树莓派智能家居：树莓派智能家居网关
为此我们将使用 Raspberry Pi + EMQ X Edge + EMQ X Kuiper 搭建智能家居网关，实现智能家居设备数据的边缘计算处理，减少家庭私密数据外流。
智能家居系统利用大量的物联网设备（如温湿度传感器、安防系统、照明系统）实时监控家庭内部状态，完成智能调节、人机互动随着物联网技术的发展，其应用范围、数据规模、市场份额将进一步扩大，智能家居设备之间的智能联动也将变的越来越困难，同时由于家庭数据的隐私性，用户数据上传至云端处理还有一定的安全问题。
为此我们将使用 Raspberry Pi + EMQ X Edge + EMQ X Kuiper 搭建智能家居网关，实现智能家居设备数据的边缘计算处理，减少家庭私密数据外流本文中我们将用 BH1750FVI 光照强度传感器采集家庭光照强度数据，使用 EMQ X Kuiper 对光照强度数据进行分析和处理，并依据预先定义的数据规则对 LED 灯进行相应的控制。
所需组件树莓派 3b+ 以及更高版本树莓派3代B+ 型是一款基于 ARM 的微型计算机主板，以 SD/MicroSD卡进行存储，该主板提供 USB 接口和以太网接口，可以连接键盘、鼠标和网线，该主板具备 PC 的基本功能，同时树莓派集成了 Wi-Fi，蓝牙以及大量 GPIO，是智能家居网关的理想选择。
EMQ X Edge智能家居设备之间通信协议有 MQTT， Wi-Fi， 蓝牙 等，其中 MQTT 协议 是基于发布/订阅模式的物联网通信协议，它简单易实现、支持 QoS、报文小在本文中我们将使 MQTT 协议作为智能家居设备之间的通信协议。
由于 Raspberry Pi 内存以及处理能力有限，我们选择由 EMQ 开源的 EMQ X Edge 作为 MQTT broker，EMQ X Edge 是轻量级的物联网边缘计算消息中间件，支持部署在资源受限的物联网边缘硬件。
EMQ X Kuiper智能家居设备之间数据传输格式不同，并且数据存在波动性，我们需要对设备上报的数据进行处理在本文中我们将使用由 EMQ 开源的 EMQ X Kuiper 对智能家居设备数据进行边缘化处理，EMQ X Kuiper 是基于 SQL 的轻量级边缘流式消息处理引擎，可以运行在资源受限的边缘设备上。
通过实时分析智能家居设备的各类数据，可以实现对设备的即时状态管理与控制。其他组件BH1750FVI 光照强度传感器LED330 Ω电阻面包板, 跳线若干项目示意图
环境搭建电路连接
树莓派配置我们选择 raspbian 8 作为树莓派操作系统，并选择 python 3 作为项目编程语言# 创建名为 smart-home-hubs 的项目目录mkdir ~/smart-home-hubs
EMQ X Edge 安装与运行$cd ~/smart-home-hubs# 下载软件包$ wget https://www.emqx.io/downloads/edge/v4.1.0/emqx-edge-raspbian8-v4.1.0.zip
$ unzip emqx-edge-raspbian8-v4.1.0.zip$cd ./emqx# 运行 EMQ X Edge$ ./bin/emqx startEMQ X Kuiper 安装与运行$cd
~/smart-home-hubs# 下载软件包$ wget https://github.com/emqx/kuiper/releases/download/0.4.2/kuiper-0.4.2-linux-armv7l.zip
$ unzip kuiper-0.4.2-linux-armv7l.zip$ mv kuiper-0.4.2-linux-armv7l ./kuiper$cd ./kuiper# 创建 rules 目录，用来存放规则文件
$ mkdir ./rules# 运行 EMQ X Kuiper$ ./bin/server代码编写BH1750FVI 光照传感器数据上传编写代码读取并计算 BH1750FVI 传感器光照强度数据，并以
1次/秒 的频率将光照强度数据通过 MQTT协议 发布到 smartHomeHubs/light 主题上# gy30.pyimportjsonimporttimeimportsmbusfrompaho.mqtt import client as mqtt。
# BH1750FVI configDEVICE = 0x23 # Default device I2C addressPOWER_DOWN = 0x00POWER_ON = 0x01RESET =
0x07CONTINUOUS_LOW_RES_MODE = 0x13CONTINUOUS_HIGH_RES_MODE_1 = 0x10CONTINUOUS_HIGH_RES_MODE_2 = 0x11ONE_TIME_HIGH_RES_MODE_1
= 0x20ONE_TIME_HIGH_RES_MODE_2 = 0x21ONE_TIME_LOW_RES_MODE = 0x23bus = smbus.SMBus(1) # MQTT broker config
broker = 127.0.0.1port = 1883topic = smartHomeHubs/lightdefread_light():data = bus.read_i2c_block_data(DEVICE, ONE_TIME_HIGH_RES_MODE_1)
light_level = round((data[1] + (256 * data[0])) / 1.2, 2)returnlight_leveldefconnect_mqtt():client =
mqtt.Client(client_id=light_01)client.connect(host=broker, port=port)returnclientdefrun():mqtt_client
= connect_mqtt()whileTrue:light_level = read_light()publish_msg = {lightLevel: light_level}mqtt_client.publish(
topic,payload=json.dumps(publish_msg))print(publish_msg)time.sleep(1)if__name__ == "__main__":run()配置 EMQ X Kuiper 流处理规则
我们将在 EMQ X Kuiper 上创建名为 smartHomeHubs 的流，并配置规则对光照强度数据进行实时分析，以实现对 LED 灯的控制本文中我们将计算光照强度平均值，当平均光照强度 持续 5 秒。
小于 55 时开启 LED（大于 55 时关闭 LED）创建流$ cd ~/smart-home-hubs/kuiper $ ./bin/cli create stream smartHomeHubs (lightLevel float) WITH (FORMAT="JSON", DATASOURCE="smartHomeHubs/light")。
编写开启 LED 规则（./rules/onLed.rule）当持续 5 秒钟平均光照强度小于 55 时，向 smartHomeHubs/led 主题发送 "{\"status\": \"on\"}" 消息打开 LED。
{ "sql":"SELECT avg(lightLevel) as avg_light from smartHomeHubs group by TUMBLINGWINDOW(ss, 5) having avg_light < 55;", "actions":[ { "mqtt":{ "server":"tcp://127.0.0.1:1883", "topic":"smartHomeHubs/led", "sendSingle":true, "dataTemplate": "{\"status\": \"on\"}" } } ] }。
编写关闭 LED 规则（./rules/offLed.rule）当持续 5 秒钟平均光照强度大于 55 时，向 smartHomeHubs/led 主题发送 "{\"status\": \"off\"}" 消息关闭 LED。
{ "sql":"SELECT avg(lightLevel) as avg_light from smartHomeHubs group by TUMBLINGWINDOW(ss, 5) having avg_light > 55;", "actions":[ { "mqtt":{ "server":"tcp://127.0.0.1:1883", "topic":"smartHomeHubs/led", "sendSingle":true, "dataTemplate": "{\"status\": \"off\"}" } } ] }。
添加规则$ ./bin/cli create rule onLed -f ./rules/onLed.rule $ ./bin/cli create rule onLed -f ./rules/offLed.rule
查看规则$ ./bin/cli show rulesLED 灯控制编写代码连接到 EMQ X Edge，并订阅 smartHomeHubs/led 主题监听订阅的 MQTT 消息内容，当 status 为 。
on 时打开 LED，当 status 为 off 时关闭 LED# led.pyimport paho.mqtt.client as mqtt import RPi.GPIO as GPIO import。
json # MQTT broker config broker = 127.0.0.1 port = 1883 topic = smartHomeHubs/leddefon_connect(client, userdata, flags, rc)
: print("Connecting to the MQTT broker...") if rc == 0: print("Connection success")
else: print("Connected with result code "+str(rc)) client.subscribe(topic) defon_message
(client, userdata, msg): payload = json.loads(msg.payload) led_status = payload.get(status) gpio_status = GPIO.input(
4) if led_status == onand gpio_status == 0: GPIO.output(4, True) print(LED on)
elif led_status == offand gpio_status == 1: GPIO.output(4, False) print(LED off)
else: passdefrun():# connect MQTT broker client = mqtt.Client() client.on_connect = on_connect client.on_message = on_message client.connect(broker,
1883, 60) # set Raspberry Pi GPIO pin GPIO.setmode(GPIO.BCM) GPIO.setwarnings(False) GPIO.setup(
4, GPIO.OUT) try: client.loop_forever() except KeyboardInterrupt: GPIO.cleanup()
if __name__ == "__main__": run() 运行测试python gy30.py 获取光照数据，并将数据上报到 smartHomeHubs/light 主题。
python led.py 订阅 smartHomeHubs/led 主题，监听 LED 控制信息。
当我们手动降低或升高光照时，可以看到 LED 灯同时也开启和关闭。
总结至此，我们已成功搭建基于 Raspberry Pi + EMQ X Edge + EMQ X Kuiper 的智能家居网关我们使用 Raspberry Pi 为网关提供丰富的外部通信接口，使用 EMQ X Edge 为网关提供设备之间的通信功能，使用 EMQ X Kuiper 为网关提供设备数据处理以及分析功能。
之后，我们使用光照传感器获取光照强度，通过光照强度来控制 LED 的开和关。在整个过程中所有数据都在本地处理和分析，降低了家庭私密数据泄漏的风险。
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