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使用Python来做物联网

2018-10-11  本文已影响1286人  IEEE1364

搭建整套物联网系统的方法有很多，最近四处捣鼓，使用python + 阿里云搭建一套最简单的物联系统，可以将单片机上的数据通过阿里云传输到PC端。

一、基本结构

先看架构图


框架.png

二、设备端接入

物联网终端是用的ESP32，是一款自带蓝牙和Wifi的单片机。利用它可以直接接入互联网，无需其他模块。当然你可以将现在流行的NB-Iot模块来联网，不过需要自己写一下驱动程序。我买的模块是支持micropython开发的，在淘宝上可以搜索到，用起来很方便。有时间我会补上这一块的初步教程。


ESP32模块.jpg

Micropython是可以在低端硬件上运行的python,可以使用python语言直接操作IO 和MCU的外设比如UART、I2C等，用起来非常方便，不要搭建复杂的开发环境，也不需要学习寄存器配置。作为一个对传统MCU开发非常熟悉的硬件工程师来说，感觉操作起来非常简单。目前Micropython已经支持很多硬件了，应该用比较广泛的STM32部分系列也被支持。Micropython也已经支持很多常用的库，比如蓝牙，telnet，mqtt等。下面这个链接是micropython的中文论坛。
http://www.micropython.org.cn/bbs/forum.php

ESP32 通过wifi 接入互联网，使用mqtt协议接入阿里云，将温度数据上传至阿里云。在云端通过消息订阅可以直接查看温度信息。在PC端使用python调用MQTT协议，接入到阿里云。但是PC端和ESP32在阿里云上是两个不同的设备，需要通过阿里云来转发信息，这样PC就可以拿到ESP32上传的数据了。

ESP32 上的代码如下：

from umqtt.simple import MQTTClient
import usocket as socket
import time
import wifi

wifi.connect()

#Demo_01
ProductKey = "*********"#使用你自己的
ClientId = "1234|securemode=3,signmethod=hmacsha1|"
DeviceName = "Demo_01"
DeviceSecret = "*******************************"#使用你自己的

strBroker = ProductKey + ".iot-as-mqtt.cn-shanghai.aliyuncs.com"
Brokerport = 1883

user_name = "Demo_01&*********"#使用你自己的
user_password = "**********************************************"#使用你自己的

print("clientid:",ClientId,"\n","Broker:",strBroker,"\n","User Name:",user_name,"\n","Password:",user_password,"\n")


def connect():
    client = MQTTClient(client_id = ClientId,server= strBroker,port=Brokerport,user=user_name, password=user_password,keepalive=60) 
    #please make sure keepalive value is not 0
    
    client.connect()

    temperature =25.00
    while temperature < 30:
        temperature += 0.5      
    
        send_mseg = '{"params": {"IndoorTemperature": %s},"method": "thing.event.property.post"}' % (temperature)
        client.publish(topic="/sys/*************/Demo_01/thing/event/property/post", msg=send_mseg,qos=1, retain=False)#*号处为product id
        
        time.sleep(3)

    while True:
        pass

    #client.disconnect()

有几点需要说明：
1.代码中的wifi.connect()函数需要自己编写，网上能搜到类似的，也可以打赏私信我所要源码。
2.阿里云物联网平台的接入需要进行三元组认证，会根据一定的规则生成登录名和密码，这个网上信息还是比较全面的。
3.向阿里云物联网平台发布消息的格式一定要按照代码中所写，网上很多代码，但是对这一块的描述都不清楚。

  1. Micropython使用的umqtt.simple库，一定要设置keepalive时间，否则无法连接。这一点我是摸索了好久，最终通过查看库的源码才发现的问题。

三、云端设置

在云端建立一个高级产品，并创建两个设备，以供ESP32 和PC连接。


device.JPG

需要在产品中定义一下功能。


device_define.JPG
云端和设备端都建立好了之后，可以查看设备运行状态看到数据上传
云端数据查看.JPG

这是查看数据记录得到的结果


云端数据记录.JPG
当你看到正确的数据之后，就说明你的成功接入物联网并上传了数据。
接下来就是最重要的部分——设置是使用规则引擎来进行数据转发，将设备demo_01的数据转发到demo_02。这一步的语法很重要，虽然有官网有详细教程，但是当时还是搞了好久才完全正确。 
规则查询语句：
SELECT items.IndoorTemperature.value as IndoorTemperature FROM "/sys/use-your-productkey-here/Demo_01/thing/event/property/post" WHERE items.IndoorTemperature.value > 0

四、PC端接入

PC 端使用python模拟MQTT设备登陆阿里云订阅消息就行了，只要装好python很快就可以实现，网上也有很多代码。代码的很大一部分就是在做三元组认证，可以将这部分稍微修改一下来计算ESP32 登陆时所需的
PC端python代码如下：

#!/usr/bin/python2
# coding=utf-8
import datetime
import time
import hmac
import hashlib
import math

try:
    import paho.mqtt.client as mqtt
except ImportError:
    print("MQTT client not find. Please install as follow:")
    print("pip install paho-mqtt")

# 设置连接信息

#Demo_02
ProductKey = "*********"#使用你自己的
ClientId = "2234"  # 自定义clientId
DeviceName = "Demo_02"
DeviceSecret ="************************************8**"#使用你自己的

# 获取时间戳（当前时间毫秒值）
us = math.modf(time.time())[0]
ms = int(round(us * 1000))
timestamp = str(ms)

# 计算密码（签名值）
def calculation_sign(signmethod):
    data = "".join(("clientId", ClientId, "deviceName", DeviceName,
                    "productKey", ProductKey, "timestamp", timestamp))

    if "hmacsha1" == signmethod:
        # ret = hmac.new(bytes(DeviceSecret),
        #                bytes(data), hashlib.sha1).hexdigest()
        ret = hmac.new(bytes(DeviceSecret, encoding="utf-8"),
                       bytes(data, encoding="utf-8"),
                       hashlib.sha1).hexdigest()
    elif "hmacmd5" == signmethod:
        # ret = hmac.new(bytes(DeviceSecret, encoding="utf-8"),
        #                bytes(data, encoding="utf-8"), hashlib.md5).hexdigest()
        ret = hmac.new(bytes(DeviceSecret, encoding="utf-8"),
                       bytes(data, encoding="utf-8"),
                       hashlib.md5).hexdigest()
    else:
        raise ValueError
    return ret


# ======================================================

strBroker = ProductKey + ".iot-as-mqtt.cn-shanghai.aliyuncs.com"
port = 1883

client_id = "".join((ClientId,
                     "|securemode=3",
                     ",signmethod=", "hmacsha1",
                     ",timestamp=", timestamp,
                     "|"))
username = "".join((DeviceName, "&", ProductKey))
password = calculation_sign("hmacsha1")

print("="*60)
print(strBroker)
print("client_id:", client_id)
print("username:", username)
print("password:", password)
print("="*60)


# 成功连接后的操作
def on_connect(client, userdata, flags, rc):
    print("OnConnetc, rc: " + str(rc))


# 成功发布消息的操作
def on_publish(client, msg, rc):
    if rc == 0:
        print("publish success, msg = " + msg)


# 成功订阅消息的操作
def on_subscribe(mqttc, obj, mid, granted_qos):
    print("Subscribed: " + str(mid) + " " + str(granted_qos))


def on_log(mqttc, obj, level, string):
    print("Log:" + string)


def on_message(mqttc, obj, msg):
    curtime = datetime.datetime.now()
    strcurtime = curtime.strftime("%Y-%m-%d %H:%M:%S")
    print(strcurtime + ": " + msg.topic + " " + str(msg.qos) + " " + str(msg.payload))
    on_exec(str(msg.payload))


def on_exec(strcmd):
    print("Exec:", strcmd)
    strExec = strcmd


if __name__ == '__main__':
    mqttc = mqtt.Client(client_id)
    mqttc.username_pw_set(username, password)
    mqttc.on_message = on_message
    mqttc.on_connect = on_connect
    mqttc.on_publish = on_publish
    mqttc.on_subscribe = on_subscribe
    mqttc.on_log = on_log
    mqttc.connect(strBroker, port, 120)
    # mqttc.loop_start()
    time.sleep(1)
    temperature =27.55
    mqttc.subscribe("/sys/************/Demo_02/thing/service/property/set", qos=1)  # 换成自己的
    #send_mseg = '{"pm_25": %s,"area":"%s","time":"%s"}' % (0, 0, datetime.datetime.now())
    #send_mseg = '{"id": "1234", "version": "1.0","params": {"IndoorTemperature": %s},"method": "thing.event.property.post"}'%(temperature)
    send_mseg = '{"params": {"IndoorTemperature": %s},"method": "thing.event.property.post"}' % (temperature)

    print('send_mseg is : ',send_mseg)

    mqttc.loop_forever()

五、总结

工作之余了解了一下物联网的发展，看到有意思的东西打算学一下，刚好看到了microPython，震惊之余，决心做点小东西玩玩。

这套框架全部使用python实现，比我了解到的绝大多数物联网方案要简单太多，虽然有些开发首先，但是用来实现一些简单设计应该是不成问题的，只要你会python，这套系统可以很快构建。当然python也是非常好学的，长期使用C语言的人根本不需要什么学习就可以上手。

当然这一套系统也是在学习了很多东西之后才搭建成功的，中间也经历很难多曲折和摸索，前前后后大概花了两周。很多细节无法在一篇文章中展现，如果你在搭建过程中遇到问题可以留言，我看到了尽量回复。

经过后续研究，还写了以下相关文章：
《使用ESP32驱动电子墨水屏》
https://www.jianshu.com/p/776693227423
《在墨水屏上显示任意汉字》
https://www.jianshu.com/p/994c8da32d3a
《语音识别模块LD3320的MicroPython驱动》
https://www.jianshu.com/p/3f20433fd310
《如何吹灭LED》
https://www.jianshu.com/p/fc583c733674

最近还在研究用python进行FPGA的开发。这里放上链接
《使用PYNQ进行FPGA开发》
https://www.jianshu.com/p/3e2558582dfa
《给我儿子做个自动读故事的机器》
https://www.jianshu.com/p/56df82bd4dbb
《使用CFFI为PYNQ嵌入C语言》
https://www.jianshu.com/p/3fd5721f89e5

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