昉·星光系列课程15：昉·星光开发板智能家居远程控制
本次课程为昉·星光开发板IoT开发系列课程的第十五讲，将带领同学们在昉·星光开发板上，结合使用温度传感器和MQTT，实现远程信息发布和控制。
本次课程，在昉·星光开发板V1和V2上，操作步骤相同。
一、学习目标
- 学习昉·星光开发板通过MQTT发布温度传感器的温湿度值，在手机端实时获取发布的温湿度值，并通过手机端，控制开发板连接的LED灯的亮度。
二、准备工作
在开始本次课程的实际操作之前，同学们需要做好一些准备工作，课程中涉及到的硬件如下：
- 开发板：昉·星光开发板
- 温度传感器：SHT30温度传感器
- LED：单色LED模块
- 杜邦线：若干
三、远程控制原理
在本次课程中，远程控制是基于MQTT协议进行的。
MQTT协议是基于发布/订阅模式的物联网通信协议，凭借简单易实现、支持 QoS、报文小等特点，占据了物联网协议的半壁江山。
通过MQTT协议，在星光开发板上程序中，我们可以将采集到的传感器信息，发布到MQTT服务端，其他应用可以通过订阅对应的信息，从而得到发布的信息。同样的，其他应用也可以将控制指令消息，发布到MQTT服务端，星光开发板上的程序收到对应的控制指令消息后，再控制外部设备。
四、实物连线
首先，参考下图，将温度传感器和LED到昉·星光开发板：
实物连接如下：
注意：
应根据实际使用的传感器，确定供电电压。本次课程中使用的模块使用5V供电电压。
五、代码编写
在本次课程中，SHT30温湿度传感器的使用，在 昉·星光系列课程3：昉·星光开发板温湿度传感器使用 中已有详细的讲解，请预先阅读该课程了解。
另外，赛昉还提供了 应用指南 (Python) - 使用昉·星光2使LED以PWM频率闪烁，演示了如何使用PWM控制LED，本课程中的PWM控制即参考该应用指南，请预先查看了解。
然后，我们编写如下的程序 iot_test.py：
# -*- coding: utf-8 -*-
# file: ~/projects/iot/iot_test.py
import random
import time
import json
from paho.mqtt import client as mqtt_client
from sensirion_i2c_driver import I2cConnection
from sensirion_i2c_sht.sht3x import Sht3xI2cDevice
from sensirion_i2c_driver.linux_i2c_transceiver import LinuxI2cTransceiver
import VisionFive.gpio as GPIO
GPIO.setmode(GPIO.BCM) #set pin numbering system
led_pin = 36
led_brightness = 0
GPIO.setup(led_pin, GPIO.OUT)
p = GPIO.PWM(led_pin, 1000)
p.start(0)
p.ChangeDutyRatio(0)
# 打开SHT3X设备
i2c_transceivervice = LinuxI2cTransceiver('/dev/i2c-0')
sht3x = Sht3xI2cDevice(I2cConnection(i2c_transceivervice))
broker = 'broker-cn.emqx.io'
port = 1883
topic_base = "/vf2/iot"
# generate client ID with pub prefix randomly
client_id = f'vf2-iot-client-{random.randint(0, 1000)}'
is_connected = False
def connect_mqtt():
def on_connect(client, userdata, flags, rc):
global is_connected
if rc == 0:
is_connected = True
print("Connected to MQTT Broker!")
else:
print("Failed to connect, return code %d\n", rc)
client = mqtt_client.Client(client_id)
client.on_connect = on_connect
client.connect(broker, port)
return client
def publish(client):
while True:
# 读取温湿度值
temperature, humidity = sht3x.single_shot_measurement()
# 打印当前数据的数据和计算结果
print("{:0.2f} °C , {:0.2f} %RH, {:d}".format(
temperature.degrees_celsius,
humidity.percent_rh, led_brightness))
msg = json.dumps({
"temperature": format(temperature.degrees_celsius,'.1f'),
"humidity": format(humidity.percent_rh,'.0f'),
"brightness": led_brightness
})
topic = "%s/report" % topic_base
result = client.publish(topic, msg)
# result: [0, 1]
status = result[0]
if status == 0:
print(f"Send `{msg}` to topic `{topic}`")
else:
print(f"Failed to send message to topic {topic}")
time.sleep(5)
def subscribe(client: mqtt_client):
def on_message(client, userdata, msg):
global led_brightness
print(f"Received `{msg.payload.decode()}` from `{msg.topic}` topic")
json_data = json.loads(str(msg.payload.decode()))
if 'led' in json_data:
led_brightness = int(json_data['led'])
if led_brightness>100:
led_brightness = 100
elif led_brightness<0:
led_brightness = 0
p.ChangeDutyRatio(led_brightness)
print("Set LED brightness to %d" % led_brightness)
topic = "%s/cmd" % topic_base
client.subscribe(topic)
client.on_message = on_message
def run():
client = connect_mqtt()
client.loop_start()
while not is_connected:
time.sleep(1)
subscribe(client)
publish(client)
if __name__ == '__main__':
run()
在上述代码中，我们线连接到mqtt服务，然后使用led_brightness保存当前LED亮度值，从SHT30读取到了温度值，然后通过mqtt发布温湿度和亮度数据到 /vf2/iot/report 主题下。同时，向mqtt订阅 /vf2/iot/cmd 主题，接受控制指令消息，收到消息后，根据消息体(json格式)中的led值，来控制LED的亮度。
mqtt部分的核心调用：
- connect_mqtt()：连接到mqtt服务
- publish()：循环读取传感器数据，然后进行发布
- subscribe(): 订阅控制指令消息，收到消息后进行对应的处理
在上述代码中，为了方便大家测试，使用的mqtt服务是 EMQX 提供的公共服务 broker-cn.emqx.io，可以直接连接使用。如果是在正式应用场合中使用，可以自己搭建mqtt服务器确保安全。
六、运行效果
要运行以上的程序，还需要安装相应的支持库，具体如下：
# 安装扩展库
sudo pip install sensirion-i2c-sht
sudo pip install VisionFive.gpio
sudo pip3 install -i https://pypi.doubanio.com/simple paho-mqtt
编写完成后，运行 iot_test.py，就可以开始进行远程信息接受和查看测试了。
python3 iot_test.py
-
消息发布
程序运行后，会自动连接到mqtt服务器，进行消息发布：
-
消息接收
我们可以下载 MQTTX 客户端工具，连接到mqtt服务，获取上报的信息。MQTTX 下载地址：https://mqttx.app/zh
在MQTTX中，使用 用户名emqx 和 密码public 连接到 broker-cn.emqx.io ，然后订阅 /vf2/iot/report 即可收到消息：
-
控制指令
在MQTTX中，向 /vf2/iot/cmd 发送对应的控制指令，即可控制 LED 的亮度：-
发送 50% 亮度控制指令：
星光开发板收到消息后会显示：
-
发送 100% 亮度控制指令：
星光开发板收到消息后会显示：
-
七 手机控制
通过前面的步骤，我们已经可以通mqtt来获取传感器的信息，以及控制星光开发板连接的LED了。
在此基础上，我们可以在手机上安装Mqtt Dashboard应用，从而实现手机端查看传感器信息和控制了。
MqttDashboard下载地址：https://play.google.com/store/apps/details?id=com.app.vetru.mqttdashboard&hl=zh_CN
下载完成后，首先添加消息服务：
然后，添加对应的控件，来显示传感器的信息显示和控制：
温度、湿度、LED亮度信息使用文本控件：
控制使用使用按钮控件：
参考半亮，设置好全亮{led:100}、熄灭{“led”:0}
做好以上设置以后，在主界面，就能收到星光开发板通过mqtt发送的消息，并呈现到对应的控件上。
点击半亮、全亮、熄灭按钮，就能通过mqtt发布控制指令到星光开发板，从而控制LED亮度。
八、总结
在本次课程中，我们学习了结合使用MQTT协议与星光开发板进行通用，获取上报的传感器数据，并下发控制指令控制LED的亮度。
要进行物联网开发，MQTT协议是重要基础之一。MQTT协议广泛应用于物联网、移动互联网、智能硬件、车联网、电力、能源等领域，既能作为网关在设备侧接入通信，也能作为设备-云端的通信协议。
九、课后作业
- 了解MQTT的知识
- 结合其他传感器和模块，进行传感器信息的发布，以及控制风扇电机的运转。
- 参考本次课程的实例程序，在其他电脑或者支持Python的开发板上，编写Python程序，实现对星光开发板发布信息的接受，并通过发布指令控制星光开发板。