全栈智能家居系统设计方案：STM32+Linux+多协议（MQTT、Zigbee、Z-Wave）通信+云平台集成

news2024/9/21 19:02:19

1. 项目概述

随着物联网技术的快速发展,智能家居系统正在成为现代生活中不可或缺的一部分。本文介绍了一个基于STM32微控制器和Linux系统的智能家居解决方案,涵盖了硬件设计、软件架构、通信协议以及云平台集成等方面。

该系统具有以下特点:

  • 采用STM32作为终端设备的控制核心,实现传感器数据采集和设备控制
  • 使用Raspberry Pi作为网关,运行Linux系统,负责数据处理和云端通信
  • 支持MQTT、CoAP等多种物联网通信协议
  • 采用React构建用户友好的前端界面
  • 后端采用Flask框架,提供RESTful API
  • 集成AWS IoT云平台,实现远程监控和控制

2. 系统设计

2.1 硬件架构

系统的硬件架构如下图所示:

 

  • STM32终端设备: 负责采集传感器数据(如温度、湿度、光照等)和控制家电设备
  • Raspberry Pi网关: 运行Linux系统,作为边缘计算节点和协议转换网关
  • AWS IoT云平台: 提供设备管理、数据存储和分析等服务

2.2 软件架构

系统的软件架构采用分层设计,如下图所示:

3. 代码实现

3.1 STM32终端设备固件(C语言)

#include "stm32f4xx_hal.h"
#include "sensors.h"
#include "zigbee.h"

// 定义传感器数据结构
typedef struct {
    float temperature;
    float humidity;
    uint16_t light;
} SensorData;

// 主循环
void main(void) {
    // 初始化外设
    HAL_Init();
    Sensors_Init();
    Zigbee_Init();
    
    SensorData data;
    
    while(1) {
        // 读取传感器数据
        data.temperature = Sensors_ReadTemperature();
        data.humidity = Sensors_ReadHumidity();
        data.light = Sensors_ReadLight();
        
        // 通过Zigbee发送数据
        Zigbee_SendData(&data, sizeof(SensorData));
        
        // 检查是否有控制命令
        if (Zigbee_CommandAvailable()) {
            uint8_t command = Zigbee_GetCommand();
            ExecuteCommand(command);
        }
        
        // 延时1秒
        HAL_Delay(1000);
    }
}

// 执行控制命令
void ExecuteCommand(uint8_t command) {
    switch(command) {
        case CMD_LIGHT_ON:
            GPIO_SetPin(LED_GPIO_Port, LED_Pin);
            break;
        case CMD_LIGHT_OFF:
            GPIO_ResetPin(LED_GPIO_Port, LED_Pin);
            break;
        case CMD_FAN_ON:
            GPIO_SetPin(FAN_GPIO_Port, FAN_Pin);
            break;
        case CMD_FAN_OFF:
            GPIO_ResetPin(FAN_GPIO_Port, FAN_Pin);
            break;
        default:
            // 未知命令，不做处理
            break;
    }
}

这段代码实现了STM32终端设备的主要功能：

  1. 初始化必要的硬件外设。
  2. 在主循环中，定期读取传感器数据（温度、湿度、光照）。
  3. 将采集到的数据通过Zigbee模块发送出去。
  4. 检查是否有incoming的控制命令，如果有则执行相应的操作（如开关灯、风扇等）。
  5. 使用HAL_Delay函数实现简单的定时采集。

3.2 Raspberry Pi网关程序(Python)

接下来，让我们实现Raspberry Pi网关的部分代码：

import paho.mqtt.client as mqtt
import json
from flask import Flask, request, jsonify
from zigbee_handler import ZigbeeHandler
from database import Database

app = Flask(__name__)
zigbee = ZigbeeHandler()
db = Database()
mqtt_client = mqtt.Client()

# MQTT配置
MQTT_BROKER = "iot.eclipse.org"
MQTT_PORT = 1883
MQTT_TOPIC = "home/sensors"

@app.route('/api/sensors', methods=['GET'])
def get_sensor_data():
    data = db.get_latest_sensor_data()
    return jsonify(data)

@app.route('/api/control', methods=['POST'])
def control_device():
    command = request.json['command']
    device_id = request.json['device_id']
    zigbee.send_command(device_id, command)
    return jsonify({"status": "success"})

def on_mqtt_connect(client, userdata, flags, rc):
    print(f"Connected with result code {rc}")
    client.subscribe(MQTT_TOPIC)

def on_mqtt_message(client, userdata, msg):
    payload = json.loads(msg.payload)
    db.save_sensor_data(payload)
    # 将数据转发到AWS IoT
    aws_iot_client.publish("aws/home/sensors", json.dumps(payload))

def zigbee_data_callback(data):
    # 处理从Zigbee接收到的数据
    mqtt_client.publish(MQTT_TOPIC, json.dumps(data))
    db.save_sensor_data(data)

if __name__ == '__main__':
    # 设置MQTT客户端
    mqtt_client.on_connect = on_mqtt_connect
    mqtt_client.on_message = on_mqtt_message
    mqtt_client.connect(MQTT_BROKER, MQTT_PORT, 60)
    mqtt_client.loop_start()

    # 设置Zigbee回调
    zigbee.set_data_callback(zigbee_data_callback)

    # 启动Flask应用
    app.run(host='0.0.0.0', port=5000)

这段代码实现了Raspberry Pi网关的主要功能：

  1. 使用Flask框架创建了一个简单的Web API，用于获取传感器数据和发送控制命令。
  2. 实现了MQTT客户端，用于接收和发布传感器数据。
  3. 集成了Zigbee处理模块，用于与STM32终端设备通信。
  4. 使用本地数据库存储传感器数据。
  5. 实现了数据转发功能，将数据发送到AWS IoT平台。

3.3 前端应用(React)

下面是一个简单的React组件，用于显示传感器数据和控制设备：

import React, { useState, useEffect } from 'react';
import axios from 'axios';

const SmartHome = () => {
  const [sensorData, setSensorData] = useState(null);

  useEffect(() => {
    const fetchData = async () => {
      const result = await axios.get('/api/sensors');
      setSensorData(result.data);
    };
    fetchData();
    const interval = setInterval(fetchData, 5000); // 每5秒更新一次数据
    return () => clearInterval(interval);
  }, []);

  const controlDevice = async (deviceId, command) => {
    await axios.post('/api/control', { device_id: deviceId, command });
  };

  if (!sensorData) return <div>Loading...</div>;

  return (
    <div>
      <h1>Smart Home Dashboard</h1>
      <div>
        <h2>Sensor Data</h2>
        <p>Temperature: {sensorData.temperature}°C</p>
        <p>Humidity: {sensorData.humidity}%</p>
        <p>Light: {sensorData.light} lux</p>
      </div>
      <div>
        <h2>Device Control</h2>
        <button onClick={() => controlDevice('light', 'ON')}>Turn Light On</button>
        <button onClick={() => controlDevice('light', 'OFF')}>Turn Light Off</button>
        <button onClick={() => controlDevice('fan', 'ON')}>Turn Fan On</button>
        <button onClick={() => controlDevice('fan', 'OFF')}>Turn Fan Off</button>
      </div>
    </div>
  );
};

export default SmartHome;

3.4 AWS IoT云平台集成(Python)

以下是在Raspberry Pi网关上与AWS IoT云平台集成的Python代码示例:

import boto3
import json
from AWSIoTPythonSDK.MQTTLib import AWSIoTMQTTClient

# AWS IoT配置
AWS_IOT_ENDPOINT = "xxxxxxxxxxxxxxx.iot.us-west-2.amazonaws.com"
AWS_IOT_CLIENT_ID = "raspberry_pi_gateway"
AWS_IOT_TOPIC = "home/sensors"
AWS_IOT_CERT_PATH = "/path/to/certificate.pem.crt"
AWS_IOT_KEY_PATH = "/path/to/private.pem.key"
AWS_IOT_ROOT_CA_PATH = "/path/to/root-CA.crt"

# 初始化AWS IoT MQTT客户端
mqtt_client = AWSIoTMQTTClient(AWS_IOT_CLIENT_ID)
mqtt_client.configureEndpoint(AWS_IOT_ENDPOINT, 8883)
mqtt_client.configureCredentials(AWS_IOT_ROOT_CA_PATH, AWS_IOT_KEY_PATH, AWS_IOT_CERT_PATH)

# 连接回调
def on_connect(self, params, rc):
    if rc == 0:
        print("Connected to AWS IoT")
    else:
        print(f"Connection failed with error code {rc}")

# 消息回调
def on_message(client, userdata, message):
    payload = json.loads(message.payload.decode('utf-8'))
    print(f"Received message from AWS IoT: {payload}")
    # 处理来自云平台的命令
    if 'command' in payload:
        execute_command(payload['command'])

# 连接到AWS IoT
mqtt_client.connect()
mqtt_client.subscribe(AWS_IOT_TOPIC, 1, on_message)

# 发送数据到AWS IoT
def send_to_aws_iot(data):
    message = json.dumps(data)
    mqtt_client.publish(AWS_IOT_TOPIC, message, 1)
    print(f"Sent message to AWS IoT: {message}")

# 使用AWS SDK创建IoT客户端
iot_client = boto3.client('iot-data')

# 更新设备影子
def update_device_shadow(device_id, state):
    payload = json.dumps({
        "state": {
            "reported": state
        }
    })
    iot_client.update_thing_shadow(
        thingName=device_id,
        payload=payload
    )

# 示例：发送传感器数据并更新设备影子
sensor_data = {
    "temperature": 25.5,
    "humidity": 60,
    "light": 500
}
send_to_aws_iot(sensor_data)
update_device_shadow("living_room_sensor", sensor_data)

这段代码实现了以下功能:

  1. 使用AWS IoT Python SDK配置并连接MQTT客户端。
  2. 实现了连接回调和消息接收回调函数。
  3. 提供了向AWS IoT发送数据的函数send_to_aws_iot。
  4. 使用boto3 SDK创建IoT客户端,用于更新设备影子。
  5. 实现了更新设备影子的函数update_device_shadow。

在实际应用中，你需要将这些函数集成到之前的Raspberry Pi网关代码中，例如：

  • 在接收到来自STM32的传感器数据后，调用send_to_aws_iot函数将数据发送到AWS IoT平台。
  • 同时，使用update_device_shadow函数更新相应设备的影子状态。
  • 在处理来自AWS IoT的消息时，可以执行相应的控制命令。

以下是集成后的Raspberry Pi网关代码示例：

import paho.mqtt.client as mqtt
import json
from flask import Flask, request, jsonify
from zigbee_handler import ZigbeeHandler
from database import Database
from aws_iot_handler import send_to_aws_iot, update_device_shadow, mqtt_client as aws_mqtt_client

app = Flask(__name__)
zigbee = ZigbeeHandler()
db = Database()
local_mqtt_client = mqtt.Client()

# MQTT配置
MQTT_BROKER = "iot.eclipse.org"
MQTT_PORT = 1883
MQTT_TOPIC = "home/sensors"

@app.route('/api/sensors', methods=['GET'])
def get_sensor_data():
    data = db.get_latest_sensor_data()
    return jsonify(data)

@app.route('/api/control', methods=['POST'])
def control_device():
    command = request.json['command']
    device_id = request.json['device_id']
    zigbee.send_command(device_id, command)
    # 更新设备影子
    update_device_shadow(device_id, {"status": command})
    return jsonify({"status": "success"})

def on_local_mqtt_connect(client, userdata, flags, rc):
    print(f"Connected to local MQTT broker with result code {rc}")
    client.subscribe(MQTT_TOPIC)

def on_local_mqtt_message(client, userdata, msg):
    payload = json.loads(msg.payload)
    db.save_sensor_data(payload)
    # 将数据发送到AWS IoT
    send_to_aws_iot(payload)
    # 更新设备影子
    update_device_shadow(payload['device_id'], payload)

def zigbee_data_callback(data):
    # 处理从Zigbee接收到的数据
    local_mqtt_client.publish(MQTT_TOPIC, json.dumps(data))
    db.save_sensor_data(data)
    # 将数据发送到AWS IoT
    send_to_aws_iot(data)
    # 更新设备影子
    update_device_shadow(data['device_id'], data)

def aws_iot_command_callback(client, userdata, message):
    payload = json.loads(message.payload.decode('utf-8'))
    if 'command' in payload:
        device_id = payload.get('device_id')
        command = payload['command']
        zigbee.send_command(device_id, command)
        # 更新设备影子
        update_device_shadow(device_id, {"status": command})
if __name__ == '__main__':
    # 设置本地MQTT客户端
    local_mqtt_client.on_connect = on_local_mqtt_connect
    local_mqtt_client.on_message = on_local_mqtt_message
    local_mqtt_client.connect(MQTT_BROKER, MQTT_PORT, 60)
    local_mqtt_client.loop_start()

    # 设置Zigbee回调
    zigbee.set_data_callback(zigbee_data_callback)

    # 设置AWS IoT MQTT客户端回调
    aws_mqtt_client.subscribe("home/commands", 1, aws_iot_command_callback)

    # 启动Flask应用
    app.run(host='0.0.0.0', port=5000)

这个完整的Raspberry Pi网关代码实现了以下功能：

  1. 集成了本地MQTT、Zigbee和AWS IoT的通信功能。
  2. 实现了数据的双向流动：从传感器到云平台，以及从云平台到设备的控制命令。
  3. 使用Flask提供了简单的Web API，用于获取传感器数据和发送控制命令。
  4. 将接收到的传感器数据保存到本地数据库，并同步到AWS IoT平台。
  5. 实现了设备影子的更新，确保云平台始终有最新的设备状态。

4.项目总结

本智能家居系统项目成功地整合了多种技术，包括：

  1. 嵌入式开发：使用STM32微控制器进行传感器数据采集和设备控制。
  2. Linux系统：在Raspberry Pi上运行Linux系统，作为智能家居网关。
  3. 物联网协议：使用MQTT协议进行本地和云端的数据传输。
  4. Web开发：使用Flask框架开发后端API，React框架开发前端界面。
  5. 云平台集成：与AWS IoT平台深度集成，实现设备管理、数据同步和远程控制。

通过这个项目，我们实现了一个功能完整的智能家居系统，具有以下特点：

  • 实时监控：可以实时监控家庭环境数据，包括温度、湿度和光照等。
  • 远程控制：通过Web界面或云平台远程控制家电设备。
  • 数据同步：本地数据与云平台保持实时同步，确保数据的一致性。
  • 设备影子：利用AWS IoT的设备影子功能，实现离线设备的状态管理。
  • 可扩展性：系统设计具有良好的可扩展性，可以方便地添加新的传感器和智能设备。

 

本文来自互联网用户投稿，该文观点仅代表作者本人，不代表本站立场。本站仅提供信息存储空间服务，不拥有所有权，不承担相关法律责任。如若转载，请注明出处：http://www.coloradmin.cn/o/1925511.html

如若内容造成侵权/违法违规/事实不符，请联系多彩编程网进行投诉反馈，一经查实，立即删除！

相关文章

【python学习】python标准库之正则表达式库re的定义、功能和函数，以及正则表达式的元字符和含义

【python学习】python标准库之正则表达式库re的定义、功能和函数，以及正则表达式的元字符和含义

引言 re 库是Python标准库的一部分&#xff0c;不需要额外安装。要使用 re 库&#xff0c;只需在代码中导入它 文章目录 引言一、re库的定义二、re 库中常用的功能和函数&#xff1a;2.1 搜索模式2.2 查找模式2.3 替换模式2.4 分割模式2.5 编译模式2.6 错误信息2.7 支持的模式2…
阅读更多...
基础部分-变量

基础部分-变量

目录 1、一个程序就是一个世界&#xff0c;变量是程序的基本组成单位。 2、变量有三个基本要素&#xff1a;类型名称值 3、变量相当于内存中一个数据存储空间的表示 4、变量的使用步骤 &#xff08;先定义后使用&#xff09; 5、变量快速入门 6、格式化输出 7、程序中 号…
阅读更多...
链接追踪系列-07.logstash安装json_lines插件

链接追踪系列-07.logstash安装json_lines插件

进入docker中的logstash 容器内&#xff1a; jelexbogon ~ % docker exec -it 7ee8960c99a31e607f346b2802419b8b819cc860863bc283cb7483bc03ba1420 /bin/sh $ pwd /usr/share/logstash $ ls bin CONTRIBUTORS Gemfile jdk logstash-core modules tools x-pack …
阅读更多...
【Linux】进程控制的详细介绍

【Linux】进程控制的详细介绍

前言 在此之前&#xff0c;我们学过进程的概念&#xff0c;进程的状态&#xff0c;进程地址空间等一系列进程相关的问题。本章我们继续学习进程&#xff0c;我们要来学习一下进程的控制&#xff0c;关于进程等待&#xff0c;等问题。 目录 1.再次认识Fork函数1.1 fork()之后操…
阅读更多...
什么是 Modbus协议？

什么是 Modbus协议？

一、网络中的协议是指什么&#xff1f; 网络协议是网络通信中至关重要的一部分&#xff0c;它定义了网络中两个或多个设备之间通信的规则、过程和格式。这些规则确保了计算机网络设备能够使用一种通用语言来传输和接收数据&#xff0c;而不管它们的设计、硬件或基础设施如何。…
阅读更多...
MySQL-ubuntu环境下安装配置mysql

MySQL-ubuntu环境下安装配置mysql

文章目录 什么是数据库&#xff1f;一、ubuntu环境下安装mysql二、配置mysql配置文件1.先登上root账号2.配置文件的修改show engines \G; mysql和mysqld数据库的基础操作登录mysql创建数据库显示当前数据库使用数据库创建表插入students表数据打印students表数据select * from …
阅读更多...
【吊打面试官系列-ZooKeeper面试题】说说客户端注册 Watcher 实现？

【吊打面试官系列-ZooKeeper面试题】说说客户端注册 Watcher 实现？

大家好&#xff0c;我是锋哥。今天分享关于 【说说客户端注册 Watcher 实现&#xff1f; 】面试题&#xff0c;希望对大家有帮助&#xff1b; 说说客户端注册 Watcher 实现&#xff1f; 1、调用 getData()/getChildren()/exist()三个 API&#xff0c;传入 Watcher 对象 1000道…
阅读更多...
数据结构（Java）：树二叉树

数据结构（Java）：树二叉树

目录 1、树型结构 1.1 树的概念 1.2 如何判断树与非树 1.3 树的相关概念 1.4 树的表示形式 1.4.1 孩子兄弟表示法 2、二叉树 2.1 二叉树的概念 2.2 特殊的二叉树 2.3 二叉树的性质 2.4 二叉树的存储 2.5 二叉树的遍历 1、树型结构 1.1 树的概念 树型结构是一种非线…
阅读更多...
文本分类--NLP-AI（八）

文本分类--NLP-AI（八）

文本分类任务 任务简介1.字符数值化方式1方式2 2.池化&#xff08;pooling&#xff09;3.全连接层4.归一化函数&#xff08;Sigmoid&#xff09;5.总结 从任务抽象新的技术点Embedding层池化层 任务简介 任务介绍&#xff1a; 字符串分类&#xff0c;根据一句话的含妈量&#…
阅读更多...
air-conditioning

air-conditioning

air-conditioning 空调机安装 实地测量&#xff1a; 测量宽度 测量高度 测试厚度 其他位置测量 根据实际绘图&#xff1a; 改进图&#xff0c;哈哈&#xff0c;让自己满意也让别人满意 1&#xff09;需要考虑安装位置&#xff0c;减少高空放置&#xff0c;放置高空掉落 2&#…
阅读更多...
YOLOv5和LPRNet的车牌识别系统

YOLOv5和LPRNet的车牌识别系统

车牌识别系统 YOLOv5和LPRNet的车牌识别系统结合了深度学习技术的先进车牌识别解决方案。该系统整合了YOLOv5目标检测框架和LPRNet文本识别模型 1. YOLOv5目标检测框架 YOLO是一种先进的目标检测算法&#xff0c;以其实时性能和高精度闻名。YOLOv5是在前几代基础上进行优化的…
阅读更多...
Mac应用程序清理卸载工具：App Cleaner Uninstaller for Mac 中文版

Mac应用程序清理卸载工具：App Cleaner Uninstaller for Mac 中文版

App Cleaner Pro是一款Mac上非常好用的软件卸载工具&#xff0c;支持应用卸载、Widget卸载、浏览器插件卸载&#xff0c;支持拖拽卸载和列表卸载&#xff0c;能够非常干净的卸载应用&#xff0c;节省你的磁盘空间。App Cleaner Uninstaller Pro是一款深度清理和卸载的工具&…
阅读更多...
Postman下载及使用说明

Postman下载及使用说明

Postman使用说明 Postman是什么&#xff1f; ​ Postman是一款接口对接工具【接口测试工具】 接口&#xff08;前端接口&#xff09;是什么&#xff1f; ​ 前端发送的请求普遍被称为接口 ​ 通常有网页的uri参数格式json/key-value请求方式post/get响应请求的格式json 接…
阅读更多...
uboot默认配置过程

uboot默认配置过程

uboot默认配置，对于6ull来说，在uboot源码目录下执行：make mx6ull_14x14_evk_defconfig 1、make mx6ull_14x14_evk_defconfig mx6ull_14x14_evk_defconfig文件是在uboot源码configs/目录下面 执行过程分析 HOSTCC：编译一些.c文件 HOSTLD：制作出scripts/kconfig/conf这个…
阅读更多...
[数仓]十二、离线数仓（Atlas元数据管理）

[数仓]十二、离线数仓（Atlas元数据管理）

第1章 Atlas入门 1.1 Atlas概述 Apache Atlas为组织提供开放式元数据管理和治理功能，用以构建其数据资产目录，对这些资产进行分类和管理，并为数据分析师和数据治理团队，提供围绕这些数据资产的协作功能。 Atlas的具体功能如下： 元数据分类 支持对元数据进行分类管理，例…
阅读更多...
【GD32】从零开始学GD32单片机 | WDGT看门狗定时器+独立看门狗和窗口看门狗例程（GD32F470ZGT6）

【GD32】从零开始学GD32单片机 | WDGT看门狗定时器+独立看门狗和窗口看门狗例程（GD32F470ZGT6）

1. 简介 看门狗从本质上来说也是一个定时器&#xff0c;它是用来监测硬件或软件的故障的&#xff1b;它的工作原理大概就是开启后内部定时器会按照设置的频率更新&#xff0c;在程序运行过程中我们需不断地重装载看门狗&#xff0c;以使它不溢出&#xff1b;如果硬件或软件发生…
阅读更多...
2024-07-13 Unity AI状态机2 —— 项目介绍

2024-07-13 Unity AI状态机2 —— 项目介绍

文章目录 1 项目介绍2 模块介绍2.1 BaseState2.2 ...State2.2.1 PatrolState2.2.2 ChaseState / AttackState / BackState 2.3 StateMachine2.4 Monster 3 其他功能4 类图 项目借鉴 B 站唐老狮 2023年直播内容。 点击前往唐老狮 B 站主页。 1 项目介绍 ​ 本项目使用 Unity 2…
阅读更多...
C++基础（一）

C++基础（一）

目录 1.不同版本的hello word&#xff01; 2.namespace和&#xff1a;&#xff1a;域作用限定符以及using 2.1 namespace 2.2&#xff1a;&#xff1a; 2.3using用于展开域 3.C输入和输出 4.缺省参数 5.重载 6.引用 6.1引用介绍 6.2 引用的特性 注意&#xff1a; 6.4 c…
阅读更多...
基于CSS两种菜单创建方式

基于CSS两种菜单创建方式

作者&#xff1a;私语茶馆 1.前言 HTML多种场景下需要菜单的实现&#xff0c;这里提供两种方式&#xff1a; &#xff08;1&#xff09;基于CSS的POPUP式菜单 特征&#xff1a;按需显示POPUP菜单&#xff0c;但布局是浮动的。 &#xff08;2&#xff09;覆盖式弹出菜单。 …
阅读更多...
独家揭秘！五大内网穿透神器，访问你的私有服务

独家揭秘！五大内网穿透神器，访问你的私有服务

本文精心筛选了五款炙手可热的内网穿透工具&#xff0c;它们各怀绝技&#xff0c;无论您是企业用户、独立开发者&#xff0c;还是技术探索者&#xff0c;这篇文章都物有所值&#xff0c;废话不多说&#xff0c;主角们即将上场。 目录 1. 巴比达 - 安全至上的企业护航者 2. 花…
阅读更多...
推荐文章
最新文章

Copyright @ 2022~2023