在树莓派上搭建智能家居网关
Dekun Tao
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 Edge + EMQX Kuiper 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。
本文中我们将用 BH1750FVI 光照强度传感器采集家庭光照强度数据，使用 EMQX Kuiper 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。
所需组件
树莓派 3b+ 以及更高版本
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。
EMQX Edge
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 Edge 作为 MQTT broker，EMQX Edge 是轻量级的物联网边缘计算消息中间件，支持部署在资源受限的物联网边缘硬件。
EMQX Kuiper
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。
其他组件
- BH1750FVI 光照强度传感器
- LED
- 330 Ω电阻
- 面包板, 跳线若干
项目示意图
环境搭建
电路连接
树莓派配置
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
EMQX Edge 安装与运行
$ 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
EMQX Kuiper 安装与运行
$ cd ~/smart-home-hubs
# 下载软件包
$ wget https://github.com/lf-edge/ekuiper/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
代码编写
BH1750FVI 光照传感器数据上传
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()
配置 EMQX Kuiper 流处理规则
我们将在 EMQX Kuiper 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
LED 灯控制
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()
运行测试
python gy30.py获取光照数据，并将数据上报到 smartHomeHubs/light 主题。
python led.py订阅 smartHomeHubs/led 主题，监听 LED 控制信息。
- 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。
总结
至此，我们已成功搭建基于 Raspberry Pi + EMQX Edge + EMQX Kuiper 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 Edge 为网关提供设备之间的通信功能，使用 EMQX Kuiper 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。