在樹莓派上搭建智慧家居閘道器

EMQX發表於2020-07-15
樹莓派

智慧家居系統利用大量的物聯網裝置（如溫溼度感測器、安防系統、照明系統）實時監控家庭內部狀態，完成智慧調節、人機互動。隨著物聯網技術的發展，其應用範圍、資料規模、市場份額將進一步擴大，智慧家居裝置之間的智慧聯動也將變的越來越困難，同時由於家庭資料的隱私性，使用者資料上傳至雲端處理還有一定的安全問題。

為此我們將使用 Raspberry Pi + EMQ X Edge + EMQ X Kuiper 搭建智慧家居閘道器，實現智慧家居裝置資料的邊緣計算處理，減少家庭私密資料外流。

本文中我們將用 BH1750FVI 光照強度感測器採集家庭光照強度資料，使用 EMQ X Kuiper 對光照強度資料進行分析和處理，並依據預先定義的資料規則對 LED 燈進行相應的控制。

所需元件

樹莓派 3b+ 以及更高版本

樹莓派3代B+ 型是一款基於 ARM 的微型計算機主機板，以 SD/MicroSD卡進行儲存，該主機板提供 USB 介面和乙太網介面，可以連線鍵盤、滑鼠和網線，該主機板具備 PC 的基本功能，同時樹莓派整合了 Wi-Fi，藍芽以及大量 GPIO，是智慧家居閘道器的理想選擇。

EMQ X Edge

智慧家居裝置之間通訊協議有 MQTT，Wi-Fi，藍芽 等，其中 MQTT 協議 是基於釋出/訂閱模式的物聯網通訊協議，它簡單易實現、支援 QoS、報文小。在本文中我們將使 MQTT 協議作為智慧家居裝置之間的通訊協議。

由於 Raspberry Pi 記憶體以及處理能力有限，我們選擇由 EMQ 開源的 EMQ X Edge 作為 MQTT broker，EMQ X Edge 是輕量級的物聯網邊緣計算訊息中介軟體，支援部署在資源受限的物聯網邊緣硬體。

EMQ X Kuiper

智慧家居裝置之間資料傳輸格式不同，並且資料存在波動性，我們需要對裝置上報的資料進行處理。在本文中我們將使用由 EMQ 開源的 EMQ X Kuiper 對智慧家居裝置資料進行邊緣化處理，EMQ X Kuiper 是基於 SQL 的輕量級邊緣流式訊息處理引擎，可以執行在資源受限的邊緣裝置上。

通過實時分析智慧家居裝置的各類資料，可以實現對裝置的即時狀態管理與控制。

其他元件

  • BH1750FVI 光照強度感測器
  • LED
  • 330 Ω電阻
  • 麵包板, 跳線若干

專案示意圖

project.png

環境搭建

電路連線

schematics.png

樹莓派配置

我們選擇 raspbian 8 作為樹莓派作業系統，並選擇 python 3 作為專案程式語言

# 建立名為 smart-home-hubs 的專案目錄
mkdir ~/smart-home-hubs

EMQ X Edge 安裝與執行

$ cd ~/smart-home-hubs
# 下載軟體包
$ wget https://www.emqx.io/downloads/edge/v4.1.0/emqx-edge-raspbian8-v4.1.0.zip
$ unzip emqx-edge-raspbian8-v4.1.0.zip
$ cd ./emqx
# 執行 EMQ X Edge
$ ./bin/emqx start

EMQ X Kuiper 安裝與執行

$ cd ~/smart-home-hubs
# 下載軟體包
$ wget https://github.com/emqx/kuiper/releases/download/0.4.2/kuiper-0.4.2-linux-armv7l.zip
$ unzip kuiper-0.4.2-linux-armv7l.zip
$ mv kuiper-0.4.2-linux-armv7l ./kuiper
$ cd ./kuiper
# 建立 rules 目錄，用來存放規則檔案
$ mkdir ./rules
# 執行 EMQ X Kuiper
$ ./bin/server

程式碼編寫

BH1750FVI 光照感測器資料上傳

編寫程式碼讀取並計算 BH1750FVI 感測器光照強度資料，並以 1次/秒 的頻率將光照強度資料通過 MQTT協議 釋出到 smartHomeHubs/light 主題上。

# gy30.py
import json
import time

import smbus
from paho.mqtt import client as mqtt


# BH1750FVI config
DEVICE = 0x23  # Default device I2C address
POWER_DOWN = 0x00
POWER_ON = 0x01
RESET = 0x07
CONTINUOUS_LOW_RES_MODE = 0x13
CONTINUOUS_HIGH_RES_MODE_1 = 0x10
CONTINUOUS_HIGH_RES_MODE_2 = 0x11
ONE_TIME_HIGH_RES_MODE_1 = 0x20
ONE_TIME_HIGH_RES_MODE_2 = 0x21
ONE_TIME_LOW_RES_MODE = 0x23
bus = smbus.SMBus(1)

# MQTT broker config
broker = '127.0.0.1'
port = 1883
topic = 'smartHomeHubs/light'

def read_light():
    data = bus.read_i2c_block_data(DEVICE, ONE_TIME_HIGH_RES_MODE_1)
    light_level = round((data[1] + (256 * data[0])) / 1.2, 2)
    return light_level


def connect_mqtt():
    client = mqtt.Client(client_id='light_01')
    client.connect(host=broker, port=port)
    return client


def run():
    mqtt_client = connect_mqtt()
    while True:
        light_level = read_light()
        publish_msg = {'lightLevel': light_level}
        mqtt_client.publish(
            topic,
            payload=json.dumps(publish_msg)
        )
        print(publish_msg)
        time.sleep(1)


if __name__ == "__main__":
    run()

配置 EMQ X Kuiper 流處理規則

我們將在 EMQ X Kuiper 上建立名為 smartHomeHubs 的流，並配置規則對光照強度資料進行實時分析，以實現對 LED 燈的控制。

本文中我們將計算光照強度平均值，當平均光照強度 持續 5 秒 小於 55 時開啟 LED（大於 55 時關閉 LED）。

  • 建立流

    $ cd ~/smart-home-hubs/kuiper

$ ./bin/cli create stream smartHomeHubs '(lightLevel float) WITH (FORMAT="JSON", DATASOURCE="smartHomeHubs/light")'

  • 編寫開啟 LED 規則（./rules/onLed.rule）

    當持續 5 秒鐘平均光照強度小於 55 時，向 smartHomeHubs/led 主題傳送 "{\"status\": \"on\"}" 訊息開啟 LED。

    {
   "sql":"SELECT avg(lightLevel) as avg_light from smartHomeHubs group by TUMBLINGWINDOW(ss, 5) having avg_light < 55;",
   "actions":[
      {
         "mqtt":{
            "server":"tcp://127.0.0.1:1883",
            "topic":"smartHomeHubs/led",
            "sendSingle":true,
            "dataTemplate": "{\"status\": \"on\"}"
         }
      }
   ]
}

  • 編寫關閉 LED 規則（./rules/offLed.rule）

    當持續 5 秒鐘平均光照強度大於 55 時，向 smartHomeHubs/led 主題傳送 "{\"status\": \"off\"}" 訊息關閉 LED。

    {
   "sql":"SELECT avg(lightLevel) as avg_light from smartHomeHubs group by TUMBLINGWINDOW(ss, 5) having avg_light > 55;",
   "actions":[
      {
         "mqtt":{
            "server":"tcp://127.0.0.1:1883",
            "topic":"smartHomeHubs/led",
            "sendSingle":true,
            "dataTemplate": "{\"status\": \"off\"}"
         }
      }
   ]
}

  • 新增規則

    $ ./bin/cli create rule onLed -f ./rules/onLed.rule 
$ ./bin/cli create rule onLed -f ./rules/offLed.rule

  • 檢視規則

    $  ./bin/cli show rules

    show_rules.png

LED 燈控制

編寫程式碼連線到 EMQ X Edge，並訂閱 smartHomeHubs/led 主題。監聽訂閱的 MQTT 訊息內容，當 status 為 on 時開啟 LED，當 status 為 off 時關閉 LED。

# led.py
import paho.mqtt.client as mqtt
import RPi.GPIO as GPIO
import json


# MQTT broker config
broker = '127.0.0.1'
port = 1883
topic = 'smartHomeHubs/led'


def on_connect(client, userdata, flags, rc):
    print("Connecting to the MQTT broker...")
    if rc == 0:
        print("Connection success")
    else:
        print("Connected with result code "+str(rc))
    client.subscribe(topic)


def on_message(client, userdata, msg):
    payload = json.loads(msg.payload)
    led_status = payload.get('status')
    gpio_status = GPIO.input(4)
    if led_status == 'on' and gpio_status == 0:
        GPIO.output(4, True)
        print('LED on')
    elif led_status == 'off' and gpio_status == 1:
        GPIO.output(4, False)
        print('LED off')
    else:
        pass


def run():
    # connect MQTT broker
    client = mqtt.Client()
    client.on_connect = on_connect
    client.on_message = on_message
    client.connect(broker, 1883, 60)
    # set Raspberry Pi GPIO pin
    GPIO.setmode(GPIO.BCM)
    GPIO.setwarnings(False)
    GPIO.setup(4, GPIO.OUT)
    try:
        client.loop_forever()
    except KeyboardInterrupt:
        GPIO.cleanup()


if __name__ == "__main__":
    run()

執行測試

  1. python gy30.py 獲取光照資料，並將資料上報到 smartHomeHubs/light 主題。

    gy30.png

  2. python led.py 訂閱 smartHomeHubs/led 主題，監聽 LED 控制資訊。

    led.png

  3. 當我們手動降低或升高光照時，可以看到 LED 燈同時也開啟和關閉。

    auth_control_led.png

總結

至此，我們已成功搭建基於 Raspberry Pi + EMQ X Edge + EMQ X Kuiper 的智慧家居閘道器。

我們使用 Raspberry Pi 為閘道器提供豐富的外部通訊介面，使用 EMQ X Edge 為閘道器提供裝置之間的通訊功能，使用 EMQ X Kuiper 為閘道器提供裝置資料處理以及分析功能。

之後，我們使用光照感測器獲取光照強度，通過光照強度來控制 LED 的開和關。在整個過程中所有資料都在本地處理和分析，降低了家庭私密資料洩漏的風險。

版權宣告： 本文為 EMQ 原創，轉載請註明出處。

原文連結：https://www.emqx.io/cn/blog/s...

相關文章