SparkFun Inventor套件Intel Edison上的智能網(wǎng)關(guān)

描述

介紹

一個物聯(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)。來自傳感器的測量數(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量的用戶可以訪問它。可以根據(jù)從環(huán)境中獲得的傳感器值的讀數(shù)來控制執(zhí)行器。從物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建的系統(tǒng)的重要期望是在機器和其他機器之間運行通信，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越多且價格低廉的電子硬件和軟件的可用性，

在寫這個獨立的作業(yè)時，需要提出問題的界限，以便主題可以更加集中：

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

英特爾愛迪生微型計算機

英特爾愛迪生是專為物聯(lián)網(wǎng)項目設(shè)計的具有小型計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、雙線程英特爾凌動 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 具有多項功能，包括 WiFi 模塊支持的 40 個 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 集成開發(fā)環(huán)境 (IDE)、Eclipse C/C++、Python 和 Node.JS。更清楚地說，SparkFun Intel Edison 模塊如圖 1.1 所示。

消息隊列遙測傳輸 (MQTT)

消息隊列遙測傳輸 (MQTT) 是一種基于發(fā)布者和訂閱者模型的機器對機器 (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，客戶端訂閱者（移動應(yīng)用程序）可以接收客戶端發(fā)布者（傳感器節(jié)點/執(zhí)行器）發(fā)送的傳感器數(shù)據(jù)，因此客戶端訂閱者可以使用與提供的主題相同的主題發(fā)布者客戶端。同樣，如果傳感器/執(zhí)行器節(jié)點被賦予執(zhí)行動作的命令，移動客戶端應(yīng)用程序給出的主題必須與傳感器/執(zhí)行器節(jié)點上的主題相同。

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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，因為它們之間有一個代理，發(fā)布者和客戶端訂閱者不需要同時連接，例如客戶端訂閱者可以在訂閱broker后斷開連接，稍后客戶端連接回broker，仍然會收到之前延遲的數(shù)據(jù)，這個過程稱為離線模式。MQTT 協(xié)議被廣泛用于制作物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 解決方案，因為 MQTT 往往易于使用。支持 MQTT 的代理示例包括 mosquitto、RabbitMQ、HiveMQ、ActiveMQ 等。同時對于支持物聯(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)計將解釋使用 ESP8266 和 Node-RED 微控制器在 Intel Edison 微型計算機中編程的 2 個傳感器節(jié)點的設(shè)計，即通過模擬室內(nèi)和室外的溫度和濕度監(jiān)測。微控制器可用于執(zhí)行過程，包括：測量和控制、數(shù)據(jù)檢索、從傳感器客戶端節(jié)點向代理發(fā)送數(shù)據(jù)、從代理向客戶端接收數(shù)據(jù)，例如移動應(yīng)用程序或個人計算機 (PC)。

在設(shè)計這個系統(tǒng)時，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)任通過微控制器的數(shù)字輸出端口處理 DHT22 傳感器數(shù)據(jù)。通過使用 MQTT 協(xié)議，微控制器與移動應(yīng)用程序或 PC 之間的通信可以無線完成。圖 1.3 是一個硬件系統(tǒng)設(shè)計，由兩個 DHT22 傳感器組成，這些傳感器連接到每個稱為傳感器節(jié)點的 ESP8266 wemos 微控制器。模擬兩個傳感器節(jié)點的場景有不同的功能：

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

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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)計系統(tǒng)可以從兩個傳感器節(jié)點接收傳感器數(shù)據(jù)，然后用戶可以接收傳感器數(shù)據(jù)，從而可以將傳感器測量數(shù)據(jù)存儲并顯示在實時圖形上。圖 1.4 顯示了安裝在 Intel Edison 上的 Node-RED 程序的設(shè)計，該程序用作兩個傳感器節(jié)點和 Edison Intel 的接口。作為訂閱者的 Node-RED 被賦予與傳感器節(jié)點發(fā)布的主題相同的主題。來自傳感器節(jié)點的有效載荷數(shù)據(jù)格式（來自 DHT22 的測量數(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 可以通過提供相同的訂閱主題來接收傳感器負(fù)載。因此，發(fā)送和接收有效載荷傳感器的過程可以根據(jù)傳感器節(jié)點和英特爾愛迪生作為 MQTT 服務(wù)器的設(shè)計或集成運行。總體而言，硬件設(shè)計系統(tǒng)的實現(xiàn)如圖 1.5 所示。

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圖 1.5：硬件設(shè)計系統(tǒng)的實現(xiàn)

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

在測試了ESP8266傳感器節(jié)點和Intel Edison微控制器作為MQTT服務(wù)器的硬件之后，通過Node-RED儀表板實現(xiàn)了測量數(shù)據(jù)的可視化。接口軟件設(shè)計的實現(xiàn)旨在實時顯示來自兩個傳感器節(jié)點（ESP8266 微控制器）的測量數(shù)據(jù)。

圖 1.6。

Node-RED 儀表板上顯示了 4 個物理量，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數(shù)據(jù)如圖 1.7 所示。

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圖 1.7

通過集成 Wemos ESP8266 微控制器作為傳感器節(jié)點，英特爾 Edison 作為代理，成功測試了使用 MQTT 協(xié)議的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計。作為整個系統(tǒng)實施的溫度和濕度測量模擬場景已使用 Node-RED 軟件成功可視化。來自兩個傳感器節(jié)點的 DHT22 測量/有效載荷數(shù)據(jù)已成功存儲在 influxdb 數(shù)據(jù)庫中。