智能家居系統利用大量的物聯網設備（如溫濕度傳感器、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，其應用范圍、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越來越困難，同時由於家庭數據的隱私性，用戶數據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 搭建智能家居網關，實現智能家居設備數據的邊緣計算處理，減少家庭私密數據外流。
本文中我們將用 BH1750FVI 光照強度傳感器采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。
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，可以連接鍵盤、鼠標和網線，該主板具備 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。
EMQ X Edge
智能家居設備之間通信協議有 MQTT，Wi-Fi，藍牙 等，其中 MQTT 協議 是基於發布/訂閱模式的物聯網通信協議，它簡單易實現、支持 QoS、報文小。在本文中我們將使 MQTT 協議作為智能家居設備之間的通信協議。
由於 Raspberry Pi 內存以及處理能力有限，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消息中間件，支持部署在資源受限的物聯網邊緣硬件。
EMQ X Kuiper
智能家居設備之間數據傳輸格式不同，並且數據存在波動性，我們需要對設備上報的數據進行處理。在本文中我們將使用由 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，可以運行在資源受限的邊緣設備上。
通過實時分析智能家居設備的各類數據，可以實現對設備的即時狀態管理與控制。
其他組件
- BH1750FVI 光照強度傳感器
- LED
- 330 Ω電阻
- 面包板, 跳線若干
項目示意圖
環境搭建
電路連接
樹莓派配置
我們選擇 raspbian 8 作為樹莓派操作系統，並選擇 python 3 作為項目編程語言
# 創建名為 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
# 創建 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通過 MQTT協議 發布到 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 上創建名為 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）。
-
創建流
$ 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 秒鍾平均光照強度小於 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 秒鍾平均光照強度大於 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
編寫代碼連接到 EMQ X Edge，並訂閱 smartHomeHubs/led 主題。監聽訂閱的 MQTT 消息內容，當 status 為 on 時打開 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()
運行測試
-
python gy30.py獲取光照數據，並將數據上報到 **smartHomeHubs/light ** 主題。
-
python led.py訂閱 smartHomeHubs/led 主題，監聽 LED 控制信息。
- 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。
總結
至此，我們已成功搭建基於 Raspberry Pi + EMQ X Edge + EMQ X Kuiper 的智能家居網關。
我們使用 Raspberry Pi 為網關提供豐富的外部通信接口，使用 EMQ X Edge 為網關提供設備之間的通信功能，使用 EMQ X Kuiper 為網關提供設備數據處理以及分析功能。
之后，我們使用光照傳感器獲取光照強度，通過光照強度來控制 LED 的開和關。在整個過程中所有數據都在本地處理和分析，降低了家庭私密數據泄漏的風險。
版權聲明： 本文為 EMQ 原創，轉載請注明出處。
原文鏈接：https://www.emqx.io/cn/blog/smart-home-hub-on-raspberry-pi