智能家居系统利用大量的物联网设备(如温湿度传感器、安防系统、照明系统)实时监控家庭内部状态,完成智能调节、人机互动。随着物联网技术的发展,其应用范围、数据规模、市场份额将进一步扩大,智能家居设备之间的智能联动也将变的越来越困难,同时由于家庭数据的隐私性,用户数据上传至云端处理还有一定的安全问题。
为此我们将使用 Raspberry Pi + EMQX + eKuiper 搭建智能家居网关,实现智能家居设备数据的边缘计算处理,减少家庭私密数据外流。
本次教程中我们将用 BH1750FVI 光照强度传感器采集家庭光照强度数据,使用 eKuiper 对光照强度数据进行分析和处理,并依据预先定义的数据规则对 LED 灯进行相应的控制。
树莓派3代B+ 型是一款基于 ARM 的微型计算机主板,以 SD/MicroSD卡进行存储,该主板提供 USB 接口和以太网接口,可以连接键盘、鼠标和网线,该主板具备 PC 的基本功能,同时树莓派集成了 Wi-Fi,蓝牙以及大量 GPIO,是智能家居网关的理想选择。
智能家居设备之间通信协议有 MQTT, Wi-Fi, 蓝牙 等,其中 MQTT 协议 是基于发布/订阅模式的物联网通信协议,它简单易实现、支持 QoS、报文小。在本文中我们将使 MQTT 协议作为智能家居设备之间的通信协议。
由于 Raspberry Pi 内存以及处理能力有限,我们选择由 EMQ 开源的 EMQX 作为 MQTT broker,EMQX 是开源云原生分布式物联网 MQTT 消息服务器,支持部署在资源受限的物联网边缘硬件。
智能家居设备之间数据传输格式不同,并且数据存在波动性,我们需要对设备上报的数据进行处理。在本文中我们将使用由 EMQ 开源的 EMQX Kuiper 对智能家居设备数据进行边缘化处理,EMQX Kuiper 是基于 SQL 的轻量级边缘流式消息处理引擎,可以运行在资源受限的边缘设备上。
通过实时分析智能家居设备的各类数据,可以实现对设备的即时状态管理与控制。
BH1750FVI 光照强度传感器
LED
330 Ω电阻
面包板, 跳线若干
我们选择 raspbian 8 作为树莓派操作系统,并选择 python 3 作为项目编程语言
# 创建名为 smart-home-hubs 的项目目录
mkdir ~/smart-home-hubs
$ cd ~/smart-home-hubs
# 下载软件包
$ wget https://www.emqx.com/zh/downloads/edge/v4.1.0/emqx-edge-raspbian8-v4.1.0.zip
$ unzip emqx-edge-raspbian8-v4.1.0.zip
$ cd ./emqx
# 运行 EMQX Edge
$ ./bin/emqx start
$ cd ~/smart-home-hubs
# 下载软件包
$ 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
# 创建 rules 目录,用来存放规则文件
$ mkdir ./rules
# 运行 EMQX Kuiper
$ ./bin/server
编写代码读取并计算 BH1750FVI 传感器光照强度数据,并以 1次/秒 的频率将光照强度数据通过 MQTT协议 发布到 smartHomeHubs/light 主题上。
# 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()
我们将在 eKuiper 上创建名为 smartHomeHubs 的流,并配置规则对光照强度数据进行实时分析,以实现对 LED 灯的控制。
本文中我们将计算光照强度平均值,当平均光照强度 持续 5 秒 小于 55 时开启 LED(大于 55 时关闭 LED)。
创建流
$ cd ~/smart-home-hubs/kuiper
$ ./bin/cli create stream smartHomeHubs '(lightLevel float) WITH (FORMAT="JSON", DATASOURCE="smartHomeHubs/light")'
编写开启 LED 规则(./rules/onLed.rule)
当持续 5 秒钟平均光照强度小于 55 时,向 smartHomeHubs/led
主题发送 "{\"status\": \"on\"}"
消息打开 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\"}"
}
}
]
}
编写关闭 LED 规则(./rules/offLed.rule)
当持续 5 秒钟平均光照强度大于 55 时,向 smartHomeHubs/led
主题发送 "{\"status\": \"off\"}"
消息关闭 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\"}"
}
}
]
}
添加规则
$ ./bin/cli create rule onLed -f ./rules/onLed.rule
$ ./bin/cli create rule onLed -f ./rules/offLed.rule
查看规则
$ ./bin/cli show rules
编写代码连接到 EMQX Edge,并订阅 smartHomeHubs/led 主题。监听订阅的 MQTT 消息内容,当 status 为 on 时打开 LED,当 status 为 off 时关闭 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()
1、python gy30.py
获取光照数据,并将数据上报到 smartHomeHubs/light 主题。
2、python led.py
订阅 smartHomeHubs/led 主题,监听 LED 控制信息。
3、当我们手动降低或升高光照时,可以看到 LED 灯同时也开启和关闭。
至此,我们已成功搭建基于 Raspberry Pi + EMQX + eKuiper 的智能家居网关。
我们使用 Raspberry Pi 为网关提供丰富的外部通信接口,使用 EMQX 为网关提供设备之间的通信功能,使用 eKuiper 为网关提供设备数据处理以及分析功能。
之后,我们使用光照传感器获取光照强度,通过光照强度来控制 LED 的开和关。在整个过程中所有数据都在本地处理和分析,降低了家庭私密数据泄漏的风险。