描述

介紹

一個物聯網應用程序是將傳感器和執行器連接到環境的監控系統。來自傳感器的測量數據可以發送到云服務器，以便想要了解該環境中物理量的條件或測量的用戶可以訪問它。可以根據從環境中獲得的傳感器值的讀數來控制執行器。從物聯網構建的系統的重要期望是在機器和其他機器之間運行通信，以便系統能夠提供準確的信息。因此，系統可以在決策中變得更加智能。現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時，需要提出問題的界限，以便主題可以更加集中：

• 如何設計和實施基于 Intel Edison 的硬件作為代理、EPS8266 作為傳感器節點以及 Node-RED 軟件作為測量數據的可視化。
• 如何使用消息隊列遙測傳輸 (MQTT) 協議發送和接收數據。

英特爾愛迪生微型計算機

英特爾愛迪生是專為物聯網項目設計的具有小型計算能力的嵌入式系統。該設備具有英特爾片上系統 (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、藍牙 4.0 LE 和可連接到其他設備的 70 針連接器。此外，英特爾 Edison 可以使用 Yocto Linux 操作系統 (OS) 進行編程，并且還支持 Arduino 集成開發環境 (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) 是一種基于發布者和訂閱者模型的機器對機器 (M2M) 通信協議，該協議具有較小的數據包大小（最小 2 字節），因此耗電量也很小。MQTT 工作系統由三個主要組件組成，即發布者、訂閱者和代理。發布者的任務是將特定主題的消息發送給服務器/代理。而訂閱者有責任從服務器/代理接收到特定主題的消息。發布者和訂閱者可以是傳感器、執行器和移動應用程序，連接到使通信異步的代理。

MQTT 協議工作系統示意圖如圖 1.2 所示，客戶端訂閱者（移動應用程序）可以接收客戶端發布者（傳感器節點/執行器）發送的傳感器數據，因此客戶端訂閱者可以使用與提供的主題相同的主題發布者客戶端。同樣，如果傳感器/執行器節點被賦予執行動作的命令，移動客戶端應用程序給出的主題必須與傳感器/執行器節點上的主題相同。

?

?

MQTT 協議工作系統

?

發布/訂閱系統的優點是發送源（發布者）和數據接收者（訂閱者）之間互不認識，因為它們之間有一個代理，發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據，這個過程稱為離線模式。MQTT 協議被廣泛用于制作物聯網 (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。同時對于支持物聯網的硬件有很多像Arduino、Esp8266、STM32、Raspberry Pi等。

執行

本系統的設計將解釋使用 ESP8266 和 Node-RED 微控制器在 Intel Edison 微型計算機中編程的 2 個傳感器節點的設計，即通過模擬室內和室外的溫度和濕度監測。微控制器可用于執行過程，包括：測量和控制、數據檢索、從傳感器客戶端節點向代理發送數據、從代理向客戶端接收數據，例如移動應用程序或個人計算機 (PC)。

在設計這個系統時，數據處理的主要元件是ESP8266型微控制器。該微控制器有責任通過微控制器的數字輸出端口處理 DHT22 傳感器數據。通過使用 MQTT 協議，微控制器與移動應用程序或 PC 之間的通信可以無線完成。圖 1.3 是一個硬件系統設計，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點的 ESP8266 wemos 微控制器。模擬兩個傳感器節點的場景有不同的功能：

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

?

?

圖 1.3

?

?

Intel Edison Broker 使用MQTT 協議的數據采集設計系統可以從兩個傳感器節點接收傳感器數據，然后用戶可以接收傳感器數據，從而可以將傳感器測量數據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 程序的設計，該程序用作兩個傳感器節點和 Edison Intel 的接口。作為訂閱者的 Node-RED 被賦予與傳感器節點發布的主題相同的主題。來自傳感器節點的有效載荷數據格式（來自 DHT22 的測量數據）是 json 數據格式，因此訂閱者 (Node-RED) 將接受相同的數據格式。

?

?

圖 1.4

?

?

在程序的循環函數中，發送由讀取溫濕度數據組成的payload傳感器的過程，格式為json。用于向服務器發送數據的 MQTT 發布的主題是“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載。因此，發送和接收有效載荷傳感器的過程可以根據傳感器節點和英特爾愛迪生作為 MQTT 服務器的設計或集成運行。總體而言，硬件設計系統的實現如圖 1.5 所示。

?

?

圖 1.5：硬件設計系統的實現

Influxdb 上數據實時 Node-RED 和數據收集的可視化

在測試了ESP8266傳感器節點和Intel Edison微控制器作為MQTT服務器的硬件之后，通過Node-RED儀表板實現了測量數據的可視化。接口軟件設計的實現旨在實時顯示來自兩個傳感器節點（ESP8266 微控制器）的測量數據。

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（室內溫度）、Hout（室外濕度）、Hin（室內濕度）。在 Node-RED 儀表板上可視化整個數據如圖 1.7 所示。

?

圖 1.7

通過集成 Wemos ESP8266 微控制器作為傳感器節點，英特爾 Edison 作為代理，成功測試了使用 MQTT 協議的數據采集系統設計。作為整個系統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。來自兩個傳感器節點的 DHT22 測量/有效載荷數據已成功存儲在 influxdb 數據庫中。