Arduino MKR OTA-Programmierung mit Sprachsteuerung & Extras

Komponenten und Zubehör

Apps und Online-Dienste

• Arduino IDE
• Microsoft Azure IoT Hub
• Microsoft Visual Studio 2015 (UWP – Universal Windows Platform)
• Microsoft Project Oxford (Speech Recognition API)

Projektübersicht

Überblick

Das Projekt besteht aus zwei Teilen:

Teil 1: Wiederverwendbare Komponenten-Framework für IoT-Projekte mit nützlichen Features:

• Over-the-Air (OTA) Programmierung des Arduino MKR1000 (hochladen von kompiliertem Binärcode). Mehrere Methoden: im LAN, über Internet, sicher via Microsoft Azure IoT Hub.
• UWP-Client-App mit schöner Benutzeroberfläche. Kommuniziert sicher mit dem Board über Azure IoT Hub.
• Spracherkennung (in der Client-App) via Microsoft Project Oxford Speech Recognition API. Gesprochene Befehle steuern das Board über Azure IoT Hub.

Teil 2: Anwendungsbeispiel – Raumthermostat, gesteuert per Smartphone (UWP-App). Dient als Demonstrationsprojekt für die Komponenten. Wir betreiben es produktiv in unserem Büro – die Heizung wird während des Schreibens dieser Zeilen von diesem Projekt gesteuert.

Teil 1: Die wiederverwendbaren OTA-Komponenten

OTA-Funktionsprinzip

Entwickelte Komponenten:

Für Arduino IDE:

• Laufzeit-Bibliothek – handhabt Firmware-Upload und Copy-Mechanik.
• Eigenes „Boards“-Paket – Linker-Einstellungen für die Bibliothek.
• Arduino IDE Plugin – sendet Download-Signale und kompilierte Binaries (Firmware). Kommuniziert mit Board, Azure IoT Hub, IoT Dispatcher Server.

Auf Drittanbieter-Server (z. B. Azure Web Site):

• IoT Dispatcher – PHP + MySQL Anwendung, speichert und stellt Firmware bereit.

UWP-App Funktionsprinzip

• UWP-Client-App in C#. Kommunikation mit Board via Azure IoT Hub, Spracherkennung via Microsoft Project Oxford. Als Startpunkt für diverse Projekte nutzbar.

OTA-Demo

Teil 2: Anwendungsfall – Raumthermostat

Entwickelt, um die Komponenten in einem echten Projekt zu demonstrieren. Läuft produktiv in unserem Büro.

Logik:

• Temperatur < Sollwert → Relais (Heizung) EIN
• Temperatur > Sollwert → Relais/Heizung AUS
• UWP-Client: Statusanzeige, Sollwert-Einstellung per Textfeld oder Sprache

1. Hardware aufbauen

Kein Fritzing-Schaltplan, da Beta-MKR1000 verwendet (Pin-Layout kann sich ändern).

2. Entwicklungsumgebung für OTA & Azure IoT Hub einrichten

• Arduino IDE ≥ 1.6.7 installieren
• Arduino SAMD Boards installieren: Werkzeuge → Board: ... → Boardverwalter → „Arduino SAMD Boards“
• Bibliotheken in SKETCHBOOK_DIR/libraries (z. B. Dokumente/Arduino/libraries) entpacken: WiFi101, AzureIoT, RTCZero

Unsere Komponenten:

• OTA Laufzeit-Bibliothek in SKETCHBOOK_DIR/libraries
• Eigenes „Boards“-Paket: Verzeichnis SKETCHBOOK_DIR/hardware/flower-platform anlegen, Download dort entpacken
• Arduino IDE Plugin: Verzeichnis SKETCHBOOK_DIR/tools anlegen, Download dort entpacken

Für sicheres OTA via Internet/HTTPS:

• IoT Dispatcher auf PHP+MySQL-Server installieren (Anleitung für Azure Cloud Deployment vorhanden)

3. OTA testen – Drei Upload-Methoden

Methode 1: OTA via LAN

Datei → Beispiele → Arduino-FlowerOTA → WiFiOTA. Zeilen mit // CHANGE ME anpassen (IP, WLAN, SSL, Server-Signatur). Dann Flower Platform → Upload OTA ...

Verwenden:

WiFiClient client;
ota.begin(&udp, &client, "1hvtdliHzKLjMykvfW1MfPwsFthUU/YfjN8fOZJ3Qhc="); // Server-Signatur aus Dialog

Hinweis: Bei allen 3 Methoden ist ein erstmaliger USB-Upload nötig. Danach OTA nach Wahl.

Methode 2: OTA via sicherer Dispatcher

Gleiche Beispieldatei. Verwenden:

WiFiSSLClient client;
ota.begin(&udp, &client, "my-iot-dispatcher-upload-key"); // In IoT Dispatcher (PHP) konfiguriert

Methode 3: OTA via Dispatcher + Azure IoT Hub

Datei → Beispiele → Arduino-FlowerOTA → WiFiOTA-AzureIoTHub. Wieder // CHANGE ME Zeilen anpassen.

Methode 4: Anwendungsbeispiel – Raumthermostat

Verfügbar im Repository.

4. Benutzeroberfläche testen (UWP-App mit Azure IoT Hub & Spracherkennung)

UWP-Projekt im Repository. Benötigt: Visual Studio 2015 + Windows 10.

Verbindungsparameter anpassen (aus Azure Portal):

// SendCloudToDevice.cs
class SendCloudToDevice {
  private const string HOST = "???.azure-devices.net";
  private const string DEVICE_ID = "???";
  private const string DEVICE_KEY = "???";
  static string sharedAccessKeyName = "???";
  static string sharedAccessKey = "???";
}

// ReadDeviceToCloud.cs
class ReadDeviceToCloud {
  private static string ConnectionString = "???";
  private static string eventHubEntity = "???";
}

Code als Startpunkt für eigene Client-Apps – nur UI anpassen.

Zukünftige Schritte

Boards wie der MKR1000 (rechenstark, SSL-fähig) sind ein großer Schritt für Maker. Wir entwickeln weiter: Flower Platform IoT – ein Online-Service, der IoT-Projekte massiv beschleunigt:

• Entwicklung: OOP-Komponenten + grafische Programmiersprache (mischbar mit Handcode)
• Deployment: OTA

Ziel: Stiftung zur Vermittlung von IoT-Making an Kinder.

Code-Repositories

• Laufzeit-Bibliothek (Firmware-Upload/Copy): GitHub
• Eigenes „Boards“-Paket (Linker-Skript): GitHub
• Arduino IDE Plugin (Java, Kommunikation Board/Dispatcher/IoT Hub): GitHub
• IoT Dispatcher (PHP+MySQL, Firmware-Speicher): GitHub
• Raumthermostat Beispiel (C++): GitHub
• UWP Client für Thermostat (C#, HTML, JS): GitHub

Schaltpläne

Kein Fritzing-Diagramm (Beta-MKR1000, Pin-Layout kann sich ändern).

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