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 MQTT中介broker。你可以在若干個程序中訂閱 MQTT 隊(duì)列并進(jìn)一步處理信息。

這個項(xiàng)目使用一個簡單的 Python 程序來運(yùn)行 Web 服務(wù)器，它發(fā)布一個 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)板時掛載的CIRCUITPYTHON根驅(qū)動器上創(chuàng)建一個code.py文件來啟動你的程序。CircuitPython 還為開發(fā)板提供了一個串行連接，包含一個交互式解釋器（REPL）會話，你可以使用 Python 代碼實(shí)時和開發(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。要完成這個示例項(xiàng)目，你會需要：

• 樹莓派 4：你需要一臺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 WiFi 擴(kuò)展板。
• 傳感器：Feather S2 有個內(nèi)置的環(huán)境光傳感器，所以我還需要一個溫濕度傳感器。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。

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。打開兩個終端（如果你是無界面運(yùn)行的話打開兩個 SSH 會話）：

在終端一輸入：

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

這條命令會啟動一個持續(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`

這條命令會向 mqtt/test隊(duì)列發(fā)布一條消息，它應(yīng)該會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。這些消息會永久丟失，但這不會阻止客戶端繼續(xù)發(fā)布消息。

打開第三個終端，訂閱下列隊(duì)列（你的控制器會發(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)控會用到它們。這些庫在 Adafruit 的 CircuitPython 庫合集中都有提供：

• adafruit_bus_device：一個帶有多個 .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 .mpy 文件
• adafruit_register：一個包文件夾
• adafruit_minimqtt：一個包文件夾
• adafruit_si7021：單個 .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 timeimport sslimport socketpoolimport wifiimport adafruit_minimqtt.adafruit_minimqtt as MQTTimport boardfrom digitalio import DigitalInOut, Direction, Pullfrom analogio import AnalogInimport 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-ordertry: from secrets import secretsexcept 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-namedef 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 poolpool = socketpool.SocketPool(wifi.radio) # Set up a MiniMQTT Clientmqtt_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 abovemqtt_client.on_connect = connectedmqtt_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 portsensor = 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。你可以有多個微控制器 傳感器來回報同一個系統(tǒng)的不同指標(biāo)或并行回報相同指標(biāo)的若干讀數(shù)。你還可以有多個不同進(jìn)程訂閱各個隊(duì)列，并行地對這些消息進(jìn)行回應(yīng)。甚至還可以有多個進(jìn)程訂閱相同的隊(duì)列，對消息做出不同的動作，比如數(shù)值過高時發(fā)送通知郵件或?qū)⑾l(fā)送到另一個 MQTT 隊(duì)列上去。

另一個選項(xiàng)是讓一個微控制器訂閱一個外部隊(duì)列，可以發(fā)送信號告訴微控制器做出動作，比如關(guān)閉或開始一個新會話。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 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 Web 服務(wù)器，它產(chǎn)生一個符合 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)行在同一個樹莓派 4 上的。

from prometheus_client import start_http_server, Gaugeimport randomimport timeimport paho.mqtt.client as mqttgauge = { \"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_secretsexcept ImportError: print(\"WiFi secrets are kept in secrets.py, please add them there!\") raisedef 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.Clientclient.username_pw_set(mqtt_secrets[\"mqtt_user\"],mqtt_secrets[\'mqtt_password\'])client.on_connect = on_connectclient.on_message = on_messageclient.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 微控制器這個項(xiàng)目的代碼，項(xiàng)目采用 MIT 許可證授權(quán)。

via: https://opensource.com/article/21/5/monitor-greenhouse-open-source

作者：Darin London選題：lujun9972譯者：alim0x校對：wxy

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