樹莓派 + EMQX + eKuiper 搭建智能家居網關，實現邊緣計算

風聲之家 2022-10-09 發(fā)布于江蘇

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智能家居系統(tǒng)利用大量的物聯(lián)網設備（如溫濕度傳感器、安防系統(tǒng)、照明系統(tǒng)）實時監(jiān)控家庭內部狀態(tài)，完成智能調節(jié)、人機互動。隨著物聯(lián)網技術的發(fā)展，其應用范圍、數據規(guī)模、市場份額將進一步擴大，智能家居設備之間的智能聯(lián)動也將變的越來越困難，同時由于家庭數據的隱私性，用戶數據上傳至云端處理還有一定的安全問題。

為此我們將使用 Raspberry Pi + EMQX + eKuiper 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。

本次教程中我們將用 BH1750FVI 光照強度傳感器采集家庭光照強度數據，使用 eKuiper 對光照強度數據進行分析和處理，并依據預先定義的數據規(guī)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+ 型是一款基于 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。

EMQX

智能家居設備之間通信協(xié)議有 MQTT， Wi-Fi，藍牙等，其中 MQTT 協(xié)議是基于發(fā)布/訂閱模式的物聯(lián)網通信協(xié)議，它簡單易實現、支持 QoS、報文小。在本文中我們將使 MQTT 協(xié)議作為智能家居設備之間的通信協(xié)議。

由于 Raspberry Pi 內存以及處理能力有限，我們選擇由 EMQ 開源的 EMQX 作為 MQTT broker，EMQX 是開源云原生分布式物聯(lián)網 MQTT 消息服務器，支持部署在資源受限的物聯(lián)網邊緣硬件。

eKuiper

智能家居設備之間數據傳輸格式不同，并且數據存在波動性，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 EMQX Kuiper 對智能家居設備數據進行邊緣化處理，EMQX Kuiper 是基于 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(tài)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(huán)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(tǒng)，并選擇 python 3 作為項目編程語言

# 創(chuàng)建名為 smart-home-hubs 的項目目錄
mkdir ~/smart-home-hubs

EMQX 安裝與運行

$ cd ~/smart-home-hubs
# 下載軟件包
$ wget https://www./zh/downloads/edge/v4.1.0/emqx-edge-raspbian8-v4.1.0.zip
$ unzip emqx-edge-raspbian8-v4.1.0.zip
$ cd ./emqx
# 運行 EMQX Edge
$ ./bin/emqx start

eKuiper 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(chuàng)建 rules 目錄，用來存放規(guī)則文件
$ mkdir ./rules
# 運行 EMQX Kuiper
$ ./bin/server

代碼編寫

BH1750FVI 光照傳感器數據上傳

編寫代碼讀取并計算 BH1750FVI 傳感器光照強度數據，并以 1次/秒 的頻率將光照強度數據通過 MQTT協(xié)議 發(fā)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 EMQX Kuiper 流處理規(guī)則

我們將在 eKuiper 上創(chuàng)建名為 smartHomeHubs 的流，并配置規(guī)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(xù) 5 秒小于 55 時開啟 LED（大于 55 時關閉 LED）。

創(chuàng)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(guī)則（./rules/onLed.rule）

當持續(xù) 5 秒鐘平均光照強度小于 55 時，向 smartHomeHubs/led 主題發(fā)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(guī)則（./rules/offLed.rule）

當持續(xù) 5 秒鐘平均光照強度大于 55 時，向 smartHomeHubs/led 主題發(fā)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(guī)則

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

查看規(guī)則

$  ./bin/cli show rules

LED 燈控制

編寫代碼連接到 EMQX Edge，并訂閱 smartHomeHubs/led 主題。監(jiān)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()