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全栈智能家居系统设计方案：STM32+Linux+多协议（MQTT、Zigbee、Z-Wave）通信+云平台集成

news 来源：原创 2024/9/20 17:42:58

1. 项目概述

随着物联网技术的快速发展,智能家居系统正在成为现代生活中不可或缺的一部分。本文介绍了一个基于STM32微控制器和Linux系统的智能家居解决方案,涵盖了硬件设计、软件架构、通信协议以及云平台集成等方面。

该系统具有以下特点:

采用STM32作为终端设备的控制核心,实现传感器数据采集和设备控制
使用Raspberry Pi作为网关,运行Linux系统,负责数据处理和云端通信
支持MQTT、CoAP等多种物联网通信协议
采用React构建用户友好的前端界面
后端采用Flask框架,提供RESTful API
集成AWS IoT云平台,实现远程监控和控制

2. 系统设计

2.1 硬件架构

系统的硬件架构如下图所示:

STM32终端设备: 负责采集传感器数据(如温度、湿度、光照等)和控制家电设备
Raspberry Pi网关: 运行Linux系统,作为边缘计算节点和协议转换网关
AWS IoT云平台: 提供设备管理、数据存储和分析等服务

2.2 软件架构

系统的软件架构采用分层设计,如下图所示:

3. 代码实现

3.1 STM32终端设备固件(C语言)

#include "stm32f4xx_hal.h"
#include "sensors.h"
#include "zigbee.h"// 定义传感器数据结构
typedef struct {float temperature;float humidity;uint16_t light;
} SensorData;// 主循环
void main(void) {// 初始化外设HAL_Init();Sensors_Init();Zigbee_Init();SensorData data;while(1) {// 读取传感器数据data.temperature = Sensors_ReadTemperature();data.humidity = Sensors_ReadHumidity();data.light = Sensors_ReadLight();// 通过Zigbee发送数据Zigbee_SendData(&data, sizeof(SensorData));// 检查是否有控制命令if (Zigbee_CommandAvailable()) {uint8_t command = Zigbee_GetCommand();ExecuteCommand(command);}// 延时1秒HAL_Delay(1000);}
}// 执行控制命令
void ExecuteCommand(uint8_t command) {switch(command) {case CMD_LIGHT_ON:GPIO_SetPin(LED_GPIO_Port, LED_Pin);break;case CMD_LIGHT_OFF:GPIO_ResetPin(LED_GPIO_Port, LED_Pin);break;case CMD_FAN_ON:GPIO_SetPin(FAN_GPIO_Port, FAN_Pin);break;case CMD_FAN_OFF:GPIO_ResetPin(FAN_GPIO_Port, FAN_Pin);break;default:// 未知命令，不做处理break;}
}

这段代码实现了STM32终端设备的主要功能：

初始化必要的硬件外设。
在主循环中，定期读取传感器数据（温度、湿度、光照）。
将采集到的数据通过Zigbee模块发送出去。
检查是否有incoming的控制命令，如果有则执行相应的操作（如开关灯、风扇等）。
使用HAL_Delay函数实现简单的定时采集。

3.2 Raspberry Pi网关程序(Python)

接下来，让我们实现Raspberry Pi网关的部分代码：

import paho.mqtt.client as mqtt
import json
from flask import Flask, request, jsonify
from zigbee_handler import ZigbeeHandler
from database import Databaseapp = Flask(__name__)
zigbee = ZigbeeHandler()
db = Database()
mqtt_client = mqtt.Client()# MQTT配置
MQTT_BROKER = "iot.eclipse.org"
MQTT_PORT = 1883
MQTT_TOPIC = "home/sensors"@app.route('/api/sensors', methods=['GET'])
def get_sensor_data():data = db.get_latest_sensor_data()return jsonify(data)@app.route('/api/control', methods=['POST'])
def control_device():command = request.json['command']device_id = request.json['device_id']zigbee.send_command(device_id, command)return jsonify({"status": "success"})def on_mqtt_connect(client, userdata, flags, rc):print(f"Connected with result code {rc}")client.subscribe(MQTT_TOPIC)def on_mqtt_message(client, userdata, msg):payload = json.loads(msg.payload)db.save_sensor_data(payload)# 将数据转发到AWS IoTaws_iot_client.publish("aws/home/sensors", json.dumps(payload))def zigbee_data_callback(data):# 处理从Zigbee接收到的数据mqtt_client.publish(MQTT_TOPIC, json.dumps(data))db.save_sensor_data(data)if __name__ == '__main__':# 设置MQTT客户端mqtt_client.on_connect = on_mqtt_connectmqtt_client.on_message = on_mqtt_messagemqtt_client.connect(MQTT_BROKER, MQTT_PORT, 60)mqtt_client.loop_start()# 设置Zigbee回调zigbee.set_data_callback(zigbee_data_callback)# 启动Flask应用app.run(host='0.0.0.0', port=5000)

这段代码实现了Raspberry Pi网关的主要功能：

使用Flask框架创建了一个简单的Web API，用于获取传感器数据和发送控制命令。
实现了MQTT客户端，用于接收和发布传感器数据。
集成了Zigbee处理模块，用于与STM32终端设备通信。
使用本地数据库存储传感器数据。
实现了数据转发功能，将数据发送到AWS IoT平台。

3.3 前端应用(React)

下面是一个简单的React组件，用于显示传感器数据和控制设备：

import React, { useState, useEffect } from 'react';
import axios from 'axios';const SmartHome = () => {const [sensorData, setSensorData] = useState(null);useEffect(() => {const fetchData = async () => {const result = await axios.get('/api/sensors');setSensorData(result.data);};fetchData();const interval = setInterval(fetchData, 5000); // 每5秒更新一次数据return () => clearInterval(interval);}, []);const controlDevice = async (deviceId, command) => {await axios.post('/api/control', { device_id: deviceId, command });};if (!sensorData) return <div>Loading...</div>;return (<div><h1>Smart Home Dashboard</h1><div><h2>Sensor Data</h2><p>Temperature: {sensorData.temperature}°C</p><p>Humidity: {sensorData.humidity}%</p><p>Light: {sensorData.light} lux</p></div><div><h2>Device Control</h2><button onClick={() => controlDevice('light', 'ON')}>Turn Light On</button><button onClick={() => controlDevice('light', 'OFF')}>Turn Light Off</button><button onClick={() => controlDevice('fan', 'ON')}>Turn Fan On</button><button onClick={() => controlDevice('fan', 'OFF')}>Turn Fan Off</button></div></div>);
};export default SmartHome;

3.4 AWS IoT云平台集成(Python)

以下是在Raspberry Pi网关上与AWS IoT云平台集成的Python代码示例:

import boto3
import json
from AWSIoTPythonSDK.MQTTLib import AWSIoTMQTTClient# AWS IoT配置
AWS_IOT_ENDPOINT = "xxxxxxxxxxxxxxx.iot.us-west-2.amazonaws.com"
AWS_IOT_CLIENT_ID = "raspberry_pi_gateway"
AWS_IOT_TOPIC = "home/sensors"
AWS_IOT_CERT_PATH = "/path/to/certificate.pem.crt"
AWS_IOT_KEY_PATH = "/path/to/private.pem.key"
AWS_IOT_ROOT_CA_PATH = "/path/to/root-CA.crt"# 初始化AWS IoT MQTT客户端
mqtt_client = AWSIoTMQTTClient(AWS_IOT_CLIENT_ID)
mqtt_client.configureEndpoint(AWS_IOT_ENDPOINT, 8883)
mqtt_client.configureCredentials(AWS_IOT_ROOT_CA_PATH, AWS_IOT_KEY_PATH, AWS_IOT_CERT_PATH)# 连接回调
def on_connect(self, params, rc):if rc == 0:print("Connected to AWS IoT")else:print(f"Connection failed with error code {rc}")# 消息回调
def on_message(client, userdata, message):payload = json.loads(message.payload.decode('utf-8'))print(f"Received message from AWS IoT: {payload}")# 处理来自云平台的命令if 'command' in payload:execute_command(payload['command'])# 连接到AWS IoT
mqtt_client.connect()
mqtt_client.subscribe(AWS_IOT_TOPIC, 1, on_message)# 发送数据到AWS IoT
def send_to_aws_iot(data):message = json.dumps(data)mqtt_client.publish(AWS_IOT_TOPIC, message, 1)print(f"Sent message to AWS IoT: {message}")# 使用AWS SDK创建IoT客户端
iot_client = boto3.client('iot-data')# 更新设备影子
def update_device_shadow(device_id, state):payload = json.dumps({"state": {"reported": state}})iot_client.update_thing_shadow(thingName=device_id,payload=payload)# 示例：发送传感器数据并更新设备影子
sensor_data = {"temperature": 25.5,"humidity": 60,"light": 500
}
send_to_aws_iot(sensor_data)
update_device_shadow("living_room_sensor", sensor_data)

这段代码实现了以下功能:

使用AWS IoT Python SDK配置并连接MQTT客户端。
实现了连接回调和消息接收回调函数。
提供了向AWS IoT发送数据的函数send_to_aws_iot。
使用boto3 SDK创建IoT客户端,用于更新设备影子。
实现了更新设备影子的函数update_device_shadow。

在实际应用中，你需要将这些函数集成到之前的Raspberry Pi网关代码中，例如：

在接收到来自STM32的传感器数据后，调用send_to_aws_iot函数将数据发送到AWS IoT平台。
同时，使用update_device_shadow函数更新相应设备的影子状态。
在处理来自AWS IoT的消息时，可以执行相应的控制命令。

以下是集成后的Raspberry Pi网关代码示例：

import paho.mqtt.client as mqtt
import json
from flask import Flask, request, jsonify
from zigbee_handler import ZigbeeHandler
from database import Database
from aws_iot_handler import send_to_aws_iot, update_device_shadow, mqtt_client as aws_mqtt_clientapp = Flask(__name__)
zigbee = ZigbeeHandler()
db = Database()
local_mqtt_client = mqtt.Client()# MQTT配置
MQTT_BROKER = "iot.eclipse.org"
MQTT_PORT = 1883
MQTT_TOPIC = "home/sensors"@app.route('/api/sensors', methods=['GET'])
def get_sensor_data():data = db.get_latest_sensor_data()return jsonify(data)@app.route('/api/control', methods=['POST'])
def control_device():command = request.json['command']device_id = request.json['device_id']zigbee.send_command(device_id, command)# 更新设备影子update_device_shadow(device_id, {"status": command})return jsonify({"status": "success"})def on_local_mqtt_connect(client, userdata, flags, rc):print(f"Connected to local MQTT broker with result code {rc}")client.subscribe(MQTT_TOPIC)def on_local_mqtt_message(client, userdata, msg):payload = json.loads(msg.payload)db.save_sensor_data(payload)# 将数据发送到AWS IoTsend_to_aws_iot(payload)# 更新设备影子update_device_shadow(payload['device_id'], payload)def zigbee_data_callback(data):# 处理从Zigbee接收到的数据local_mqtt_client.publish(MQTT_TOPIC, json.dumps(data))db.save_sensor_data(data)# 将数据发送到AWS IoTsend_to_aws_iot(data)# 更新设备影子update_device_shadow(data['device_id'], data)def aws_iot_command_callback(client, userdata, message):payload = json.loads(message.payload.decode('utf-8'))if 'command' in payload:device_id = payload.get('device_id')command = payload['command']zigbee.send_command(device_id, command)# 更新设备影子update_device_shadow(device_id, {"status": command})
if __name__ == '__main__':# 设置本地MQTT客户端local_mqtt_client.on_connect = on_local_mqtt_connectlocal_mqtt_client.on_message = on_local_mqtt_messagelocal_mqtt_client.connect(MQTT_BROKER, MQTT_PORT, 60)local_mqtt_client.loop_start()# 设置Zigbee回调zigbee.set_data_callback(zigbee_data_callback)# 设置AWS IoT MQTT客户端回调aws_mqtt_client.subscribe("home/commands", 1, aws_iot_command_callback)# 启动Flask应用app.run(host='0.0.0.0', port=5000)

这个完整的Raspberry Pi网关代码实现了以下功能：