自動(dòng)通風(fēng)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)

描述

臥室空氣的溫度和濕度對(duì)于舒適的睡眠很重要。一般來(lái)說(shuō)，我們開(kāi)空調(diào)來(lái)調(diào)節(jié)溫度，但是在睡前調(diào)節(jié)溫度可能會(huì)很困難，因?yàn)殚_(kāi)空調(diào)時(shí)可能會(huì)很冷，或者沒(méi)有它會(huì)太熱悶悶不樂(lè)。在我住的東京，除了仲夏的幾天很熱外，晚上并沒(méi)有那么熱，有時(shí)打開(kāi)窗戶讓涼爽的空氣進(jìn)來(lái)就可以了。但是，即使開(kāi)著窗戶，早上可能會(huì)太冷，很難調(diào)節(jié)臥室的空氣質(zhì)量。需要注意的是，在日本的大部分地區(qū)，開(kāi)著窗戶睡覺(jué)是安全的。它是如此安全，以至于前幾天有一只小猴子大驚小怪。

我們將創(chuàng)建一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，根據(jù)溫度計(jì)的數(shù)據(jù)自動(dòng)打開(kāi)和關(guān)閉房間的風(fēng)扇。

由于許多元素協(xié)同工作，我們將依次解釋每個(gè)元素。

它基于 Core2 教程和 esp-aws-iot 庫(kù)中的示例代碼，所以詳細(xì)配置和構(gòu)建設(shè)置請(qǐng)參考原文。

https://github.com/m5stack/Core2-for-AWS-IoT-EduKit/tree/master/Smart-Thermostat

https://github.com/espressif/esp-aws-iot/tree/master/examples/thing_shadow

SwitchBot儀表

這是一個(gè)通過(guò) BLE 傳輸數(shù)據(jù)的溫濕度計(jì)。協(xié)議已經(jīng)分析過(guò)了，可以使用ESP32獲取數(shù)據(jù)。

我認(rèn)為它是最好的溫度和濕度傳感器，因?yàn)樗苄?，可以放在任何地方，并且可以使?AA 電池運(yùn)行一年以上。

在這種情況下，我要把它放在臥室的枕頭附近。房間的溫度在頂部和底部之間是不同的，在窗戶和床頭之間也是如此。需要反復(fù)試驗(yàn)才能確定在哪里測(cè)量溫度。至少，如果溫度計(jì)固定在控制系統(tǒng)旁邊，我認(rèn)為您無(wú)法真正進(jìn)行舒適的調(diào)整。

Core2 -- 將溫度數(shù)據(jù)發(fā)送到 AWS

通過(guò) BLE 從 SwitchBot Meter 獲取的溫度和濕度數(shù)據(jù)被發(fā)送到 AWS IoT Core。它僅在數(shù)據(jù)發(fā)生變化時(shí)才發(fā)送數(shù)據(jù)。

Core2-main.c

Core2-switchbot_meter.cpp

這是基于恒溫器教程中的代碼，添加了 BLE 處理和更改 LED 顏色的命令。

我還修復(fù)了原始代碼的 textarea 處理部分中的一個(gè)錯(cuò)誤。如果我記得，我稍后會(huì)提出拉取請(qǐng)求。

云——根據(jù)數(shù)據(jù)確定粉絲行為

我想通過(guò) AWS 服務(wù)以某種方式處理發(fā)送到 AWS IoT 的溫度數(shù)據(jù)，并向控制風(fēng)扇的設(shè)備發(fā)送一條消息，告訴它打開(kāi)或關(guān)閉。

AWS 非常靈活，所以如果我現(xiàn)在將數(shù)據(jù)發(fā)送到 IoT Core，我可以稍后進(jìn)行大量試驗(yàn)和錯(cuò)誤，以確定使用哪個(gè)服務(wù)來(lái)處理數(shù)據(jù)以及如何處理。

在這種情況下，我們首先使用 Dynamo+Lambda 實(shí)現(xiàn)決策邏輯。之后，我們不得不切換到 IoT Core 規(guī)則中重新發(fā)布消息的方法。

DynamoDB+Lambda

我做的第一件事是將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在 DynamoDB 中。

我們將以下查詢放入 IoT Core 的 DynamoDBv2 規(guī)則中。

SELECT *, topic(3) as client_id, timestamp() as aws_timestamp FROM '$aws/things/+/shadow/update/accepted'

topic(3) 提取對(duì)應(yīng)于thingName 的主題部分。

目標(biāo) DynamoDB 表是

分區(qū)鍵：client_id（字符串）

排序鍵：aws_timestamp（數(shù)字）

我們會(huì)這樣設(shè)置。

接下來(lái)，我們將創(chuàng)建一個(gè) Lambda。在這個(gè) Lambda 中，我們將從存儲(chǔ)在 DynamoDB 中的最新數(shù)據(jù)中讀取一些數(shù)據(jù)，并根據(jù)這些數(shù)據(jù)發(fā)送命令來(lái)確定風(fēng)扇行為。檢索多個(gè)數(shù)據(jù)的原因是我們正在考慮使用時(shí)間序列變化或平均值作為做出決策的邏輯。

代碼有點(diǎn)長(zhǎng)，請(qǐng)參考鏈接。

v1-Lambda.js

當(dāng)溫度高于 30 攝氏度時(shí)，風(fēng)扇打開(kāi)。我還更改了 LED 的顏色，以便您了解它是如何工作的。

如果您定期運(yùn)行此程序，例如每分鐘運(yùn)行一次，您應(yīng)該能夠根據(jù)溫度控制風(fēng)扇的開(kāi)/關(guān)。

M5StickC -- 風(fēng)扇控制器

現(xiàn)在我們已經(jīng)有了在云端打開(kāi)和關(guān)閉風(fēng)扇的邏輯，下一步是創(chuàng)建實(shí)際運(yùn)行風(fēng)扇的設(shè)備。

我們本可以將這個(gè)功能塞進(jìn) Core2 中，但由于這是一個(gè) IoT Core 項(xiàng)目，我們決定將它作為一個(gè)單獨(dú)的東西來(lái)實(shí)現(xiàn)，并嘗試與多個(gè)設(shè)備一起工作。

M5StickC 的 GPIO 無(wú)法輸出足夠的電流來(lái)運(yùn)行風(fēng)扇。如果要運(yùn)行風(fēng)扇，則需要使用繼電器單元或類似的東西。

但是，這次我們將使用一種技術(shù)來(lái)單獨(dú)使用 M5StickC 打開(kāi)/關(guān)閉更大的電流。通過(guò)使用 I2C 操作電源 IC，我們可以打開(kāi)和關(guān)閉 5V 輸出。

它將 5V 引腳的輸出轉(zhuǎn)換為 USB 連接器并轉(zhuǎn)動(dòng)從 USB 獲取電源的風(fēng)扇。

請(qǐng)參閱代碼鏈接中的文件 m5stickc_5v.cpp。

M5StickC-m5stickc_5v.cpp

注意：這種控制 5V 的技術(shù)僅適用于較新版本的 M5StickC。你需要比所謂的藍(lán)色完美版本更新的東西。

Arduino + AWS 物聯(lián)網(wǎng)核心

Core2 項(xiàng)目基于恒溫器教程，所以它是一個(gè) ESP-IDF 項(xiàng)目。它是使用 FreeRTOS 任務(wù)開(kāi)發(fā)的，但似乎比 Arduino 更難。M5StickC 庫(kù)和外圍設(shè)備庫(kù)可用于 Arduino，因此能夠使用它們會(huì)很好。

AWS IoT 組件 ( https://github.com/espressif/esp-aws-iot ) 用于 ESP-IDF，所以我不能將它與 Arduino 一起使用。

我做了一些研究，找到了一種將 Arduino 核心庫(kù)作為組件合并到 ESP-IDF 項(xiàng)目中并使用 Arduino 代碼和庫(kù)的方法。

按照此處的說(shuō)明將 Arduino 內(nèi)核嵌入組件中。我還在組件中安裝了 AWS IoT 庫(kù)。

現(xiàn)在，您可以在使用常用 Arduino 庫(kù)的同時(shí)使用 IoT Core 組件。

M5StickC-main.cpp

代碼與Core2 ESP-IDF項(xiàng)目的代碼基本相似，但我感覺(jué)更好，因?yàn)槲也皇褂肍reeRTOS任務(wù)函數(shù)來(lái)處理每個(gè)任務(wù)。可能會(huì)有一些性能問(wèn)題，但對(duì)于一個(gè)愛(ài)好項(xiàng)目，我認(rèn)為這是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。

AWS IoT -- 規(guī)則重新發(fā)布

我使用 DynamoDB 和 Lambda 創(chuàng)建了風(fēng)扇控制邏輯。但是，將所有消息存儲(chǔ)在 DynamoDB 中并定期運(yùn)行 Lambda 有點(diǎn)低效。我想我可以做得更好。

我設(shè)置了一個(gè) Rule 來(lái)將消息存儲(chǔ)在 DynamoDB 中，并且在這個(gè) Rule 的 action 中，有一個(gè) action 叫做 Republish。它可以接收消息、處理消息并發(fā)布處理后的消息。

查詢現(xiàn)在看起來(lái)像這樣。

SELECT 
  CASE current.state.reported.temperature > 27.5
  WHEN true THEN 1
  ELSE 0
  END
  AS state.desired.fanSpeed
FROM '$aws/things/012395fb0a29199a01/shadow/update/documents'
WHERE current.state.reported.temperature > 28.0 OR current.state.reported.temperature < 27.0

風(fēng)扇在溫度高于 28 攝氏度時(shí)打開(kāi)，在溫度低于 27 攝氏度時(shí)關(guān)閉。我們能夠在如此短的查詢中實(shí)現(xiàn)具有滯后性的邏輯。

AS state.desired.fanSpeed

來(lái)自此的 JSON 輸出將如下所示。

{
    "state": {
        "desired": {
            "fanSpeed": 1
        }
    }
}

像這樣設(shè)置主題的目的地。

$$aws/things/M5StickC-003/shadow/update

現(xiàn)在我們可以更新這個(gè)東西的影子了。

調(diào)試

AWS_PROFILE=awsiot-admin-202108 AWS_DEFAULT_REGION=ap-northeast-1 aws iot-data update-thing-shadow --endpoint-url "https://a15o79dfbws0i-ats.iot.ap-northeast-1.amazonaws.com" --thing-name "M5StickC-003" --cli-binary-format raw-in-base64-out --payload '{"state":{"desired":{"fanSpeed":1}}}' output.txt

此命令將允許您更新陰影。這對(duì)于驗(yàn)證系統(tǒng)的一部分是否正常工作很有用。

您可以使用 AWS 控制臺(tái)中的測(cè)試工具，該工具允許您訂閱和發(fā)布 MQTT，以查看和發(fā)送消息以進(jìn)行調(diào)試。

您還可以查看 IoT Core 事物中的 Device Shadow 文檔。如果某些東西不能正常工作，請(qǐng)使用這些來(lái)一一檢查。

網(wǎng)頁(yè)界面

通風(fēng)系統(tǒng)連接到互聯(lián)網(wǎng)。您可能想用智能手機(jī)控制它。

讓我們使用網(wǎng)站構(gòu)建框架 Amplify 為通風(fēng)系統(tǒng)創(chuàng)建一個(gè)控制器。

首先，讓我們以本教程為指導(dǎo)創(chuàng)建一個(gè)具有登錄功能的網(wǎng)站。我使用了 Cognoto，但我認(rèn)為其他登錄方式也可以。

接下來(lái)，按照此 PubSub 文章中的說(shuō)明配置您的站點(diǎn)。

這就是創(chuàng)建與 AWS IoT MQTT 通信的 Web 應(yīng)用程序所需的全部?jī)?nèi)容。

完整的代碼可以在鏈接中找到。放大-App.js

結(jié)論

我們通過(guò)將設(shè)備與 M5Stack 的 ESP32 和 AWS 服務(wù)相結(jié)合，創(chuàng)建了一個(gè)用于自動(dòng)通風(fēng)的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。

ESP32 也可以使用 HTTP，所以可以連接普通的 WebAPI。到現(xiàn)在為止，我也使用過(guò) HTTP。但是，通過(guò)這次使用基于 MQTT 的 AWS IoT，并結(jié)合 AWS 服務(wù)，我驚訝于 IoT 開(kāi)發(fā)世界變得如此便利，甚至包括云端。

目前，我發(fā)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備可以簡(jiǎn)單地通過(guò)設(shè)備影子實(shí)現(xiàn)，并將它們連接到AWS，這使得后續(xù)結(jié)合云的開(kāi)發(fā)非常容易。

通過(guò)使用 Amplify，我們能夠創(chuàng)建一個(gè)系統(tǒng)，非常輕松地將 IoT 設(shè)備連接到智能手機(jī)和網(wǎng)絡(luò)。

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