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。隨著物聯網技術的發展，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 + 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，并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。

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 是基于發布/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。

由于 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，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 EMQ X Kuiper 對智能家居設備數據進行邊緣化處理，EMQ X 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，并選擇 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，并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 小于 55 時開啟 LED(大于 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 秒鐘平均光照強度小于 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于 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，并訂閱 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，并將數據上報到 **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

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。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的python 网关控制家居_在树莓派上搭建智能家居网关的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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