物联网 | HASS+MQTT+树莓派室内监测小型物联网系统

实践说明

本次实践将在阿里云服务器上部署Home Assistant服务和MQTT服务，并在树莓派4B上通过GPIO口连接温湿度、火焰和烟雾传感器。最终编写Python程序将树莓派通过MQTT连接到Home Assistant，实现远程监控室内环境条件的效果。双端展现效果如下图。

目录

物料清单

表1 实践过程所用主要物料及说明

配件名称	数量	功能
Raspberry Pi 4B	1	物联网终端设备主机
闪迪Micro SD 16GB	1	为树莓派烧录系统
树莓派专用电源适配器及电源线	1	为树莓派供电
MQ-2烟雾传感器	1	检测燃烧产生烟雾及有害气体
火焰传感器	1	检测一定线性范围的火焰
DHT11温湿度传感器	1	检测室内温度和相对湿度
杜邦线	9	连接传感器和树莓派电脑
阿里云服务器2G内存50G磁盘	1	部署HASS和MQTT服务

部署过程

本次实践将在我的另外一篇文章“基于树莓派4B的室内环境监测和预警系统”中的物联网设备的基础上，进行进一步扩展修改，设计和部署一个较为完善的小型智能物联网系统，包含服务器、消息中间件、自制IoT设备和用户客户端（Web管理后台）。（具体GPIO接线和传感器介绍这些看另外那篇博文）
实践将主要分为以下两大步：

1. 部署Home Assistant和MQTT服务器；
2. 将原有监测设备进行修改并通过MQTT接入Home Assistant。

其中第一步需要将Home Assistant和组件EMQX安装至系统中，且由于docker技术的便捷易用，上述的框架和组件均在基于docker技术下的linux系统下安装配置。此处不再赘述，按照网上其它流程走即可。下面主要提一下Home Assistant的安装参数。

Home Assistant部署

Home Assistant简称HASS，是一个开源物联网智能家居系统，支持多类型的，多种通信协议下的设备接入。HASS具备多端管理后台，包括Web端和移动端，支持高自由度的UI定制和自动化流程。因此我们在此选择使用HASS作为我们的设备接入平台。
HASS的部署较为简单，此处不再赘述，可以自行搜索关键词“Home Assistant部署”，推荐使用Docker快速部署。下面是我的部署环境参数。

表2 系统状态参数表

系统状态参数	值
版本	core-2021.12.8
安装类型	Home Assistant Container
开发版	false
Supervisor	false
Docker	true
用户	root
虚拟环境	false
Python 版本	3.9.7
操作系统系列	Linux
操作系统版本	4.18.0-305.19.1.el8_4.x86_64
CPU 架构	x86_64
时区	Asia/Shanghai

EMQX部署

如果你有一台自己的云服务器的话，你可以使用EMQX开源版进行部署，参照​ ​EMQX开源版部署方法官方文档​​​。当然，为了省事省钱，我推荐你使用免费的MQTT服务器，由EMQX提供：​ ​EMQX的免费MQTT服务器。​​

树莓派IoT接入MQTT服务器

将物联网设备（基于树莓派GPIO的传感设备）接入到Home Assistant前，需要先通过MQTT客户端将设备连接到MQTT服务器。
首先介绍一下物联网设备通过消息中间件与HASS通信的过程。将物联网设备（基于树莓派GPIO的传感设备）称为ClientA，将Home Assistant称为ClientB，EMQX服务器为Broker。则一条传感器信息通过MQTT的订阅机制传送的过程如下：

1. ClientA 连接到 Broker；
2. ClientB 连接到 Broker，并订阅主题 Topic1；
3. ClientA 发送给 Broker 一条消息，主题为 Topic1；
4. Broker 收到 ClientA 的消息，发现 ClientB 订阅了 Topic1，然后将消息转发到 ClientB；
5. ClientB 从 Broker 接收到该消息。

Eclipse Paho Python (opens new window)为 Eclipse Paho 项目下的 Python 语言版客户端库，该库能够连接到 MQTT Broker 以发布消息，订阅主题并接收已发布的消息。我们将通过Paho把树莓派连接到MQTT服务器。

[1]MQTT Python 客户端库 | EMQX 文档

先在树莓派使用 PyPi 包管理工具安装：

pip3 install paho-mqtt

接着在树莓派使用Python编写主控程序，读取传感器数据并按照一定采样时间间隔通过MQTT Broker发送传感器数据。主控程序代码如下（一些依赖已经提前安装）：

# Python 3.7.3 (/usr/bin/python3)
# main_for_raspberry.py
import time
import sys
import Adafruit_DHT
import RPi.GPIO as GPIO 
import time
import logging
from datetime import datetime
import json
import paho.mqtt.client as mqtt

logging.basicConfig(level=logging.DEBUG)

# MQTT服务器配置
MQTT_SERVER_IP = 'xxx.xxx.xxx.xxx' # 你的服务器地址
MQTT_SERVER_PORT = 1883
MQTT_SERVER_KEEPALIVE = 60

# 传感器引脚配置
DHT11_chanel = 23 #BCM,GPIO.4
MQ2_chanel = 17 #BCM,GPIO.0
fire_sensor_chanel = 24 #BCM,GPIO.5

# init GPIO
GPIO.setmode(GPIO.BCM) 
GPIO.setup(MQ2_chanel,GPIO.IN,pull_up_down=GPIO.PUD_DOWN)
GPIO.setup(fire_sensor_chanel,GPIO.IN)

# 连接成功回调
def on_connect(client, userdata, flags, rc):
    print('Connected with result code '+str(rc))

# 消息接收回调
def on_message(client, userdata, msg):
    print(msg.topic+" "+str(msg.payload))

def main():
    client = mqtt.Client()

    # 指定回调函数
    client.on_connect = on_connect
    client.on_message = on_message
    
    # 建立连接
    client.connect(MQTT_SERVER_IP, MQTT_SERVER_PORT, MQTT_SERVER_KEEPALIVE)

    while(True):
        # 获取并打包传感器信息为JSON格式
        recDate = datetime.now().strftime('%Y-%m-%d %H:%M:%S')
        hum,temp = getHumiAndTemp()
        fireState = isFireOK()
        smokeState = isMQ2OK()
        data_obj = json.dumps({'Temperature':temp,
        'Humidity':hum,
        'Fire':fireState,
        'Smoke':smokeState,
        'Date':recDate})
    print(data_obj)
    # 发布消息
    client.publish('homeassistant/tp_rasp',payload=str(data_obj),qos=0)
    time.sleep(5)

    client.loop_forever()

# 获取DHT11传感器的温湿度数据
def getHumiAndTemp():
    return Adafruit_DHT.read_retry(11,DHT11_chanel)

# 二值型传感器被触发则返回"on"
# 获取MQ-2烟雾传感器的状态
def isMQ2OK():
    if(bool(GPIO.input(MQ2_chanel))):
        return "off"
    else:
        return "on" 

# 获取火焰传感器的状态
def isFireOK():
    if GPIO.input(fire_sensor_chanel) == GPIO.HIGH:
        return "off"
    else:
        return "on"

if __name__ == '__main__':
    main()

如果提示找不到依赖，则需要分别安装依赖：

# 安装树莓派GPIO驱动
pip3 install PRi.GPIO

# 安装DHT11传感器依赖
pip3 install Adafruit_Python_DHT

# 其它自行安装

确保树莓派主机可以访问互联网的情况下，启动主控程序。
接着就需要在部署Home Assistant的服务器上，打开配置文件configuration.yaml，本次实践部署中，这个文件在/home/hass/config下，使用nano命令打开（也可用vim）：

nano /home/hass/config/configuration.yaml

将其修改为（mqtt项下username和password已去除，实际需要填入）：

# Configure a default setup of Home Assistant (frontend, api, etc)
default_config:

# Text to speech
tts:
  - platform: google_translate

group: !include groups.yaml
  automation: !include automations.yaml
  script: !include scripts.yaml
  scene: !include scenes.yaml

# MQTT
mqtt:
  broker: localhost #MQTT服务器地址
  port: 1883 #MQTT服务器端口
  username: #MQTT服务器用户名
  password: #MQTT服务器密码
  discovery: true
  discovery_prefix: homeassistant

# 温湿度传感器的温度值
sensor 1:
  platform: mqtt
  name: "temperature"
  state_topic: "homeassistant/tp_rasp"
  unit_of_measurement: "℃"
  value_template: '{{ value_json.Temperature }}'
  device_class: temperature

# 温湿度传感器的湿度值
sensor 2:
  platform: mqtt
  name: "humidity"
  state_topic: "homeassistant/tp_rasp"
  unit_of_measurement: "%"
  value_template: '{{ value_json.Humidity }}'
  device_class: humidity

# 火焰传感器
binary_sensor 1:
  platform: mqtt
  name: "fire"
  state_topic: "homeassistant/tp_rasp"
  value_template: '{{ value_json.Fire }}'
  device_class: problem

# 烟雾传感器
binary_sensor 2:
  platform: mqtt
  name: "smoke"
  state_topic: "homeassistant/tp_rasp"
  value_template: '{{ value_json.Smoke }}'
  device_class: smoke

Ctrl+O保存，Ctrl+X退出。再用浏览器打开Home Assistant的Web管理页面，在概览页右上角三个点内点击编辑仪表盘选项，添加卡片可以找到配置的传感器。按照规则添加完成以后，部署就完成了。

完成后还可以前往Home Assistant的Github仓库下载安卓端APP，简单连接到部署在服务器的服务程序后，就可以通过手机监控传感器数据了，同时也会将手机的一些传感器信息上传到Home Assistant。最终在Web管理后台的效果如下图：

在Home Assistant的安卓移动App上显示效果如下：

在安卓手机桌面上使用上使用Home Assistant的桌面小部件：

树莓派与传感器组成的IoT设备在运行时如下图所示：

博客首发：https://ranlychan.top/archives/489.html