【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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