Умный дом на ESP32 через протокол MQTT

10.06.2019Вольтик.руИнтернет вещей, Подключение модулей Arduino, Разное10

На данный момент существует много протоколов для Интернета вещей: CoAP, MQTT, AMQP… В этом руководстве познакомимся с протоколом MQTT – это один из хорошо известных протоколов Интернета вещей. Он предназначен для управления данными и их передачи между устройствами в сети Интернета вещей.

MQTT расшифровывается как Message Queuing Telemetry Transport (Передача телеметрии очередью сообщений).

Протокол имеет следующие основные особенности:

используется механизм издатель/подписчик/топик;
асинхронный протокол;
компактные пакеты;
работает поверх стека TCP/IP;
требуется меньшая пропускная способность сети и может работать в условиях нестабильного канала передачи данных.

В основе работы протокола MQTT лежит традиционная модель клиент-сервер. Согласно этой модели, есть один сервер (также называемый брокером) и много клиентов. Клиенты всегда поддерживают связь с сервером. Задачами сервера (брокера) являются фильтрация и передача сообщений для клиентов-подписчиков.

Связь между клиентами основана на механизме издатель / подписчик / топик, в котором:

сообщениям присваивают топик;
издатель отправляет сообщения в сеть;
подписчик ожидает сообщения, содержащие нужный ему топик;
брокер координирует связь между издателями и подписчиками.

Топик представляет собой строку символов в кодировке UTF‑8 и состоит из одного или нескольких уровней, которые разделены между собой символом «/». Например: «этаж1 / комната1 / температура»: этот топик состоит из трёх уровней, лёгко понимаемых человеком (это этаж 1, комната 1 и температурный датчик).

Кроме этого существуют ещё некоторые термины, о которых необходимо знать:

QoS (Quality of Service – качество обслуживания): неформально, этот показатель обозначает вероятность прохождения пакета между двумя точками сети. Существуют следующие модели QoS:

QoS 0 — на этом уровне издатель отправляет пакет брокеру без подтверждения доставки (этот уровень самый быстрый, но ненадёжный);
QoS 1 — на этом уровне пакеты гарантированно доставляется брокеру, но существует вероятность дублирования сообщения от издателя. После получения дублированного сообщеня брокер заново делает рассылку подписчикам, издателю снова отправляет сообщение о получении. В случае если издатель не получает PUBACK сообщения от брокера, то осущуствляется повторная отправка пакета, а DUP присваивается значение “1”. Этот уровень используется по умолчанию.
QoS 2 — гарантируется доставка сообщений подписчику и исключается вероятность дублирования отправленных пакетов. Здесь издатель отправляет пакет брокеру. Указывается уникальный PacketID, QoS=2 и DUP присваевается значение “0”. До тех пор, пока от брокера не получен ответ PUBREC издатель хранит сообщение неподтверждённым. Брокер должен ответить сообщением PUBREC, которое содержит тот же PacketID. ПРосле того, как пакет получен, издатель отправляет с тем же PacketID PUBREL. Пока брокер не получил PUBREL он хранит пакет у себя. После получения PUBREL копия сообщения удаляется, а издателю отправляется PUBCOMP об успешном завершении транзакции. Это самый надёжный уровень, но самый медленный.

Сохраняемые сообщения: брокер сохраняет такие сообщения после отправки, поэтому если появиться новый подписчик, интересующийся топиком этого сообщения, то оно будет отправлено ему.

Большинство библиотек, реализующих протокол MQTT, определяют несколько стандартных методов, таких как:

Connect(): подключиться к серверу.
Disconnect(): отключиться от сервера.
Subscribe(): подписаться на топик сообщений, идущих от сервера.
UnSubscribe(): отписаться от топика сообщений, идущих от сервера.
Publish(): публикация клиентом топика в сеть.

Для демонстрационного примера мы создали простую сеть для Умного дома с тремя узлами-клиентами (смартфон, микропроцессорное управляющее устройство с интерфейсом Wi‑Fi и датчиком температуры, микропроцессорное управляющее устройство с интерфейсом Wi‑Fi и светодиодом (лампой)) и одним узлом-сервером, служащим в качестве брокера (ПК или плата Raspberry Pi).

В нашем случае мы хотим использовать смартфон для отслеживания температуры и управления (включение и выключение) светодиодом или лампой. Поэтому мы создали систему с реализацией протокола MQTT, описанную ниже.

Создание Умного дома на основе Arduino ESP32 и протокола MQTT

Необходимые компоненты для работы модели

Для этого руководства вам понадобятся следующие элементы:

Чтобы реализовать описанную выше модель, объединим Узел2 и Узел3 в один узел, который будет представлять собой микроконтроллер ESP32 с датчиком DHT22 и светодиодом (лампой).

Схема подключения компонентов

Соедините элементы, как показано на нижеследующей схеме, созданной с помощью программы Fritzing (полный обзор программы по ссылке). Выводы VCC и GND датчика DHT22 (напряжение питания 3,3 В) с выводами VCC (3,3 В) и GND микроконтроллера ESP32.

[ESP32 IO15 — DHT22 DATA]
[ESP32 IO2 — LED ANODE]
[ESP32 GND — LED CATHODE]

Необходимое программное обеспечение

Сторона клиента по протоколу MQTT

Узел смартфона: в проекте будем использовать смартфон с ОС Android с приложением, реализующим клиента по протоколу MQTT (IoT MQTT Dashboard) и доступным в магазине Google Play. Вы можете скачать его по ссылке.

Узел с микроконтроллером ESP2: будем использовать библиотеку, реализующую клиента по протоколу MQTT (Pubsubclient). Вы можете скачать её по ссылке.

Далее разархивируйте файл и скопируйте его в папку с библиотеками «Arduino/libraries».

Эта библиотека поддерживает некоторые стандартные функции, упомянутые выше. Чтобы их использовать, мы создаём экземпляр библиотеки PubSubClient client(wifiClient). Поскольку протокол MQTT работает поверх стека TCP/IP, мы передаём конструктору объект WiFiClient, представляющий этот стек.

Сторона сервера по протоколу MQTT

В проекте используется популярная реализация сервера MQTT под названием Mosquito. Вы можете скачать и установить её по ссылке.

Примечание: при установке сервера Mosquito также устанавливаются две клиентские программы под названием «mosquitt_sub» и «mosquito_pub», которые можно использовать для отладки.

Например:

Для отслеживания всех топиков в сети используйте:
mosquitto_sub -v -h broker_ip -p 1883 -t «#” (измените broker_ip на IP-адрес сервера Mosquito).
Чтобы опубликовать топик (топик room1/temp (комната1/темпер) со значением 30), используйте:
mosquitto_pub -t ‘room1/temp’ -m 30

Назначение ролей

Определяем топики:

Топик 1: smarthome/room1/bulb #value (смартфон/комната1/лампа #значение): значение может быть 0 или 1, это означает вкл. и выкл. состояния светодиода (лампы).

Топик 2: smarthome/room1/temperature #value (смартфон/комната1/температура #значение): значение является числом с плавающей запятой и выражает температуру.

Пример: smarthome/room1/temperature 30.

Используя эти топики, узел смартфона может подписываться на Топик 2 и публиковать Топик 1. Узел ESP32 может публиковать Топик 2 и подписываться на Топик 1.

Запускаем систему

/* Here ESP32 will keep 2 roles: 
1/ read data from DHT11/DHT22 sensor
2/ control led on-off
So it willpublish temperature topic and scribe topic bulb on/off
*/

#include <WiFi.h>
#include <PubSubClient.h>
#include "DHT.h"

/* change it with your ssid-password */
const char* ssid = "dd-wrt";
const char* password = "0000000000";
/* this is the IP of PC/raspberry where you installed MQTT Server 
on Wins use "ipconfig" 
on Linux use "ifconfig" to get its IP address */
const char* mqtt_server = "192.168.1.103";

/* define DHT pins */
#define DHTPIN 14
#define DHTTYPE DHT22
DHT dht(DHTPIN, DHTTYPE);
float temperature = 0;

/* create an instance of PubSubClient client */
WiFiClient espClient;
PubSubClient client(espClient);

/*LED GPIO pin*/
const char led = 12;

/* topics */
#define TEMP_TOPIC    "smarthome/room1/temp"
#define LED_TOPIC     "smarthome/room1/led" /* 1=on, 0=off */

long lastMsg = 0;
char msg[20];

void receivedCallback(char* topic, byte* payload, unsigned int length) {
  Serial.print("Message received: ");
  Serial.println(topic);

  Serial.print("payload: ");
  for (int i = 0; i < length; i++) {
    Serial.print((char)payload[i]);
  }
  Serial.println();
  /* we got '1' -> on */
  if ((char)payload[0] == '1') {
    digitalWrite(led, HIGH); 
  } else {
    /* we got '0' -> on */
    digitalWrite(led, LOW);
  }

}

void mqttconnect() {
  /* Loop until reconnected */
  while (!client.connected()) {
    Serial.print("MQTT connecting ...");
    /* client ID */
    String clientId = "ESP32Client";
    /* connect now */
    if (client.connect(clientId.c_str())) {
      Serial.println("connected");
      /* subscribe topic with default QoS 0*/
      client.subscribe(LED_TOPIC);
    } else {
      Serial.print("failed, status code =");
      Serial.print(client.state());
      Serial.println("try again in 5 seconds");
      /* Wait 5 seconds before retrying */
      delay(5000);
    }
  }
}

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  // We start by connecting to a WiFi network
  Serial.println();
  Serial.print("Connecting to ");
  Serial.println(ssid);

  WiFi.begin(ssid, password);

  while (WiFi.status() != WL_CONNECTED) {
    delay(500);
    Serial.print(".");
  }
  /* set led as output to control led on-off */
  pinMode(led, OUTPUT);

  Serial.println("");
  Serial.println("WiFi connected");
  Serial.println("IP address: ");
  Serial.println(WiFi.localIP());

  /* configure the MQTT server with IPaddress and port */
  client.setServer(mqtt_server, 1883);
  /* this receivedCallback function will be invoked 
  when client received subscribed topic */
  client.setCallback(receivedCallback);
  /*start DHT sensor */
  dht.begin();
}
void loop() {
  /* if client was disconnected then try to reconnect again */
  if (!client.connected()) {
    mqttconnect();
  }
  /* this function will listen for incomming 
  subscribed topic-process-invoke receivedCallback */
  client.loop();
  /* we measure temperature every 3 secs
  we count until 3 secs reached to avoid blocking program if using delay()*/
  long now = millis();
  if (now - lastMsg > 3000) {
    lastMsg = now;
    /* read DHT11/DHT22 sensor and convert to string */
    temperature = dht.readTemperature();
    if (!isnan(temperature)) {
      snprintf (msg, 20, "%lf", temperature);
      /* publish the message */
      client.publish(TEMP_TOPIC, msg);
    }
  }
}

100

101

102

103

104

105

106

107

108

109

110

111

112

113

114

115

116

117

118

119

120

121

122

123

124

125

126

127

128

129

/* Here ESP32 will keep 2 roles:

1/ read data from DHT11/DHT22 sensor

2/ control led on-off

So it willpublish temperature topic and scribe topic bulb on/off

#include <WiFi.h>

#include <PubSubClient.h>

#include "DHT.h"

/* change it with your ssid-password */

const char* ssid = "dd-wrt";

const char* password = "0000000000";

/* this is the IP of PC/raspberry where you installed MQTT Server

on Wins use "ipconfig"

on Linux use "ifconfig" to get its IP address */

const char* mqtt_server = "192.168.1.103";

/* define DHT pins */

#define DHTPIN 14

#define DHTTYPE DHT22

DHT dht(DHTPIN, DHTTYPE);

float temperature = 0;

/* create an instance of PubSubClient client */

WiFiClient espClient;

PubSubClient client(espClient);

/*LED GPIO pin*/

const char led = 12;

/* topics */

#define TEMP_TOPIC "smarthome/room1/temp"

#define LED_TOPIC "smarthome/room1/led" /* 1=on, 0=off */

long lastMsg = 0;

char msg[20];

void receivedCallback(char* topic, byte* payload, unsigned int length) {

Serial.print("Message received: ");

Serial.println(topic);

Serial.print("payload: ");

for (int i = 0; i < length; i++) {

Serial.print((char)payload[i]);

}

Serial.println();

/* we got '1' -> on */

if ((char)payload[0] == '1') {

digitalWrite(led, HIGH);

} else {

/* we got '0' -> on */

digitalWrite(led, LOW);

}

void mqttconnect() {

/* Loop until reconnected */

while (!client.connected()) {

Serial.print("MQTT connecting ...");

/* client ID */

String clientId = "ESP32Client";

/* connect now */

if (client.connect(clientId.c_str())) {

Serial.println("connected");

/* subscribe topic with default QoS 0*/

client.subscribe(LED_TOPIC);

} else {

Serial.print("failed, status code =");

Serial.print(client.state());

Serial.println("try again in 5 seconds");

/* Wait 5 seconds before retrying */

delay(5000);

}

void setup() {

Serial.begin(115200);

// We start by connecting to a WiFi network

Serial.println();

Serial.print("Connecting to ");

Serial.println(ssid);

WiFi.begin(ssid, password);

while (WiFi.status() != WL_CONNECTED) {

delay(500);

Serial.print(".");

}

/* set led as output to control led on-off */

pinMode(led, OUTPUT);

Serial.println("");

Serial.println("WiFi connected");

Serial.println("IP address: ");

Serial.println(WiFi.localIP());

/* configure the MQTT server with IPaddress and port */

client.setServer(mqtt_server, 1883);

/* this receivedCallback function will be invoked

when client received subscribed topic */

client.setCallback(receivedCallback);

/*start DHT sensor */

dht.begin();

}

void loop() {

/* if client was disconnected then try to reconnect again */

if (!client.connected()) {

mqttconnect();

}

/* this function will listen for incomming

subscribed topic-process-invoke receivedCallback */

client.loop();

/* we measure temperature every 3 secs

we count until 3 secs reached to avoid blocking program if using delay()*/

long now = millis();

if (now - lastMsg > 3000) {

lastMsg = now;

/* read DHT11/DHT22 sensor and convert to string */

temperature = dht.readTemperature();

if (!isnan(temperature)) {

snprintf (msg, 20, "%lf", temperature);

/* publish the message */

client.publish(TEMP_TOPIC, msg);

}

На смартфоне с ОС Android откройте приложение IoT MQTT Dashboard и выполните представленные ниже шаги, чтобы настроить и запустить клиента MQTT:

Задайте параметры сервера MQTT, к которому будем подключаться.

После задания параметров сервера выберите его.

Выберите вкладку «Subscribe» (Подписаться) и создайте топик «temp» (температура).

Выберите вкладку «Publish» (Опубликовать) чтобы создать «Switch» (Выключатель) для переключения светодиода.

Заполните данные топика «led» типа «Switch» (Выключатель).

После выполнения всех шагов можно посмотреть на графический интерфейс вкладки «Publish» (Опубликовать) с одним переключателем «Switch».

Вы также можете увидеть, как смартфон получает температуру посредством топика «temp».

Самые популярные материалы в блоге

За все время

За сегодня

Вольтик.ру

Вольтик - это слаженная команда амбициозных и заядлых инженеров. Мы создали этот проект с целью вовлечения вас, талантливых и начинающих профессионалов, в увлекательный мир мейкерской микроэлектроники!

10 комментариев. Оставить новый

Andrey

12.11.2019 11:30

Как рас занимаюсь тем же вопросом, на том же железе. Статья – огонь, спасибо )

Ответить

Валерий

15.11.2019 15:36

“#define DHTPIN 14 ?
#define DHTTYPE DHT22” сомневаюсь в назначении пина,ранее было указано
[ESP32 IO15 — DHT22 DATA] на плате NodeMCU Lua ESP8266 это D8. Не ошибка, ли?

Ответить

Вольтик.ру

19.11.2019 21:28

Верно указали. Распиновка, в зависимости от версии отладочной платы может различаться. Лучше ориентироваться на распиновку непосредственно той платы, которую используете в проекте.

Ответить

sccp

28.11.2019 17:54

Топик 1: smarthome/room1/bulb #value (смартфон/комната1/лампа #значение)
smarthome – это умный дом, не смартфон

Ответить

Игорь

24.05.2020 22:50

Просто спасибо !)

Ответить

Илдар

07.08.2020 06:45

Компилятор ругается на строку – WiFi.begin(ssid, password);
“exit status 1
invalid conversion from ‘const char*’ to ‘char*’ [-fpermissive]”

Ответить

Вольтик.ру

07.08.2020 17:15

Здравствуйте! Ругается, потому что в данной строке надо ввести доступы к своей сети, к которой желаете подключить контроллер

Ответить

Александр

17.10.2022 09:12

Здравствуйте. Я вот не понимаю, зачем огород городить с MQTT? Если данные можно передать\получить используя, например, личный сайт? В скрипте потребуется написать всего лишь шесть строк кода для передачи\получения. У меня так управление с Алисой организовано.

Ответить

Вольтик.ру

23.10.2022 16:49

Здравствуйте! Как-бы статья посвящена протоколу MQTT, поэтому речь и идет о нем.

Ответить