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ESP8266和帶有MQTT的Node-RED

ESP8266和帶有MQTT的Node-RED(Publish and Subscribe)

在這篇文章中,我們將向您展示如何控制ESP8266的輸出以及如何在Node-RED上顯示ESP8266的感測器數據。Node-RED軟件在Raspberry Pi上的Home Assistant運行,ESP8266和Node-RED軟件之間的通信通過MQTT通信協議實現。

下圖概述了本課程將要執行的操作。

Node-RED和Node-RED儀表板

您需要在Raspberry Pi中安裝Home Assistant,再運行Node-RED和Node-RED儀表板。以下博客文章對於Node-RED和Node-RED儀表板的入門非常有用:

MQTT協議

在本課程中,我們將在運行Node-RED軟件的Raspberry Pi與使用MQTT的ESP8266之間建立通信。

MQTT代表 MQ Telemetry Transport,這是一個很棒的輕量級的發布和訂閱系統,您可以發布和接收消息的客戶端。它是一種簡單的消息傳遞協議,設計用於受限設備且具有低帶寬。因此,它是物聯網應用程序的完美解決方案。

安裝Mosquitto Broker

在MQTT中,代理主要負責 接收 所有消息, 過濾 消息, 確定 誰對此感興趣,然後 將消息發佈到所有訂閱的客戶端。

有幾個經紀人您可以使用。而在本教程中,我們將使用 Home Assistant上的 Mosquitto Broker 來安裝。

安裝完成後,可以看到Configuration中,可輸入 login 的帳號密碼。這個帳號密碼是 ESP8266 連線到 MQTT broker 的帳號密碼,如果不輸入的話,也可以使用使用者帳號密碼。

再往下一點可以看到 MQTT 會使用到的 port,這裡我們維持預設值。

測試中

要查看是否已成功安裝Mosquitto代理,我們可以先確認在Home Assistant中的Mosquitto broker已經啟動,接著透過MQTTlens來測試是否已經安裝完成。下圖是確認Mosquitto broker已經啟動。

接著在Chrome中安裝MQTTlens,先透過Chrome開啟MQTTlens下載網址,點選右側的Add to Chrome進行安裝。

點選新增應用程式

開啟MQTTlens,點選MQTTlens的圖示來開啟APP

接著進行Mosquitto串接測試。

點選【Connections】旁的【+】

_____2019_04_18___10_27_58_1555597692626-1555597821526

接著填寫相關資訊;於Connection name欄位,請填寫一個可識別的名稱,於Hostname欄位填寫Mosquitto所在的IP,若需帳戶及密碼認證,也請填入帳戶及密碼。當以上資訊填寫完成後點選CREATE CONNECTION按鍵。

當連接Mosquitto MQTT Broker成功會顯示緑色燈號,這時我們輸入一個範例來測試Sensor/Temperature/Room1

先在訂閱(SUBSCRIBE)的欄位地方輸入該topic並訂閱它。接著在發佈的欄位也輸入該topic,並在message中輸入hello,並發佈它,則可以得到我們訂閱的topic收到hello的訊息。這樣代表MQTT已經成功安裝,並完成測試。

與Node-RED建立MQTT通信

在本節中,我們將使用Node-RED節點建立MQTT通信。

儀表板佈局

第一步是創建儀表板佈局。在這個示例中,我們將有一個按鈕來控制ESP8266輸出;圖表和儀表顯示DHT11傳感器的溫度和濕度讀數。

在“ Node-RED”窗口的右上角,選擇“dashboard” 選項卡下的“ Layout選項卡。建立一個名為 Room的選項卡,並在Room選項卡的內部,建立兩個組:Lamp和 Sensor,如下圖所示。

建立流程

將以下節點拖到流中–參見下圖:

  • switch開關–這將控制ESP8266輸出
  • mqtt輸出節點–這將根據開關狀態將消息發佈到ESP8266
  • 2個 mqtt輸入節點–該節點將訂閱溫度和濕度主題,並從ESP接收感測器數據
  • chart圖表–將顯示溫度感測器讀取的數據
  • Gauge儀表–將顯示濕度感測器讀取的數據

需要連接Node-RED和MQTT代理。要將MQTT代理連接到Node-REd,請雙擊MQTT輸出節點。彈出一個新窗口–如下圖所示。

服務端的IP,請輸入自己設定的IP。

若Mosquitto Broker有設定帳戶及密碼認證,則在安全的選項中,也請一併輸入認證的帳戶及密碼,若無設定帳密就無需理會本設定步驟。

以上均輸入相關欄位後,再按下新增,MQTT輸出節點將自動連接到您的代理。

編輯所有其他節點屬性,如下圖所示:

  • switch切換-當switch的狀態是on時,會發送一個 on字符串消息; 並在off時發送 off 字符串消息。該節點將在room/lamp topic上發布 。然後,您的ESP如有訂閱該主題,則會接收到此消息。

  • mqtt輸出節點。此節點連接到mosquitto broker,它將在room/lamp topic中發布。

  • mqtt輸入節點。該節點已訂閱room/temperature topic,以從ESP8266接收溫度感測器數據。ESP8266將發布有關該主題的溫度讀數。

  • chart圖表。 該圖表將顯示在room/temperature topic上收到的讀數。

  • mqtt輸入節點。 該節點已訂閱room/humidity topic,以從ESP8266接收濕度感測器數據。ESP8266將在同一主題上發布濕度讀數。

  • Gauge測量。儀表將顯示有關room/humidity topic的讀數。

如下圖所示連接節點。

您的Node-RED應用程序已準備就緒。單擊右上角的 部署按鈕。

Node-RED應用程序已準備就緒。要查看儀表板的外觀,請訪問  http:// your-pi-ip-address / ui。可以在Node-RED部署下方小圖示按下也可以直接開啟新視窗訪問。

現在,請按照以下部分準備您的ESP8266。

準備您的Arduino IDE

我們將使用Arduino IDE對ESP8266進行編程。為了使用Arduino IDE將程式碼上傳到ESP8266,您需要安裝ESP8266插件(如何在Arduino IDE中安裝ESP8266開發板)。您還需要安裝兩個額外的庫來為ESP8266準備好一切。

安裝PubSubClient庫

PubSubClient庫提供了客戶端做簡單的發布/訂閱訊息與Server之間端,它支援MQTT架構(基本上可以讓你的ESP8266與Node-RED溝通)。

1) 點擊此處下載PubSubClient庫。您的下載文件夾中應該有一個.zip文件夾

2)解壓縮.zip文件夾,您應該獲得pubsubclient-master文件夾

3)重命名您的文件夾 pubsubclient-masterpubsubclient

4)pubsubclient文件夾移至Arduino IDE安裝文件夾

5)然後,重新打開您的Arduino IDE

該庫附帶了許多示例草圖。請參閱Arduino IDE軟件中的檔案>範例> PubSubClient。

安裝DHT感測器庫

DHT感測器庫 提供了使用任何DHT感測器讀取溫度和濕度與ESP8266或Arduino板間的一個簡單的方法。

1) 點擊此處下載DHT感測器庫。您 的下載中應該有一個 .zip文件夾

2) 解壓縮 .zip 文件夾,您應該獲得 DHT-sensor-library-master 文件夾

3) 重命名您的文件夾 DHT感測器庫主 到 DHT

4) 將 DHT 文件夾移至Arduino IDE安裝 庫 文件夾

5) 然後重新打開您的Arduino IDE

有關DHT11感測器和ESP8266的更多信息,請閱讀 ESP8266 DHT11 / DHT22帶Arduino IDE的溫度和濕度Web服務器。

在Arduino IDE上選擇合適的板

您還需要在Arduino IDE上選擇合適的板:

1)轉到工具,然後選擇“ NodeMCU 1.0(ESP-12E模塊)”。

2)在工具>端口> COM6下選擇您的ESP端口號(在我的情況下)

上傳程式碼

現在,您可以將以下程式碼上傳到ESP8266。此程式碼通過MQTT協議發布有關room/temperatureroom/humidity topic的DHT11感測器的溫度和濕度消息。

ESP訂閱了room/lamp topic,以接收Node-RED應用程序在該主題上發布的消息,來開啟或關閉燈泡。

該程式碼順便也註釋了您需要進行更改的位置。您需要使用自己的SSID,密碼和Home Assistant IP地址編輯程式碼。

該程式碼還與其他DHT感測器兼容-您只需要取消註釋並註釋正確的程式碼行即可選擇您的感測器。

/*****
 Terry Lee
 完整的程式碼及專案說明請參閱:
  
*****/

#include <ESP8266WiFi.h> 
#include <PubSubClient.h>
#include "DHT.h"

// 無論您使用的DHT感測器類型是哪一個,請將您使用的那個型號解開
#define DHTTYPE DHT11   // DHT 11
//#define DHTTYPE DHT21   // DHT 21 (AM2301)
//#define DHTTYPE DHT22   // DHT 22  (AM2302), AM2321

// 更改下面的憑據,您的ESP8266才可以連接到您的路由器
const char* ssid = "YourSSID";
const char* password = "SSID Password";

// 將變數值更改為HomeAssistant IP地址,以便連接到MQTT Broker
const char* mqtt_server = "mqtt server ip";
// 若MQTT Broker有設定認證請輸入自己設定的帳密
const char* mqtt_user = "MQTT User";
const char* mqtt_password = "MQTT Password";

// 初始化espClient。如果您在家庭自動化系統中運行多個ESP,則應更改每個espClient變數名稱
WiFiClient espClient;
PubSubClient client(espClient);

// DHT Sensor - GPIO 5 = D1 on ESP-12E NodeMCU board
const int DHTPin = D1;

// Lamp - LED - GPIO 4 = D2 on ESP-12E NodeMCU board
const int lamp = D2;

// 初始化 DHT sensor.
DHT dht(DHTPin, DHTTYPE);

// 輔助計時器變數
long now = millis();
long lastMeasure = 0;

// 不要更改下面的功能。此功能將ESP8266連接到路由器
void setup_wifi() {
  delay(10);
  // 我們首先連接到WiFi網絡
  Serial.println();
  Serial.print("Connecting to ");
  Serial.println(ssid);
  WiFi.begin(ssid, password);
  while (WiFi.status() != WL_CONNECTED) {
    delay(500);
    Serial.print(".");
  }
  Serial.println("");
  Serial.print("WiFi connected - ESP IP address: ");
  Serial.println(WiFi.localIP());
}

// 當某些設備向esp8266訂閱的主題發布消息時,會執行此功能
// 更改下面的函數以將邏輯增加到程序,因此當設備將消息發佈到主題時您的ESP8266實際上可以配合執行相關作業
void callback(String topic, byte* message, unsigned int length) {
  Serial.print("Message arrived on topic: ");
  Serial.print(topic);
  Serial.print(". Message: ");
  String messageTemp;
  
  for (int i = 0; i < length; i++) { Serial.print((char)message[i]); messageTemp += (char)message[i]; } Serial.println(); // 隨意添加更多IF語句以控制更多GPIO與MQTT // 當主題room/lamp上收到了一條消息,請檢查消息是on或off。根據消息啟閉燈泡GPIO if(topic=="room/lamp"){ Serial.print("Changing Room lamp to "); if(messageTemp == "true"){ digitalWrite(lamp, HIGH); Serial.print("On"); } else if(messageTemp == "false"){ digitalWrite(lamp, LOW); Serial.print("Off"); } } Serial.println(); } // 此功能將您的ESP8266重新連接到MQTT broker // 如果要與ESP8266訂閱更多主題,請更改下面的功能 void reconnect() { // 循環直到我們重新聯繫 while (!client.connected()) { Serial.print("Attempting MQTT connection..."); String clientId = "ESP8266Client-"; clientId += String(random(0xffff), HEX); if (client.connect(clientId.c_str(),mqtt_user,mqtt_password)) { Serial.println("connected"); // 訂閱或重新訂閱主題 // 您可以訂閱更多主題 (可以控制更多燈泡等等) client.subscribe("room/lamp"); } else { Serial.print("failed, rc="); Serial.print(client.state()); Serial.println(" try again in 5 seconds"); // 重試前等待5秒鐘 delay(5000); } } } // 設置功能將ESP GPIOS設置為輸出,以115200的鮑率啟動序列通信 // 設置MQTT代理並設置callback函數 // 回饋函數是收到消息的原因,實際控制LED void setup() { pinMode(lamp, OUTPUT); dht.begin(); Serial.begin(9600); setup_wifi(); client.setServer(mqtt_server, 1883); client.setCallback(callback); } // 對於此案,您無需在循環函數中更改任何內容。基本上它確保您的ESP已連接到您的broker void loop() { if (!client.connected()) { reconnect(); } now = millis(); // 每30秒發佈的新型溫度和濕度 if (now - lastMeasure > 3000) {
    lastMeasure = now;
    // 感測器的數據可能要每2秒鐘才更新
    float h = dht.readHumidity();
    // 讀取攝氏溫度(預設)
    float t = dht.readTemperature();
    // 讀取華氏溫度 (isFahrenheit = true)
    float f = dht.readTemperature(true);

    // 檢查是否有任何讀取失敗並提早退出(重試)
    if (isnan(h) || isnan(t) || isnan(f)) {
      Serial.println("Failed to read from DHT sensor!");
      return;
    }

    // 計算攝氏度的溫度值
    float hic = dht.computeHeatIndex(t, h, false);
    static char temperatureTemp[7];
    dtostrf(t, 6, 2, temperatureTemp);
    
    // 取消對華氏溫度取值的關注
    // float hif = dht.computeHeatIndex(f, h);
    // static char temperatureTemp[7];
    // dtostrf(hif, 6, 2, temperatureTemp);
    
    static char humidityTemp[7];
    dtostrf(h, 6, 2, humidityTemp);

    // 發布溫度和濕度值
    client.publish("room/temperature", temperatureTemp);
    client.publish("room/humidity", humidityTemp);
    
    Serial.print("Humidity: ");
    Serial.print(h);
    Serial.print(" %\t Temperature: ");
    Serial.print(t);
    Serial.print(" *C ");
    Serial.print(f);
    Serial.print(" *F\t Heat index: ");
    Serial.print(hic);
    Serial.println(" *C ");
    // Serial.print(hif);
    // Serial.println(" *F");
  }
  client.loop();
}

上載程式碼後,在HomeAssistant運行您的Node-RED應用程序和Mosquitto Broker的情況下,您可以以115200的鮑率打開Arduino IDE序列監視器,並即時查看發生了什麼。

這有助於檢查ESP是否已成功建立與路由器和Mosquitto Broker的連接。您還可以查看ESP正在接收和發布的消息。

建立電路

以下各節顯示了建立該專案電路所需的零件和原理圖。

所需零件

這些是構建電路所需的零件

  • Raspberry Pi
  • ESP8266(ESP-12E nodemcu)
  • DHT11溫濕度感測器
  • 麵包板
  • 330電阻
  • LED
  • 4700Ω電阻

原理圖

範例

總結

在本教程中,我們向您展示了一些基本概念,這些概念使您可以使用Node-RED和MQTT通信協議打開ESP上的燈並監視感測器。

我們希望您對本教程有所幫助。

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