描述

介紹

一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序是將傳感器和執(zhí)行器連接到環(huán)境的監(jiān)控系統(tǒng)。來(lái)自傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)可以發(fā)送到云服務(wù)器，以便想要了解該環(huán)境中物理量的條件或測(cè)量的用戶(hù)可以訪問(wèn)它。可以根據(jù)從環(huán)境中獲得的傳感器值的讀數(shù)來(lái)控制執(zhí)行器。從物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建的系統(tǒng)的重要期望是在機(jī)器和其他機(jī)器之間運(yùn)行通信，以便系統(tǒng)能夠提供準(zhǔn)確的信息。因此，系統(tǒng)可以在決策中變得更加智能。現(xiàn)在變得流行的一件事是越來(lái)越多且價(jià)格低廉的電子硬件和軟件的可用性，

在寫(xiě)這個(gè)獨(dú)立的作業(yè)時(shí)，需要提出問(wèn)題的界限，以便主題可以更加集中：

• 如何設(shè)計(jì)和實(shí)施基于 Intel Edison 的硬件作為代理、EPS8266 作為傳感器節(jié)點(diǎn)以及 Node-RED 軟件作為測(cè)量數(shù)據(jù)的可視化。
• 如何使用消息隊(duì)列遙測(cè)傳輸 (MQTT) 協(xié)議發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。

英特爾愛(ài)迪生微型計(jì)算機(jī)

英特爾愛(ài)迪生是專(zhuān)為物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目設(shè)計(jì)的具有小型計(jì)算能力的嵌入式系統(tǒng)。該設(shè)備具有英特爾片上系統(tǒng) (SoC)，包括雙核、雙線(xiàn)程英特爾凌動(dòng) CPU，500 MHz 和 32 位英特爾 Quark 微控制器，工作頻率為 100 MHz。雙核 CPU 上的 SoC 具有多項(xiàng)功能，包括 WiFi 模塊支持的 40 個(gè) GPIO、1GB LPDDR3 RAM 和 4GB EMMC 閃存、藍(lán)牙 4.0 LE 和可連接到其他設(shè)備的 70 針連接器。此外，英特爾 Edison 可以使用 Yocto Linux 操作系統(tǒng) (OS) 進(jìn)行編程，并且還支持 Arduino 集成開(kāi)發(fā)環(huán)境 (IDE)、Eclipse C/C++、Python 和 Node.JS。更清楚地說(shuō)，SparkFun Intel Edison 模塊如圖 1.1 所示。

消息隊(duì)列遙測(cè)傳輸 (MQTT)

消息隊(duì)列遙測(cè)傳輸 (MQTT) 是一種基于發(fā)布者和訂閱者模型的機(jī)器對(duì)機(jī)器 (M2M) 通信協(xié)議，該協(xié)議具有較小的數(shù)據(jù)包大?。ㄗ钚?2 字節(jié)），因此耗電量也很小。MQTT 工作系統(tǒng)由三個(gè)主要組件組成，即發(fā)布者、訂閱者和代理。發(fā)布者的任務(wù)是將特定主題的消息發(fā)送給服務(wù)器/代理。而訂閱者有責(zé)任從服務(wù)器/代理接收到特定主題的消息。發(fā)布者和訂閱者可以是傳感器、執(zhí)行器和移動(dòng)應(yīng)用程序，連接到使通信異步的代理。

MQTT 協(xié)議工作系統(tǒng)示意圖如圖 1.2 所示，客戶(hù)端訂閱者（移動(dòng)應(yīng)用程序）可以接收客戶(hù)端發(fā)布者（傳感器節(jié)點(diǎn)/執(zhí)行器）發(fā)送的傳感器數(shù)據(jù)，因此客戶(hù)端訂閱者可以使用與提供的主題相同的主題發(fā)布者客戶(hù)端。同樣，如果傳感器/執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)被賦予執(zhí)行動(dòng)作的命令，移動(dòng)客戶(hù)端應(yīng)用程序給出的主題必須與傳感器/執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)上的主題相同。

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MQTT 協(xié)議工作系統(tǒng)

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發(fā)布/訂閱系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是發(fā)送源（發(fā)布者）和數(shù)據(jù)接收者（訂閱者）之間互不認(rèn)識(shí)，因?yàn)樗鼈冎g有一個(gè)代理，發(fā)布者和客戶(hù)端訂閱者不需要同時(shí)連接，例如客戶(hù)端訂閱者可以在訂閱broker后斷開(kāi)連接，稍后客戶(hù)端連接回broker，仍然會(huì)收到之前延遲的數(shù)據(jù)，這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為離線(xiàn)模式。MQTT 協(xié)議被廣泛用于制作物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 解決方案，因?yàn)?MQTT 往往易于使用。支持 MQTT 的代理示例包括 mosquitto、RabbitMQ、HiveMQ、ActiveMQ 等。同時(shí)對(duì)于支持物聯(lián)網(wǎng)的硬件有很多像Arduino、Esp8266、STM32、Raspberry Pi等。

執(zhí)行

本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)將解釋使用 ESP8266 和 Node-RED 微控制器在 Intel Edison 微型計(jì)算機(jī)中編程的 2 個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)，即通過(guò)模擬室內(nèi)和室外的溫度和濕度監(jiān)測(cè)。微控制器可用于執(zhí)行過(guò)程，包括：測(cè)量和控制、數(shù)據(jù)檢索、從傳感器客戶(hù)端節(jié)點(diǎn)向代理發(fā)送數(shù)據(jù)、從代理向客戶(hù)端接收數(shù)據(jù)，例如移動(dòng)應(yīng)用程序或個(gè)人計(jì)算機(jī) (PC)。

在設(shè)計(jì)這個(gè)系統(tǒng)時(shí)，數(shù)據(jù)處理的主要元件是ESP8266型微控制器。該微控制器有責(zé)任通過(guò)微控制器的數(shù)字輸出端口處理 DHT22 傳感器數(shù)據(jù)。通過(guò)使用 MQTT 協(xié)議，微控制器與移動(dòng)應(yīng)用程序或 PC 之間的通信可以無(wú)線(xiàn)完成。圖 1.3 是一個(gè)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)，由兩個(gè) DHT22 傳感器組成，這些傳感器連接到每個(gè)稱(chēng)為傳感器節(jié)點(diǎn)的 ESP8266 wemos 微控制器。模擬兩個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的場(chǎng)景有不同的功能：

• 節(jié)點(diǎn) 1 用于測(cè)量房間（室內(nèi)）的溫度和濕度。
• 節(jié)點(diǎn) 2 用于測(cè)量室外溫度和濕度。

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圖 1.3

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Intel Edison Broker 使用MQTT 協(xié)議的數(shù)據(jù)采集設(shè)計(jì)系統(tǒng)可以從兩個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)接收傳感器數(shù)據(jù)，然后用戶(hù)可以接收傳感器數(shù)據(jù)，從而可以將傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)并顯示在實(shí)時(shí)圖形上。圖 1.4 顯示了安裝在 Intel Edison 上的 Node-RED 程序的設(shè)計(jì)，該程序用作兩個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)和 Edison Intel 的接口。作為訂閱者的 Node-RED 被賦予與傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)布的主題相同的主題。來(lái)自傳感器節(jié)點(diǎn)的有效載荷數(shù)據(jù)格式（來(lái)自 DHT22 的測(cè)量數(shù)據(jù)）是 json 數(shù)據(jù)格式，因此訂閱者 (Node-RED) 將接受相同的數(shù)據(jù)格式。

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圖 1.4

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在程序的循環(huán)函數(shù)中，發(fā)送由讀取溫濕度數(shù)據(jù)組成的payload傳感器的過(guò)程，格式為json。用于向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)的 MQTT 發(fā)布的主題是“sensordht / inside”和“sensordht / outside”。已安裝 Node-RED 的 Edison Intel 可以通過(guò)提供相同的訂閱主題來(lái)接收傳感器負(fù)載。因此，發(fā)送和接收有效載荷傳感器的過(guò)程可以根據(jù)傳感器節(jié)點(diǎn)和英特爾愛(ài)迪生作為 MQTT 服務(wù)器的設(shè)計(jì)或集成運(yùn)行。總體而言，硬件設(shè)計(jì)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)如圖 1.5 所示。

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圖 1.5：硬件設(shè)計(jì)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

Influxdb 上數(shù)據(jù)實(shí)時(shí) Node-RED 和數(shù)據(jù)收集的可視化

在測(cè)試了ESP8266傳感器節(jié)點(diǎn)和Intel Edison微控制器作為MQTT服務(wù)器的硬件之后，通過(guò)Node-RED儀表板實(shí)現(xiàn)了測(cè)量數(shù)據(jù)的可視化。接口軟件設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)旨在實(shí)時(shí)顯示來(lái)自?xún)蓚€(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)（ESP8266 微控制器）的測(cè)量數(shù)據(jù)。

圖 1.6。

Node-RED 儀表板上顯示了 4 個(gè)物理量，包括 Tout（室外溫度）、Tin（室內(nèi)溫度）、Hout（室外濕度）、Hin（室內(nèi)濕度）。在 Node-RED 儀表板上可視化整個(gè)數(shù)據(jù)如圖 1.7 所示。

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圖 1.7

通過(guò)集成 Wemos ESP8266 微控制器作為傳感器節(jié)點(diǎn)，英特爾 Edison 作為代理，成功測(cè)試了使用 MQTT 協(xié)議的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)。作為整個(gè)系統(tǒng)實(shí)施的溫度和濕度測(cè)量模擬場(chǎng)景已使用 Node-RED 軟件成功可視化。來(lái)自?xún)蓚€(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的 DHT22 測(cè)量/有效載荷數(shù)據(jù)已成功存儲(chǔ)在 influxdb 數(shù)據(jù)庫(kù)中。