在樹莓派上搭建智能家居網關

時間 2020-07-16

標籤樹莓派上搭建智能家居網關简体版

原文原文鏈接

智能家居系統利用大量的物聯網設備（如溫溼度傳感器、安防系統、照明系統）實時監控家庭內部狀態，完成智能調節、人機互動。隨着物聯網技術的發展，其應用範圍、數據規模、市場份額將進一步擴大，智能家居設備之間的智能聯動也將變的愈來愈困難，同時因爲家庭數據的隱私性，用戶數據上傳至雲端處理還有必定的安全問題。python

爲此咱們將使用 Raspberry Pi + EMQ X Edge + EMQ X Kuiper 搭建智能家居網關，實現智能家居設備數據的邊緣計算處理，減小家庭私密數據外流。linux

本文中咱們將用 BH1750FVI 光照強度傳感器採集家庭光照強度數據，使用 EMQ X Kuiper 對光照強度數據進行分析和處理，並依據預先定義的數據規則對 LED 燈進行相應的控制。git

所需組件

樹莓派 3b+ 以及更高版本

樹莓派3代B+ 型是一款基於 ARM 的微型計算機主板，以 SD/MicroSD卡進行存儲，該主板提供 USB 接口和以太網接口，能夠鏈接鍵盤、鼠標和網線，該主板具有 PC 的基本功能，同時樹莓派集成了 Wi-Fi，藍牙以及大量 GPIO，是智能家居網關的理想選擇。github

EMQ X Edge

智能家居設備之間通訊協議有 MQTT，Wi-Fi，藍牙等，其中 MQTT 協議 是基於發佈/訂閱模式的物聯網通訊協議，它簡單易實現、支持 QoS、報文小。在本文中咱們將使 MQTT 協議做爲智能家居設備之間的通訊協議。sql

因爲 Raspberry Pi 內存以及處理能力有限，咱們選擇由 EMQ 開源的 EMQ X Edge 做爲 MQTT broker，EMQ X Edge 是輕量級的物聯網邊緣計算消息中間件，支持部署在資源受限的物聯網邊緣硬件。編程

EMQ X Kuiper

智能家居設備之間數據傳輸格式不一樣，而且數據存在波動性，咱們須要對設備上報的數據進行處理。在本文中咱們將使用由 EMQ 開源的 EMQ X Kuiper 對智能家居設備數據進行邊緣化處理，EMQ X Kuiper 是基於 SQL 的輕量級邊緣流式消息處理引擎，能夠運行在資源受限的邊緣設備上。json

經過實時分析智能家居設備的各種數據，能夠實現對設備的即時狀態管理與控制。安全

其餘組件

BH1750FVI 光照強度傳感器
LED
330 Ω電阻
麪包板, 跳線若干

項目示意圖

環境搭建

電路鏈接

樹莓派配置

咱們選擇 raspbian 8 做爲樹莓派操做系統，並選擇 python 3 做爲項目編程語言bash

# 建立名爲 smart-home-hubs 的項目目錄
mkdir ~/smart-home-hubs

EMQ X Edge 安裝與運行

$ cd ~/smart-home-hubs
# 下載軟件包
$ 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
# 運行 EMQ X Edge
$ ./bin/emqx start

EMQ X Kuiper 安裝與運行

$ cd ~/smart-home-hubs
# 下載軟件包
$ 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，用來存放規則文件
$ mkdir ./rules
# 運行 EMQ X Kuiper
$ ./bin/server

代碼編寫

BH1750FVI 光照傳感器數據上傳

編寫代碼讀取並計算 BH1750FVI 傳感器光照強度數據，並以 1次/秒 的頻率將光照強度數據經過 MQTT協議 發佈到 smartHomeHubs/light 主題上。tcp

# 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

咱們將在 EMQ X Kuiper 上建立名爲 smartHomeHubs 的流，並配置規則對光照強度數據進行實時分析，以實現對 LED 燈的控制。

本文中咱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 時開啓 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")'

編寫開啓 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 主題發送 "{\"status\": \"on\"}" 消息打開 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 主題發送 "{\"status\": \"off\"}" 消息關閉 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\"}"
         }
      }
   ]
}

添加規則

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

查看規則
```
$  ./bin/cli show rules
```

LED 燈控制

編寫代碼鏈接到 EMQ X Edge，並訂閱 smartHomeHubs/led 主題。監聽訂閱的 MQTT 消息內容，當 status 爲 on 時打開 LED，當 status 爲 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()