8266 開啟 Firebase 範例程式碼。在程式碼第 24 ~ 27 行中,分別填入在前一段落取得的 Firebase URL、Firebase 密鑰以及開發板所在環境的 WiFi SSID 與 PASSWORD。修改完成後就可以直接進行編譯,這階段筆者的環境有發生過一個錯誤的訊息,似乎是 FirebaseArduino 的 Library 無法順利找到 ESP8266 的附屬周邊 Library,如果各位也有發生一樣的問題,可以到 Firebase-Arduino/src 的目錄下,找到一個名為 FirebaseHttpClient_Esp8266.cpp 的檔案,開啟檔案將其第 7 ~ 9 行的 include 標頭檔的註解移除,修改完並存檔。再次進行編譯後即可以順利完成編譯,並且上傳程式碼到 NodeMCU 開發板。

填入 Firebase 資料庫 URL、認證金鑰、WiFi SSID 與 PASSWORD。(圖片來源:Felix Lin)

直接編譯範例程式可能會出現的錯誤訊息。(圖片來源:Felix Lin)

將 FirebaseHttpClient_Esp8266.cpp 中 7 ~ 9 行的註解移除。(圖片來源:Felix Lin)

 

開發板重新啟動並開始執行程式時,會先連上環境的 WiFi 網路,接著使用 Firebase URL 與密鑰登入 Firebase,去更新資料庫上的內容。同時我們也可以從 Firebase 控制台上面清楚地看到資料庫內容被改動的即時狀態,反之如果在他處(如手機 APP 等),更改了資料欄位的值,開發板也會即時收到通知,並且可以依據不同的設定值來執行相關的命令與指令,輕鬆完成物聯網資料更新與交換的需求。

Arduino IDE 序列埠監控視窗的輸出內容。(圖片來源:Felix Lin)

Firebase Realtime Database 所顯示的更新資料。(圖片來源:Felix Lin)

 

小結

因近年來物聯網的浪潮與趨勢,目前已有不少的物聯網平台供 Maker 與玩家使用,但若在規模化的情況下,多數物聯網平台會因應不同的收費標準,收取價格不斐的費用。即便 Firebase 起初設立的用意並非專注在物聯網領域,但其即時性與容易結合後端其他伺服器服務,或是行動裝置 APP 的優點,不失為一種用來儲存物聯網資訊的資料庫。

 

註1:輪詢(Polling)是一種 CPU 決策如何提供週邊裝置服務的方式,又稱「程式控制輸入輸出」(Programmed I/O)。 輪詢法的概念是:由 CPU 定時發出詢問,依序詢問每一個週邊裝置是否需要其服務,有即給予服務,服務結束後再問下一個週邊,接著不斷週而復始。 輪詢法實作容易,但效率偏低。(參考資料:Wikipedia

 

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(作者:Felix Lin;責任編輯:葉佳錚)

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