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使用微控制器、傳感器、Python 以及 MQTT 持續(xù)追蹤溫室的溫度、濕度以及環(huán)境光。

CircuitPython 提供了一種和微控制器板進(jìn)行交互的革命性方式。這篇文章介紹了如何使用 CircuitPython 來監(jiān)測溫室的溫度、濕度以及環(huán)境光，并且使用 CircuitPython MQTT 客戶端將結(jié)果發(fā)布到一個(gè) MQTT 中介broker。你可以在若干個(gè)程序中訂閱 MQTT 隊(duì)列并進(jìn)一步處理信息。

這個(gè)項(xiàng)目使用一個(gè)簡單的 Python 程序來運(yùn)行 Web 服務(wù)器，它發(fā)布一個(gè) Prometheus 格式的采集端點(diǎn)，拉取監(jiān)控指標(biāo)到 Prometheus 進(jìn)行不間斷的監(jiān)控。

關(guān)于 CircuitPython

CircuitPython 是一個(gè)由 Adafruit 創(chuàng)建的開源 Python 發(fā)行版，用于運(yùn)行在低成本微控制器開發(fā)板上。CircuitPython 為與 兼容的開發(fā)板 的交互提供了簡單的開發(fā)體驗(yàn)。你可以在連接你的開發(fā)板時(shí)掛載的 CIRCUITPYTHON 根驅(qū)動(dòng)器上創(chuàng)建一個(gè) code.py 文件來啟動(dòng)你的程序。CircuitPython 還為開發(fā)板提供了一個(gè)串行連接，包含一個(gè)交互式解釋器（REPL）會(huì)話，你可以使用 Python 代碼實(shí)時(shí)和開發(fā)板進(jìn)行交互。

Adafruit 的網(wǎng)站提供了大量的文檔，可以幫助你開始使用 CircuitPython。首先，參考下《歡迎來到 CircuitPython》指南。這份指南能夠幫助你開始使用 CircuitPython 在開發(fā)板上運(yùn)行代碼以及和 REPL 交互。它還記錄了如何安裝 Adafruit 的 CircuitPython 庫合集和范例，可以用在它出售的許多開發(fā)板和傳感器上。接下來，閱讀《CircuitPython 基礎(chǔ)》指南來學(xué)習(xí)更多關(guān)于其功能的信息，里面還有鏈接指向在特定及兼容的開發(fā)板上使用 CircuitPython 的相關(guān)信息。最后，就如所有開源軟件一樣，你可以深入 CircuitPython 的源碼，發(fā)布議題，以及做出貢獻(xiàn)。

微控制器設(shè)置

微控制器系統(tǒng)非常簡單。要完成這個(gè)示例項(xiàng)目，你會(huì)需要：

• 樹莓派 4：你需要一臺(tái)電腦來給微控制器系統(tǒng)編程，我用的是樹莓派 4。
• CircuitPython 兼容的微控制器：我用的是 Adafruit Feather S2，帶有內(nèi)置 WiFi，環(huán)境光傳感器，Qwiic 線纜輸入。
• 微控制器 WiFi：Feather S2 內(nèi)置了 WiFi。如果你的微控制器沒有，你需要給開發(fā)板找個(gè) WiFi 擴(kuò)展板。
• 傳感器：Feather S2 有個(gè)內(nèi)置的環(huán)境光傳感器，所以我還需要一個(gè)溫濕度傳感器。有很多不同廠商的產(chǎn)品可以選擇，包括 Adafruit、SparkFun、亞馬遜。我用的是一個(gè) Adafruit 傳感器，帶有 Feather S2 輸入兼容的 Qwiic 線纜。盡管多數(shù) SparkFun 傳感器可以在 Adafruit 庫下工作，但如果你不是從 Adafruit 購買的傳感器，你可能還是需要自己去找到它兼容 CircuitPython 的 Python 庫。
• 跳線和線纜：為了避免使用面包板或焊接，我使用 Adafruit Qwiic 線纜。SparkFun 銷售的包含不同長度的線纜套裝中也有它。

在將微控制器連接到你的電腦之前，將傳感器連接到微控制器上。

將傳感器連接到微控制器上

現(xiàn)在你可以將微控制器用 USB 數(shù)據(jù)線連接到你的電腦。

MQTT 中介

你可以使用 這份說明 來在樹莓派的系統(tǒng)上安裝 Mosquitto MQTT 中介 和 Mosquitto 客戶端。如果你想把樹莓派做為長期服務(wù)器使用，在你的網(wǎng)絡(luò)上給樹莓派 4 設(shè)置一個(gè)靜態(tài) IP 地址。Mosquitto 中介運(yùn)行起來之后，創(chuàng)建一份 用戶名/密碼文件，設(shè)置客戶端向中介發(fā)布和訂閱消息時(shí)用的認(rèn)證信息。

你可以用樹莓派上的 Mosquitto 客戶端來測試 MQTT 中介。打開兩個(gè)終端（如果你是無界面運(yùn)行的話打開兩個(gè) SSH 會(huì)話）：

在終端一輸入：

mosquitto_sub -h localhost -u $user -P $pass -t "mqtt/test"

這條命令會(huì)啟動(dòng)一個(gè)持續(xù)運(yùn)行的進(jìn)程，監(jiān)聽發(fā)布到 mqtt/test 隊(duì)列的消息。

在終端二輸入：

mosquitto_pub -h localhost -u $user -P $pass -t "mqtt/test" -m hello`

這條命令會(huì)向 mqtt/test 隊(duì)列發(fā)布一條消息，它應(yīng)該會(huì)顯示在終端一的輸出里。

現(xiàn)在你可以中止終端一運(yùn)行的 sub 命令了。

Mosquitto 中介允許客戶端發(fā)布消息到任何隊(duì)列，甚至沒有任何訂閱的隊(duì)列也可以。這些消息會(huì)永久丟失，但這不會(huì)阻止客戶端繼續(xù)發(fā)布消息。

打開第三個(gè)終端，訂閱下列隊(duì)列（你的控制器會(huì)發(fā)布消息到這些隊(duì)列上）：

• greenhouse/temperature
• greenhouse/light
• greenhouse/humidity

給微控制器編碼

現(xiàn)在你已經(jīng)準(zhǔn)備好給微控制器編碼，發(fā)布它的監(jiān)測指標(biāo)到樹莓派 4 上運(yùn)行的 MQTT 中介上了。

Adafruit 有 出色的文檔，指導(dǎo)你使用 CircuitPython 庫合集 的庫來將你的微控制器連接到 WiFi 路由器，并發(fā)布監(jiān)測指標(biāo)到 MQTT 中介上。

安裝下列庫到 CIRCUITPYTHON/lib 目錄，溫室監(jiān)控會(huì)用到它們。這些庫在 Adafruit 的 CircuitPython 庫合集中都有提供：

• adafruit_bus_device：一個(gè)帶有多個(gè) .mpy 文件的 Python 包文件夾（.mpy 是經(jīng)過壓縮的 Python 文件，用以節(jié)省空間）
• adafruit_requests：單個(gè) .mpy 文件
• adafruit_register：一個(gè)包文件夾
• adafruit_minimqtt：一個(gè)包文件夾
• adafruit_si7021：單個(gè) .mpy 文件，用來支持溫濕度傳感器

庫裝好了之后，將以下代碼寫入 CIRCUITPYTHON 文件夾的 code.py 文件中：

import time
import ssl
import socketpool
import wifi
import adafruit_minimqtt.adafruit_minimqtt as MQTT
import board
from digitalio import DigitalInOut, Direction, Pull
from analogio import AnalogIn
import adafruit_si7021
 
# Add a secrets.py to your filesystem that has a dictionary called secrets with "ssid" and
# "password" keys with your WiFi credentials. DO NOT share that file or commit it into Git or other
# source control.
# pylint: disable=no-name-in-module,wrong-import-order
try:
        from secrets import secrets
except ImportError:
        print("WiFi secrets are kept in secrets.py, please add them there!")
        raise
 
print("Connecting to %s" % secrets["ssid"])
wifi.radio.connect(secrets["ssid"], secrets["password"])
print("Connected to %s!" % secrets["ssid"])
### Feeds ###
light_feed = "greenhouse/light"
temp_feed = "greenhouse/temperature"
humidity_feed = "greenhouse/humidity"
 
# Define callback methods which are called when events occur
# pylint: disable=unused-argument, redefined-outer-name
def connected(client, userdata, flags, rc):
        # This function will be called when the client is connected
        # successfully to the broker.
        print("Connected to MQTT!")
 
def disconnected(client, userdata, rc):
        # This method is called when the client is disconnected
        print("Disconnected from MQTT!")
 
 
def get_voltage(pin):
        return (pin.value * 3.3) / 65536
 
# Create a socket pool
pool = socketpool.SocketPool(wifi.radio)
 
# Set up a MiniMQTT Client
mqtt_client = MQTT.MQTT(
        broker=secrets["broker"],
        port=secrets["port"],
        username=secrets["aio_username"],
        password=secrets["aio_key"],
        socket_pool=pool,
        ssl_context=ssl.create_default_context(),
)
 
# Setup the callback methods above
mqtt_client.on_connect = connected
mqtt_client.on_disconnect = disconnected
 
# Connect the client to the MQTT broker.
print("Connecting to MQTT...")
mqtt_client.connect()
 
# Create library object using our Bus I2C port
sensor = adafruit_si7021.SI7021(board.I2C())
light_pin = AnalogIn(board.IO4)
 
while True:
        # Poll the message queue
        mqtt_client.loop()
 
        # get the current temperature
        light_val = get_voltage(light_pin)
        temp_val = ((sensor.temperature * 9)/5) + 32
        humidity_val = sensor.relative_humidity
 
        # Send a new messages
        mqtt_client.publish(light_feed, light_val)
        mqtt_client.publish(temp_feed, temp_val)
        mqtt_client.publish(humidity_feed, humidity_val)
        time.sleep(0.5)

保存你的代碼。然后連接到串行監(jiān)視器，看程序連接到你的 MQTT 中介。你還可以將樹莓派 4 上的終端切換到訂閱了它的發(fā)布隊(duì)列的終端來查看輸出。

處理監(jiān)測指標(biāo)

像 MQTT 這樣的發(fā)布/訂閱工作流給微控制器系統(tǒng)提供了諸多好處。你可以有多個(gè)微控制器 + 傳感器來回報(bào)同一個(gè)系統(tǒng)的不同指標(biāo)或并行回報(bào)相同指標(biāo)的若干讀數(shù)。你還可以有多個(gè)不同進(jìn)程訂閱各個(gè)隊(duì)列，并行地對這些消息進(jìn)行回應(yīng)。甚至還可以有多個(gè)進(jìn)程訂閱相同的隊(duì)列，對消息做出不同的動(dòng)作，比如數(shù)值過高時(shí)發(fā)送通知郵件或?qū)⑾l(fā)送到另一個(gè) MQTT 隊(duì)列上去。

另一個(gè)選項(xiàng)是讓一個(gè)微控制器訂閱一個(gè)外部隊(duì)列，可以發(fā)送信號告訴微控制器做出動(dòng)作，比如關(guān)閉或開始一個(gè)新會(huì)話。最后，發(fā)布/訂閱工作流對低功耗微控制器系統(tǒng)更佳（比如那些使用電池或太陽能的系統(tǒng)），因?yàn)檫@些設(shè)備可以在更長的延遲周期后批量發(fā)布監(jiān)測指標(biāo)，并在回報(bào)的間隔期間關(guān)閉大量消耗電量的 WiFi 廣播。

要處理這些監(jiān)測指標(biāo)，我創(chuàng)建了一個(gè) Python 客戶端，使用 Paho Python MQTT 客戶端 訂閱監(jiān)測指標(biāo)隊(duì)列。我還使用官方的 Prometheus Python 客戶端 創(chuàng)建了一個(gè) Web 服務(wù)器，它產(chǎn)生一個(gè)符合 Prometheus 標(biāo)準(zhǔn)的采集端點(diǎn)，使用這些監(jiān)測指標(biāo)作為面板信息。Prometheus 服務(wù)器和 Mosquitto MQTT 中介我都是運(yùn)行在同一個(gè)樹莓派 4 上的。

from prometheus_client import start_http_server, Gauge
import random
import time
import paho.mqtt.client as mqtt
 
gauge = {
  "greenhouse/light": Gauge('light','light in lumens'),
  "greenhouse/temperature": Gauge('temperature', 'temperature in fahrenheit'),
  "greenhouse/humidity": Gauge('humidity','relative % humidity')
}
 
try:
        from mqtt_secrets import mqtt_secrets
except ImportError:
        print("WiFi secrets are kept in secrets.py, please add them there!")
        raise
 
def on_connect(client, userdata, flags, rc):
        print("Connected with result code "+str(rc))
        # Subscribing in on_connect() means that if we lose the connection and
        # reconnect then subscriptions will be renewed.
        client.subscribe("greenhouse/light")
        client.subscribe('greenhouse/temperature')
        client.subscribe('greenhouse/humidity')
 
def on_message(client, userdata, msg):
        topic = msg.topic
        payload = msg.payload
        gauge[topic].set(payload)
 
client = mqtt.Client()
client.username_pw_set(mqtt_secrets["mqtt_user"],mqtt_secrets['mqtt_password'])
client.on_connect = on_connect
client.on_message = on_message
client.connect('localhost',1883,60)
 
if __name__ == '__main__':
        # Start up the server to expose the metrics.
 
        client = mqtt.Client()
        client.username_pw_set('london','abc123')
        client.on_connect = on_connect
        client.on_message = on_message
        client.connect('localhost',1883,60)
 
        start_http_server(8000)
        client.loop_forever()

然后我配置 Prometheus 服務(wù)器采集端點(diǎn)數(shù)據(jù)到 localhost:8000。

你可以在 Github 上訪問 溫室 MQTT 微控制器 這個(gè)項(xiàng)目的代碼，項(xiàng)目采用 MIT 許可證授權(quán)。