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基于 Intel Edison 和 Node-Red 的物联网家居自动化与安防

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2016年8月4日

CPOL

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一套完整的基于Node-Red的家庭自动化、远程物联网家庭控制和安全系统

概述

智能家居可以说是物联网中最常听到的流行语之一。将家庭设备与云连接以发挥设备更优越的功能，是已从DIY爱好者手中走向严肃商业产品的一个领域。能够响应手势、语音、移动命令的设备，能够感知并做出决策的设备，以及与用户社交账户连接的设备，正变得越来越受欢迎。

智能家居通常指设备连接到云端的家庭。它被视为一个使用智能手机、PC来控制、监控、指示或与家中电器互动的系统。它能减轻人的工作负担。

在这个项目中，我们将向您展示如何使用Intel Edison开发板、Node-Red（物联网的可视化编程语言）和Android手机快速构建一个智能家居原型。我们将集成智能家居系统的三个重要方面：安全、监控和控制。

该项目的基本构想是构建一个家庭原型，用户可以通过手机控制家庭的照明，而照明应响应环境光。该系统监控房间温度并产生火警。它集成了用户的Gmail和Twitter账户。因此，任何通知都会发布到这些账户，这些通知可以通过IFTTT等网关进一步分发到多个账户。

用户可以坐在任何地方监控家中的电子设备。该系统通过发送通知来确保用户安全。如果用户不在家，有入侵者闯入，声音传感器会识别出入侵者并通知特定用户。此外，如果家中无人但发生火灾，用户会收到通知。这些通知通过MQTT协议传输。该系统是使用Intel Edison开发的。系统接收来自手机的命令，分析来自光照、温度和声音传感器的数据，并根据传感器的阈值做出相应的开关决策，然后将通知发送给用户。系统通过WiFi连接到互联网。

IBM的Watson因其机器学习、模式识别等服务而日益普及。Node-Red是一种基于Node.js的可视化编程语言。您可以使用Node-red中现成的模块，在极短的时间内构建一个原型。此外，您还可以添加一些自己的Node.js脚本。由于Node-Red项目可以直接部署在IBM Bluemix上，并且可以从几乎任何设备进行编程，因此它正迅速成为快速物联网项目的热门选择。

在开始阅读本文之前，我们建议您先观看以下两个关于Intel Edison与Node-Red的YouTube视频教程：

第一章

1. 引言

物联网本质上是一个互联设备的云。简单来说，微控制器、微处理器等设备通过某种方式连接到互联网，使得每个设备都能与其他设备通信。我们将整个基础设施称为物联网。物联网是一组通过MQTT、WebSocket、HTTPS等特定协议连接到互联网的设备，使得这些设备不仅可以向服务器或云服务器发送信息，还可以相互通信。

例如，您的手机连接到互联网。手机可以与其他手机通信。手机可以发送数据到云端，也可以从云端接收数据。您会称手机为物联网设备吗？从技术上讲，不会，因为根据定义，物联网不仅是网络上设备的互连，还包括能够与物理世界通信的设备。因此，当我们深入讨论物联网时，物联网被定义为一个基础设施，其中能够与物理世界通信的设备可以相互通信。

物理世界的基本含义是任何物理设备，如灯、风扇和任何传感器。而手机不能直接控制灯或继电器，也不能直接感知农业数据或水务数据，我们通常不将手机归类为物联网设备。但是，根据定义，物联网是将物理世界连接设备在云中互连，而手机可以连接到云。手机，就像PC一样，构成了物联网机制的客户端，这意味着手机可以将数据输入到连接物联网设备的云中，并且可以从作为连接设备云的云中收集数据。例如，Raspberry Pi、Intel Edison等被认为是大多数常见的物联网设备。

这些设备或多或少运行着某个版本的Linux，它们可以连接到互联网，可以与Web服务交换消息，可以调用Web服务，可以响应Web服务，可以通过MQTT等常见的物联网协议连接，这些协议允许两个机器之间进行数据交互。它们可以接收来自手机的命令；它们也可以将一些数据发送回手机。这就是物联网基础设施。所以，如果您要想象一个物联网基础设施，那么许多像Intel Edison这样的物联网设备将与继电器、传感器连接，并相互通信，将数据发送回云端。这些数据可以通过云端的巨大处理能力进行处理。处理结果可以进一步集成到机器学习或数据可视化框架中，然后可以通过手机或PC提供给用户。

每当我们谈论物联网时，物联网提供了这种基础设施，因此设备现在可以连接到云服务，交换数据，将数据放入数据收集服务，数据可以由机器学习服务分析，数据可以由可视化服务可视化。因为它利用了云，所以无论设备数量如何增加，您都不必担心底层的基础设施发生了什么。随着您不断增加设备，云会处理所有负载，并且还会确保所有设备的性能都达到极高的水平。

项目描述

智能家居系统是家居电器（如灯和风扇）的自动化。如果发生火灾且家中无人，则系统会通过发送消息通知用户。此外，如果家中有人入侵，也会通知用户。这样用户就可以采取适当的行动。

问题陈述

构建一个智能家居系统，我可以通过手机控制灯和风扇；实现一个在我不在家时通知我的系统，如果家中有人入侵，或者实现一个火灾报警系统，在我不在家时，它能通知我家中是否发生火灾。在这种情况下，我可以构建一个可以通过手机控制的控制器。我可以有一个火灾报警系统，但目前的系统无法将两者合并到单个互联网架构中。

许多设备可以与互联网通信。目前，我们可以通过互联网控制事物，但缺乏互联互通。

目标

主要目标是实现一个系统，该系统将自动控制家用电器，如灯和风扇。智能家居可以通过云端进行远程控制和监控。并且在用户不在家时提供安全保障。

研究范围

基本上，我们正在做一个物理世界系统，包括灯光，以及一个包含火灾和入侵者问题的安全系统。我们将通过手机界面控制它们。

所用方法总结

  • 首先，将温度传感器、人体存在传感器、光控传感器等传感器连接到Intel Edison。该设备安装在Intel Arduino套件上。
  • 设备会将所有传感器数据推送到云端。
  • 该设备通过MQTT（消息队列遥测传输）协议连接到手机。
  • 该设备将连接到驱动电器的继电器单元。
  • 现在，通过手机界面，用户可以生成控制MCU设备的命令。根据控制信号，MCU设备将控制继电器单元。
  • 通过手机界面实现灯/风扇等电器的自动化。如果有人在家，当用户不在时，MCU将生成通知并推送到云端。此通知可以通过Gmail/Twitter等公共渠道进行分发。

工具与技术

工具

  • Node.js
  • Intel Edison
  • 传感器

Node.js

这是一个服务器端Web应用程序。其中，基本模块用JavaScript编写。它主要用于开发网络应用程序。它具有单线程和事件循环。请求可以无限处理。与其他服务器不同，它没有限制，可以服务大量请求。

Intel Edison

该设备是为了某些工业、医疗保健中心、业务流程等而开发的。这是一个基于Linux操作系统的Intel设备。它是一个用于物联网的小型模块化计算机。这是一个支持蓝牙和Wi-Fi的开源系统。该设备安装在Intel Arduino套件上，该套件又连接了各种传感器。该设备用于硬件和软件开发。

传感器

传感器是一个对象，它接收温度、气体、光照等输入，检测事件，然后生成相应的输出。它提供许多输出，但通常接收电信号。传感器如今几乎无处不在，例如在手机、计算器、机器人、医疗保健中心、汽车等。

技术

  • Wi-Fi
  • MqTT
  • oAuth
  • 社交和SMTP

IoT

物联网是多个设备通过互联网连接。物联网几乎被应用于各个领域，如医院、农业、家庭、商业等。在此，数据存储在云端。物联网是一项不断发展的技术，它允许将两个或多个设备连接到单个架构中。

在此，微控制器和微处理器与其他设备连接，以便它们可以相互通信。通过特定的协议，设备可以通过互联网相互通信。它还使用WebSocket、HTTP等协议。在物联网设备中，能够与物理设备通信的设备也可以相互通信。

Mqtt

它是Message Queuing Telemetry Transport Protocol（消息队列遥测传输协议）的缩写。它用于以命令的形式（如开/关、锁定/解锁等）向设备发送排队消息。它通过发布或订阅的方式用于消息传递。通过少量代码，它可以在网络内的远程位置与其他设备通信。当服务器建立连接时，连接就可以建立。当用户完成工作时，TCP/IP才会断开连接。

硬件和软件要求

硬件要求

  • Intel Edison
  • Intel Edison兼容Arduino板
  • 传感器
  • Android手机
  • 9V外部电源或移动电源
  • Intel处理器

软件要求

  • 操作系统：Windows 7及以上版本
  • 语言：JavaScript
  • 物联网网关：ThingSpeak
  • 物联网协议：MQTT, WebSocket

系统设计

智能家居系统的设计基于我们希望自动化的所有设备。智能家居包括灯、灯泡、风扇、冰箱、热水器的自动化，以及通过火灾通知、存在监测等实现的家庭安全。

一旦记录了用户的需求，设计系统就很容易了。基于此，可以计算出要使用的协议类型和所需的传感器。智能家居系统的基本要求是特定硬件和软件的组合。硬件和软件之间的接口和通信协议用于向用户发送通知。

系统视角

图：框图

我们正在开发一个智能家居系统，在该系统中，我可以根据手机控制灯和风扇，我还想实现一个火灾报警系统，这样在我不在家时，它就能通知我家中是否发生火灾。在这种情况下，我可以构建一个可以通过手机控制的控制器。我可以有一个能够发出警报的火灾报警系统，但我无法将它们合并到现有系统的单个互联网架构中。

因此，我们提出了一种基于物联网的智能家居系统。我们首先将一盏灯和一个风扇连接到该设备。我们应该能够通过手机控制灯和风扇。所有这些都应该具有位置感知功能，这意味着当我们靠近家时，可以打开灯，当我们离开家时，灯可以关闭。

我们将建立一个安全系统，例如，我们将安装一个火灾报警系统，当家中发生火灾时，它将响应我们的手机。万一我们的手机号码处于静音模式，家中发生火灾时，我们不一定总能看到警报。通过物联网系统，我们将把相同的数据发送到我们的Gmail账户和Twitter账户，这样即使我们没有意识到家中发生火灾，我们的一些朋友或Twitter粉丝也会意识到家中发生了火灾，并可能采取适当的行动。

基本上，我们正在做一个包含火灾的安全系统，一个包含灯和灯泡控制的物理世界系统。如果家中有人入侵，一个安全系统。我们还将通过手机界面控制它们。我们还将通过位置感知来控制它们。

模块

  • LCD显示屏

    该模块接收来自传感器的输入，并在屏幕上显示消息。

  • 火灾通知器

    它接收来自温度传感器的输入，并检查温度是否高于正常水平，如果高于正常水平，它会通过发送警报消息通知用户。

  • 存在监测器

    该模块检查家中是否有入侵者，它通过声音传感器检查麦克风的值。如果麦克风值高于正常水平，它就会生成警报消息给用户，并在LCD屏幕上显示。

  • 灯/灯泡控制

    该模块基于用户的命令。当用户给出ON命令时，灯会亮起；当给出OFF命令时，灯会熄灭。命令以消息的形式给出，使用MQTT协议。

  • 传感器

    传感器接收来自环境变化（如温度传感器、光传感器、声音传感器等）的输入。接收输入后，它将数据发送到LCD屏幕和Intel设备。

上下文图

级别：0

图：0级DFD
级别：1

图：1级DFD
级别：2

图：2级DFD

用例图

图：用例图

顺序图

图：顺序图

协作图

图：协作图
活动图

图：活动图

实现

连接

安装Grove扩展板到Intel Edison，并使用外部适配器为开发板供电。

  • 将温度传感器连接到A0
  • 将光传感器连接到A1
  • 将麦克风/声音传感器连接到A2
  • 将LCD连接到I2C端口
  • 将一个继电器连接到D3（用于控制灯泡）
  • 将一个LED连接到D7（模拟家庭的锁定和解锁）
  • 将一个蜂鸣器连接到D2

Node RED界面

您可以通过npm在Edison上安装Node-red。

npm install node-red

然后，只需从Edison shell进入node red目录并输入：

node red.js

这将启动一个Node-red服务器。您可以通过访问edison_ip:port_number来访问编程环境。其中，port_number是在您启动Node-red服务器时屏幕上显示的端口号（默认为1880）。

图：Node RED界面

显示了可视化基础界面。我们可以拖放模块。然后我们可以编写模块代码。第一个模块是传感器模块，我们使用了温度传感器、光传感器，并读取了麦克风值。传感器模块读取所有值并将其发送到其输出设备。

传感器处理模块

图：传感器处理模块

上图显示，与传感器模块连接的传感器处理模块也与MQTT模块连接。在Node.js中，一个节点通过数据包将消息发送到另一个节点。实际数据存储在名为payload的字段中。

编码

此模块接收多个数据包、不同的主题和不同的有效载荷。它将主题提取到名为topic的变量中。温度以temperature主题发送，光以light主题发送。有效载荷是实际值所在的位置。它将读数转换为string。

var topic=msg.topic;
var payload=msg.payload;
var inHome=false;
// All the checking up
//console.log("Input="+msg.topic+"-"+msg.payload)
if(topic=='rupam/smarthome')
{
console.log(msg.topic+":"+msg.payload)
msg.topic="CONTROL";
if(payload=='ON')
{
msg.payload=1;
}
if(payload=='OFF')
{
msg.payload=2;
}

上面的代码指定了处理模块检查主题是否为rupam /smarthome。这意味着数据来自MQTT。然后，消息是一个控制主题，因为我们实际上在控制风扇和灯。如果为开，则msg.payload= 1；如果为关，则msg.payload=2。

if(payload=='LOCK')
{
msg.payload=3;
inHome=false;
}
if(payload=='UNLOCK')
{
msg.payload=4;
inHome=true;
}
if(payload=='STOP')
{
msg.payload=6;
}
}
else
{
if(msg.topic=='Light')
{
// console.log(inHome);
var val=parseInt(msg.payload.trim());
val=(val*100/1023);
console.log("light Intensity="+val+" %");
msg.payload=""+val;
/*
if(val<300)
{
msg.payload='1';
console.log('Bulb on Based on Sensor');
}
else
{
msg.payload='2';
console.log('Bulb Off');
}
*/

上面的代码描绘了，如果topic= light，那么我们将光照值计算为%。最大光照强度值为1023。它接收MQTT关于开（1）和关（2）的消息。

if(msg.topic=='Mic')
{
var val=parseInt(msg.payload.trim());
if(val>800)
{
msg.payload='5';
console.log('Person At Home');
}}
if(msg.topic=='Temperature')
{
var a=parseInt(msg.payload.trim());
var B=3975;
var temperature=1/(Math.log(resistance/10000.0)/B+1/298.15)
           -273.15;//convert to temperature via datashee
temperature=Math.floor(temperature * 100) / 100;
//setTimeout(Loop,1000);
console.log("temparature="+temperature);
msg.payload=""+temperature;
}
// msg.topic="Sensors";
// msg.payload=topic+":"+payload;
return msg;

在这里，它解析光照强度值，如果是光照，如果是麦克风，则是麦克风值，如果家中有人在喊叫而我不在，如果值大于800，那么我们就得到一条消息“有人在家”。这里，我们还计算了温度值。这里的温度是模拟值，但我们想要摄氏度。所以使用公式，我们计算出了摄氏度温度。现在消息将被返回到其输出模块。

此图显示了硬件控制模块。它显示了灯泡和蜂鸣器连接到哪些引脚。

var mraa=require('mraa'); 
var bulbPin=new mraa.Gpio(3); 
var lockPin=new mraa.Gpio(7); 
var buzzPin=new mraa.Gpio(2); 
lockPin.dir(mraa.DIR_OUT); bulbPin.dir(mraa.DIR_OUT); 
buzzPin.dir(mraa.DIR_OUT);
 var lockSensePin=new mraa.Aio(3); 
node.on("input", function(msg)
{

在这里，提供了整个控制。它显示了灯泡连接到哪个引脚；蜂鸣器连接到哪个引脚，即引脚2。所有这些引脚都具有输出方向以控制它们。

if(msg.payload=='1')
{
var lv=parseInt(lockSensePin.read());
bulbPin.write(1);
console.log("Bulb on");
}
if(msg.payload=='2')
{
bulbPin.write(0);
console.log("Bulb Off");
}
if(msg.payload=='4')
{
lockPin.write(1);
console.log("Door Lock");
}
if(msg.payload=='3')
{
lockPin.write(0);
console.log("Door UnLock");
}
if(msg.payload=='5')
{
node.send({topic: "Tweet", 
payload: "Intruder At Home[Sample Project]"+(new Date())})
buzzPin.write(1);
}
if(msg.payload=='6')
{
buzzPin.write(0);
}
if(msg.topic=="Temperature")
{
var val=Number(msg.payload);
}

每当麦克风值高时，即有人在家时，有效载荷设置为5。当有效载荷为5时，它应该发推特说“家中有人入侵”，并且蜂鸣器引脚将被激活。给出Stop命令来停止蜂鸣器。然后蜂鸣器引脚将被禁用。

MQTT模块

图：MQTT模块

异步地，它会不断检查您是否正在释放任何数据。这就是我们如何打开和关闭灯。并且它与输出模块连接。MQTT模块持续读取数据。它接收有效载荷和不同的主题。

LCD模块

图：LCD模块

结果

用户登录后，可以在PuTTY中执行。上图显示温度值和光照强度值正在变化。当家中发生火灾时，温度会升高。

Intel Edison与Arduino板

图：Intel Edison兼容Arduino板。

上图描绘了Intel Edison安装在兼容Arduino的板上。有不同的传感器连接到板上。还有一个继电器也连接到板上。可以看到板上的绿色指示灯，这意味着设备已开启。

连接建立

图：连接建立

执行后

图：通过Mqtt打开灯泡

图：Gmail通知

图：为入侵者警报生成的推文

此图描绘了灯已亮起，LED也已亮起。在LED上，我们可以看到“智能家居”。当从MQTT发出命令时，灯会亮起。通过Android手机发送ON消息，灯就亮了。

要执行代码，请使用本文提供的：

  • 解压文件夹
  • 上传到Intel Edison根目录
  • cd /home/root SmarHome
  • chmod 755 SmartHome.sh
  • ./SmarHome.sh

shell脚本将自动在您的Intel Edison上部署代码并运行服务器。
(注意：如果LCD未连接，服务器将因I2C致命错误而崩溃。)

结论

智能家居系统一直是自动化和嵌入式电子领域的热门领域，在过去几十年里，我们使用了各种不同的技术来产生警报、安全和自动化家居设备。包括使用射频技术，如红外设备、RC设备等。

智能家居系统还包含许多其他组件，如安全和安防，过去曾提出过许多安全设备，如火灾报警器和自动灭火器。大多数现有的报警系统都基于GSM和GPRS技术，这些技术延迟高且成本高昂，因为短信和语音邮件不是免费的。在这项工作中，我们提出了一种新颖的架构，通过物联网架构提供家庭安全和自动化。

所提出的系统可以在用户不在家时，在家庭发生火灾或发生入侵者时提醒用户。该系统还允许用户完全通过手机操作家里的电器。整个控制和通知系统都基于物联网基础设施，MQTT以及Gmail和Twitter都是免费网站，并且可以运行在Wi-Fi数据上。这大大降低了成本，因为这里不使用SMS和GPRS。

结果表明，所提出的系统达到了目标，能够以最小的延迟响应火灾和入侵者，并能同时将警报分发到多个渠道。

这项工作可以通过整合其他家居自动化概念进一步改进，例如通过面部识别和其他先进的机器学习技术实现家庭安全。还可以通过整合其他家用电器（如空调、洗衣机等）的控制来改进框架。

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