借助現(xiàn)代技術(shù)，創(chuàng)建一個完整的家庭自動化系統(tǒng)非常簡單，它允許您使用智能手機控制任何類型的負(fù)載。本文幫助您設(shè)計一個物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，讓您可以使用手機遠(yuǎn)程驅(qū)動伺服電機和 LED 二極管。該系統(tǒng)顯然可以擴展到任何其他類型的應(yīng)用程序。您會看到，使用 Raspberry Pi 和 MQTT 協(xié)議等嵌入式板卡構(gòu)建 IoT 對象并不難。

本文的目標(biāo)是設(shè)計一個適用于小型設(shè)備遠(yuǎn)程控制的系統(tǒng)。對于更高功率的電源，有必要構(gòu)建更強大的專用和隔離部分。該系統(tǒng)由以下組件組成（見圖1）：

無線路由器

Raspberry Pi 3 B+ 帶 Wi-Fi 連接

帶 HDMI 端口的電視

用于模擬小負(fù)載的 LED 二極管

伺服電機

帶有 MQTT 客戶端應(yīng)用程序的智能手機

圖 1：系統(tǒng)的組成部分

基礎(chǔ)知識

要理解這篇文章，以下基礎(chǔ)知識是必要的，以避免重復(fù)可能不必要地延長內(nèi)容的概念。目的是立即找到問題的解決方案：

電子知識的最低限度

Linux操作系統(tǒng)知識和主控制臺命令知識

對 Python 語言的最少了解

MQTT協(xié)議知識

Mosquitto 的基本知識

MQTT 協(xié)議 MQTT

的主要特點是它是一個發(fā)布/訂閱協(xié)議。在這種類型的發(fā)布/訂閱通信中，傳感器（或其他設(shè)備）將數(shù)據(jù)發(fā)布到稱為代理的中央系統(tǒng)。所有想要獲取此數(shù)據(jù)的設(shè)備都會訂閱代理，當(dāng)數(shù)據(jù)可用時，代理會向它們發(fā)送數(shù)據(jù)。我們的系統(tǒng)有以下幾個部分，如圖 2所示：

代理由 Raspberry Pi 代表。

訂閱者由 Raspberry Pi 代表。

發(fā)布者由適用于 Android 智能手機的 MQTT 客戶端應(yīng)用程序表示。

代理和訂閱者位于同一設(shè)備上。理論上，所有三個圖形也可以位于同一儀器中。

圖 2：MQTT 協(xié)議使用代理、訂閱者和發(fā)布者。

這個協(xié)議實現(xiàn)起來非常簡單；它不需要在路由器端打開門：Raspberry Pi 連接到外部（或本地）MQTT 服務(wù)器，啟動連接并等待命令。智能手機將命令發(fā)送（發(fā)布）到外部 MQTT 代理服務(wù)器，后者又將消息傳遞給 Raspberry Pi。當(dāng)然，我們也可以反方向發(fā)送 MQTT 消息。多虧了這個協(xié)議，我們不需要在 NAT 中打開端口，也不需要知道我們的公共 IP 地址。有幾個 MQTT 代理服務(wù)器，其中許多使用端口 1883。其中一些是：

mqtt.eclipse.org

test.mosquitto.org

mqtt.switch.cz

電氣原理

圖 原理上，接線圖非常簡單。顯然，這是一個通用配置。要將其應(yīng)用于實際案例，必須實施電源電路、隔離器、光隔離器和其他安全解決方案。在圖 3中，我們可以看到示意圖。在其中，我們可以找到 LED 二極管及其電阻，連接到引腳 32 （GPIO12）。伺服連接到引腳 2 （5 V PWR）、引腳 34 （GND） 和引腳 22 （GPIO25）。如果需要，可以通過低阻值電阻連接舵機的數(shù)據(jù)端。

圖 3：簡單的電氣原理圖

密切注意 Raspberry Pi 的引腳排列，檢查連接以避免危險錯誤很有用：如圖 4所示。通過打開終端窗口并運行命令，可以在 Raspberry Pi 上訪問方便的參考：

引出線

此工具由 GPIO Zero Python 庫提供，該庫默認(rèn)安裝在 Raspbian 桌面映像上，但不安裝在 Raspbian Lite 上。

圖 4：Raspberry Pi 的 GPIO 引腳排列及其實用程序“引腳排列”

客戶端 MQTT

您可以使用適用于智能手機、平板電腦或其他設(shè)備的 Android 或其他操作系統(tǒng)的任何類型的 MQTT 客戶端。我們用于這個項目的客戶端是 MyMQTT（圖 5），因為它非常簡單和快速。顯然，要執(zhí)行的第一個操作是配置代理的 IP 地址，在我們的例子中，它對應(yīng)于樹莓派的地址（例如，192.168.1.54）。您必須定義端口號，通常為 1883，以及可選的用戶名和密碼。您還可以使用遠(yuǎn)程代理地址。在代理地址中，我們必須配置以下消息，這些消息會觸發(fā)相應(yīng)的訂閱者操作：

主題：伺服；消息：開

主題：伺服；消息：關(guān)閉

主題：伺服；消息：閃爍

主題：伺服；消息：中心

主題：伺服；消息：左

主題：伺服；消息：對

主題：伺服；留言：你好

以下是創(chuàng)建的消息及其對訂閱者的影響的簡要說明。用戶可以創(chuàng)建自己的消息，但必須在接收程序中實現(xiàn)它們：

ON：此命令具有“打開”連接到樹莓派端口的 LED 二極管的功能。在這種情況下，LED 代表要遠(yuǎn)程控制的負(fù)載。對于穩(wěn)健的設(shè)備，需要構(gòu)建電源和隔離電路。

OFF：該指令具有關(guān)閉同一個 LED 的功能。

BLINK：該指令具有使 LED 二極管閃爍一定次數(shù)的功能。

CENTER：該指令具有使伺服電機的軸回到中心位置的功能。

LEFT：該指令具有使伺服電機的軸向左移動的功能。

RIGHT：該指令具有使伺服電機的軸回到正確位置的功能。

HELLO：此命令具有在電視上再現(xiàn)包含“Hello”一詞的音頻 .WAV 文件的功能。

?

圖 5：您可以為 Android 或其他操作系統(tǒng)使用任何類型的 MQTT 客戶端。

只需在手機上按下這些消息之一即可激活 Raspberry Pi 上的控件。

在 Raspberry Pi 上安裝 Mosquitto

您需要將 Raspberry Pi 連接到互聯(lián)網(wǎng)（通過電纜或 Wi-Fi）。對于 Mosquitto 和客戶端的安裝，必須從終端輸入以下命令：

sudo apt install mosquitto

如果您還需要客戶端，可以使用以下命令安裝它：

sudo apt install mosquitto-clients

訂閱者上的軟件

現(xiàn)在，讓我們看一下具有訂閱者功能的分析接收到的消息的軟件。首先，我們需要安裝 Paho-MQTT。它是 Eclipse 基金會開發(fā)的開源 Python MQTT 客戶端。Paho-MQTT 可以在任何支持 Python 的設(shè)備上運行。Paho Python Client 類提供了一些幫助函數(shù)，以便更輕松地將 MQTT 協(xié)議與 Python 語言一起使用。可以使用控制臺命令安裝它：

sudo pip install paho-mqtt

如前所述，項目要求是創(chuàng)建一個系統(tǒng)，通過使用智能手機，可用于控制 LED 二極管、伺服電機和音頻文件的再現(xiàn)。編程語言的選擇落在了 Python 上，因為它極其簡單，并且可以實現(xiàn)一些有用的 API 來完全控制 MQTT 協(xié)議。系統(tǒng)程序非常簡單。我們可以查看圖6所示的流程圖了解它是如何工作的。該程序用 Python 語言編寫，導(dǎo)入外部模塊，創(chuàng)建 MQTT 對象，連接到代理（本地或公共），訂閱主題“伺服”，并配置輸出端口。在無限循環(huán)中，條件會檢查發(fā)布者是否存在針對特定“主題”的消息。如果是這樣，將對連接到樹莓派的負(fù)載采取相應(yīng)的措施。

圖 6：程序流程圖

請記住，我們的消息路由的主題名稱是“Servo”。用 Python 語言編寫的完整且實用的源代碼附在文末。它的名字是“servo.py”。要開始執(zhí)行程序，請檢查 Mosquitto 是否正在運行，然后調(diào)用命令：

蟒蛇伺服.py

圖 7顯示了工作時的程序。由代理處理并由訂閱者接收的主題“伺服”的消息顯示在終端窗口上。

圖 7：訂閱者正在運行。

結(jié)論

MQTT 協(xié)議背后的哲學(xué)很容易理解。本文的目的是鼓勵設(shè)計人員創(chuàng)建一個使用 MQTT 協(xié)議的系統(tǒng)（圖 8）。事實上，很多時候，那些與電子打交道的人，尤其是初學(xué)者，不知道從哪里開始。使用 MQTT 協(xié)議實現(xiàn)一個完整且功能齊全的系統(tǒng)，非常適合物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，對于電子設(shè)計人員來說非常重要，通過自己的智能手機遠(yuǎn)程控制家中的設(shè)備將是一個令人滿意的項目。如果您使用公共代理來控制世界上任何距離的設(shè)備，最終結(jié)果將是驚人的，而且最重要的是非常有用。

圖 8：MQTT 協(xié)議測試